PH4 – Drittes Newtonsches Gesetz | Wechselwirkungsprinzip [Grundlagen, Beispiele, Aufgaben]

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Das Wechselwirkungsprinzip (auch: Wechselwirkungsgesetz) besagt, dass für jede Kraft, die auf einen Körper ausgeübt wird, eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft existiert, die vom Körper auf den ersten Körper zurückwirkt.

Diese Wechselwirkungskraft ist ein zentrales Prinzip in der Physik und spielt eine wichtige Rolle in der Analyse von Bewegungen und Kräften in Systemen. Es wird oft auch als drittes Newtonsches Gesetz oder Actio gleich Reactio bezeichnet, was bedeutet, dass jede Aktion eine gleichwertige Reaktion hervorruft.

In dieser Lerneinheit behandeln wir das Wechselwirkungsprinzip oder auch als drittes Newtonsches Gesetz bezeichnet.

Für ein optimales Verständnis helfen dir viele unterschiedliche Beispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Kinetik findest du im Kurs: PH4-Kinetik.

 

Wechselwirkungsprinzip – Definition

Das dritte Newtonsche Gesetz wird auch als Wechselwirkungsprinzip bezeichnet, weil es die Wechselwirkung zweier Körper betrachtet. Wirken zwei Körper aufeinander ein, so wirkt auf jeden der Körper eine gleich große aber entgegengesetzt gerichtete Kraft.

Anders ausgedrückt:

Das Wechselwirkungsprinzip besagt, dass für jede Aktion eine gleichwertige und entgegengesetzte Reaktion existiert.

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Wechselwirkungsprinzip

In der obigen Grafik siehst du zwei Personen, die im Armdrücken gegeneinander antreten und eine Pattsituation gegeben ist. Damit findet in der aktuell gegebenen Situation keine Bewegung statt, d.h. die beiden Personen üben mit ihrer Hand bzw. ihrem Arm dieselbe Kraft aufeinander aus. Die beiden Kräfte sind gleich groß (weisen denselben Betrag auf) aber genau entgegengesetzt zueinander gerichtet. Der Kraftpfeil der weißen Person zeigt in Richtung seiner Kraftausübung nach rechts, der Kraftpfeil der orangenen Person zeigt in Richtung seiner Kraftausübung nach links. Beide Kräfte haben denselben Betrag, somit findet keine Bewegung statt.

Irgendwann wird natürlich die Muskelkraft nachlassen. Bei einer Person früher als bei der anderen Person. Nehmen wir an die weiße Person verliert zuerst an Kraft, so wird der Betrag der nach rechts gerichteten Kraft kleiner und die orangene Person kann mit ihrer Kraft den Arm nach links unten drücken.

 

Wechselwirkungsprinzip – Beispiel Wohnmobil

Stell dir folgendes Schreckensszenario vor: Du stehst mit deinem Wohnmobil an einer Steilklippe und hast doch tatsächlich vergessen die Handbremse anzuziehen. Diesen fatalen Fehler bemerkst du aber erst nach dem Aussteigen. Da der Untergrund abfällt und zudem extrem glatt ist, rutscht das Mobil inklusiver deiner Lernunterlagen langsam aber stetig auf die Klippe zu. Verdammt denkst du dir – meine Unterlagen – und hechtest vor das Wohnmobil. Da du vor Muskulatur nur so strotzt und auch schon einige Male den Ironman bewältigst hast, stoppst du es mit deiner Muskelkraft.

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Wechselwirkungsgesetz – Wohnmobil

Da du dieselbe Kraft auf das Wohnmobil ausübst, wie das Wohnmobil auf dich, befindet ihr euch beide in Ruhe. Ihr übt also eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft aufeinander aus.

Die obige Situation beschreibt das Wechselwirkungsprinzip. Wie du nun deine Lernunterlagen aus dem Wohnmobil retten kannst, dass wissen wir auch nicht. Du könntest eine Person deiner Wahl in das Wohnmobil schicken, um die Unterlagen rauszuholen. Da aber auch diese Person eine Gewichtskraft aufweist und damit das Wohnmobil schwerer macht, musst du noch mehr Kraft aufwenden, damit das Wohnmobil in Ruhe bleibt. Überlege dir also gut, wen du ins Mobil schickst, falls deine Kräfte dich verlassen.

Wichtig ist in jedem Fall: Rette die Unterlagen! 😉

Merk’s dir!

Denk immer daran: Wirken zwei Körper aufeinander und befinden sich in Ruhe [im Gleichgewicht], dann üben sie beide dieselbe Kraft aufeinander aus.

Diese beiden Kräfte weisen denselben Betrag auf, sind aber genau entgegengesetzt gerichtet.

