Impulserhaltung
Hossa
Das Prinzip „actio = reactio“ ist das stärkste Prinzip, das es in der Physik gibt. Es bleibt sogar in der Quantenmechanik und in der Relativitätstheorie uneingeschränkt gültig.
Um die Bewegung eines Objektes mit der Masse m und der Geschwindigkeit v zu fassen, definiert man den Impuls p des Objektes als Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit v
p=m\cdot v
Wirkt eine Kraft F auf das Objekt ein, so ändert sich der Impuls des Objektes. In der Regel bleibt dabei die Masse konstant und es ändert sich nur die Geschwindigkeit. Das muss aber nicht so sein. Bei Raketen z.B. verringert sich die Masse, weil ständig Treibstoff verbrannt wird. Beide Effekte, die Änderung der Geschwindigkeit und die Änderung der Masse ist in Newtons Bewegungsgesetzt zusammengefasst:
F=\dot p=\dot m\cdot v+m\cdot\dot v
Ändert sich die Masse m nicht, dann verschwindet der erste Teil der Summe. Die Änderung der Geschwindigkeit wird auch als Beschleunigung a bezeichnet, so dass für konstante Masse m gilt:
F=m\cdot\dot v=m\cdot a
Nehmen wir an, es gibt 2 Objekte. Objekt 1 übt auf Objekt 2 die Kraft F1 auf 2 aus und Objekt 2 übt auf Objekt 1 die Kraft F2 auf 1 aus. Das Prinzip „actio = reactio“ sagt nun, dass beide Kräfte entgegengesetzt gleich groß sind:
F_{\mbox{1 auf 2}}=-F_{\mbox{2 auf 1 }}
Durch die Kraft F1 auf 2 ändert sich der Impuls p2 von Objekt 2. Und durch die Kraft F2 auf 1 ändert sich der Impuls p1 von Objekt 1. Nach Newtons Bewegungsgesetz gilt ganz allgemein:
\dot p_2=-\dot p_1
Diese Gleichung kann man leicht umformen:
\dot p_1+\dot p_2=0
Und das lässt sich integrieren:
p_1+p_2=\mbox{const}
Mit anderen Worten, das Prinzip „actio = reactio“ beschreibt die „Impulserhaltung“. Eine Bewegung kann sich also nur ändern, wenn ihr Impuls auf ein anderes Objekt übertragen wird. Impuls muss sozusagen ausgetauscht werden.
Wenn du ein Weinglas auf den Tisch stellst, hat dieses Glas einen gewissen Impuls (Produkt aus Masse und Geschwindigkeit). Beim Berühren des Tisches wird dieser Impuls auf den Tisch übertragen. Da die Masse des Tisches jedoch sehr viel größer ist als die Masse des Glases, muss der Tisch seine Geschwindigkeit nur sehr minimal ändern. So wird der Impuls des Glases auf den Tisch übertragen. Der Tisch seinerseits überträgt den Impuls auf die Erde, und deren Masse ist so gewaltig, dass sich die Geschwindigkeit nicht ändert.
Der Impulsübertrag vom Glas auf den Tisch efolgt nicht abrupt. Sondern zuerst berührt der Boden des Glases den Tisch. Der obere Rand des Glases bewegt sich dabei noch etwas weiter, so dass es innerhalb des Glases zu Schwingungen kommt. Es kann sogar sein, dass diese Schwingungen das Glas zerbrechen lassen. Ebenso kann z.B. der Tisch zerbrechen, wenn in ihm auf Grund von inneren Deformationen zu viel Impuls gespeichert wird, bevor dieser an die Erde übertragen werden kann.
Bei Raketen ist es das gleiche Prinzip. Wird eine Masse in Form von Gas nach hinten ausgestoßen, muss sich die Rakete in die entgegengesetzte Richtung bewegen.
Der Gesamtimpuls eines Systems ändert sich nicht. Das ist die eigentliche Kernaussage hinter dem Prinzip „actio = reactio“.
Viele Grüße
Hasenfuß