 

Wechselwirkungsprinzip Beispiel am Flugzeug

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Wechselwirkungsprinzip am Beispiel Flugzeug

 

Wir können das Wechselwirkungsprinzip auch an einem Flugzeug feststellen. Das obige Flugzeug bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit horizontal nach rechts. Wenn es sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, dann sind die Kräfte in Richtung der Bewegung (also die horizontalen Kräfte) im Gleichgewicht bzw. die resultierende Kraft ist Null. 

Die Antriebskraft FA in Richtung der Bewegung wird von den Triebwerken erzeugt und beschleunigt das Flugzeug vorwärts. Gemäß dem Wechselwirkungsprinzip gibt es eine gleichwertige Reaktion in entgegengesetzter Richtung, die als Luftwiderstandskraft FR wirkt. Sind nun Antriebskraft FA und Luftwiderstandskraft FR gleich groß, so bewegt sich das Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit, weil die resultierende Kraft in Richtung der Bewegung gleich Null ist. Die beiden Kräfte heben sich gegenseitig auf.

Die Reibungskraft entsteht infolge der Bewegung des Flugzeugs und Reibung dieses an den Luftmolekülen. Hierbei handelt es sich um eine Wechselwirkung. Ohne Flugzeug wäre die Luftreibungskraft gleich Null. Damit ist die Luftreibungskraft eine Reaktion auf die Aktion des Flugzeugs (=Bewegung des Flugzeugs).

Wir haben außerdem noch die beiden vertikalen Kräfte gegeben. Zum einen wirkt die Gewichtskraft FG des Flugzeugs vertikal nach unten infolge der Gravitation. Zusätzlich wirkt noch die Auftriebskraft Fauf des Flugzeugs infolge der Aerodynamik. Diese nach oben gerichtete Kraft wird durch die aerodynamischen Eigenschaften der Tragflächen erzeugt. Wenn die Tragflächen Luft nach unten ablenken, entsteht nach dem Wechselwirkungsprinzip eine gleichwertige Auftriebskraft nach oben, die das Gewicht des Flugzeugs (=Gewichtskraft) ausgleicht und es in der Luft hält.

 

Wechselwirkungsprinzip – Beispiele im Alltag

Hier sind einige Beispiele für das Wechselwirkungsprinzip im Alltag:

  • Schwimmen im Wasser: Beim Schwimmen im Wasser spürst du das Wechselwirkungsprinzip. Wenn du deine Arme und Beine bewegst, erzeugst du eine Aktion durch das Zurückschlagen des Wassers. Das Wasser übt eine Reaktion aus und drückt dich vorwärts, sodass du vorankommst.

  • Anstoßen an eine Wand: Wenn du gegen eine Wand stößt, wirkt das Wechselwirkungsprinzip. Du drückst mit deinem Körper gegen die Wand (Aktion), und die Wand drückt dich mit einer gleichen und entgegengesetzten Kraft zurück (Reaktion).

Diese Beispiele verdeutlichen, wie das Wechselwirkungsprinzip im Alltag wirkt, indem es auf jede Aktion eine entsprechende und entgegengesetzte Reaktion gibt. Dieses Prinzip ist ein grundlegendes Konzept in der Physik und beschreibt die Beziehungen zwischen Kräften in verschiedenen Situationen. 

 

Wechselwirkungsprinzip – Klausuraufgabe

Aufgabenstellung

Während des Abspringens beschleunigt Till (Gewicht: 60 kg) sein Skateboard mit einer Kraft von 110 N. Das Skateboard weist eine Masse von 2 kg auf.

Mit welcher Beschleunigung wird das Skateboard weg geschoben?

 

Till stößt sich vom Skateboard mit einer Kraft von F = 110 N ab. Gemäß des Wechselwirkungsprinzips ist die Kraft auf das Skateboard und die Kraft, die auf Till wirkt, gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet. Die Beschleunigung kannst du aus dem Newtonschen Grundgesetz berechnen:

F = m \cdot a

 

Auf das Skateboard wirkt also eine Kraft von 110N. Das Skateboard weist eine Masse von m = 2 kg auf. Wir suchen die Beschleunigung und lösen nach dieser auf:

a = \frac{F}{m} = \frac{110 N}{2 kg} = 55 \frac{m}{s^2}

Auf das Skateboard wirkt also eine Beschleunigung von 55 m/s².

 

Auf Till wirkt eine andere Beschleunigung. Die Kraft ist dieselbe, aber Till hat eine viel größere Masse:

a = \frac{F}{m} = \frac{110 N}{60 kg} = 1,83 \frac{m}{s^2}

Die Beschleunigung die Till aufweist ist viel kleiner, weil er eine viel größere Masse aufweist.

Was kommt als Nächstes?

Nachdem du jetzt das Wechselwirkungsprinzip kennengelernt hast, wollen wir uns in der folgenden Lerneinheit einige für deine Prüfung relevante Aufgaben zum Newtonschen Grundgesetz anschauen, die für deine technische Prüfungen relevant sind.

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