Heutzutage scheint es unter Physiklehrern beliebt zu sein, Newtons erstes Gesetz als Definition von Trägheitssystemen und/oder als Aussage, dass es solche Systeme gibt, zu präsentieren. Dies ist eindeutig ein modernes Overlay. Hier ist Newtons Originalaussage des Gesetzes (Mottes Übersetzung):
Gesetz I. Jeder Körper verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichmäßigen Bewegung in einer geraden Linie, es sei denn, er wird durch ihm aufgeprägte Kräfte gezwungen, diesen Zustand zu ändern.
Der Text fährt dann fort:
Geschosse bleiben in ihrer Bewegung, sofern sie nicht durch den Widerstand der Luft gebremst oder durch die Schwerkraft nach unten getrieben werden. Ein Kreisel, dessen Teile durch ihren Zusammenhalt fortwährend von der geradlinigen Bewegung weggezogen werden, hört nicht auf, sich zu drehen, außer wenn er durch die Luft verzögert wird. Die größeren Körper der Planeten und Kometen, die in freieren Räumen auf weniger Widerstand stoßen, behalten ihre sowohl fortschreitende als auch kreisförmige Bewegung für eine viel längere Zeit bei.
Und dann wird das zweite Gesetz angegeben.
Hier geht es eindeutig nicht um Bezugsrahmen. Tatsächlich ist die Diskussion so qualitativ und nicht mathematisch, dass viele moderne Physiklehrer sie wahrscheinlich in einer Prüfung falsch bewerten würden.
Ich habe eine kleine Sammlung alter Physiklehrbücher, und eines der historisch einflussreicheren ist Elements of Physics von Millikan und Gale, 1927. (Millikan schrieb eine lange Reihe von Physiklehrbüchern mit verschiedenen Titeln.) Millikan und Gale geben eine Erklärung ab das erste Gesetz, das sich wie eine extrem genaue Paraphrase der Mott-Übersetzung liest. Es gibt keine Erwähnung von Referenzrahmen, Trägheits- oder anderen.
Ein angesehenes und einflussreiches modernes Lehrbuch, das auf ein viel höheres Niveau abzielt als Millikans Buch, ist Kleppners und Kolenkows Einführung in die Mechanik von 1973. K&K hat folgendes:
...es ist immer möglich, ein Koordinatensystem zu finden, bezüglich dessen sich isolierte Körper gleichförmig bewegen. [...] Newtons erstes Bewegungsgesetz ist die Behauptung, dass es Inertialsysteme gibt. Newtons erstes Gesetz ist teils Definition und teils experimentelle Tatsache. Aufgrund der Definition eines Inertialsystems bewegen sich isolierte Körper in Inertialsystemen gleichmäßig. Dagegen ist die Existenz von Inertialsystemen eine Aussage über die physikalische Welt. Newtons erstes Gesetz wirft eine Reihe von Fragen auf, etwa was wir unter einem 'isolierten Körper' verstehen, [...]
Es gibt einen Artikel zu diesem historischen/pädagogischen Thema: Galili und Tseitlin, "Newton's First Law: Text, Translations, Interpretations and Physics Education", Science & Education Volume 12, Number 1, 45-73, DOI: 10.1023/A:1022632600805 . Ich hatte einmal Zugang dazu, und es schien sehr relevant zu sein. Leider ist es jetzt Paywalled. Die Zusammenfassung, die nicht mit Paywalls versehen ist, sagt:
Normalerweise wird NFL als Sonderfall interpretiert: eine triviale Ableitung aus Newtons zweitem Gesetz. Einige fortgeschrittene Lehrbücher ersetzen NFL durch einen modernisierten Anspruch, der seine ursprüngliche Bedeutung aufgibt.
Frage 1 : Weiß jemand mehr darüber, wann Lehrbücher zu behaupten begannen, dass das erste Gesetz eine Aussage über die Definition und/oder Existenz von Inertialsystemen war?
Es scheint mehrere mögliche Interpretationen des ersten Gesetzes zu geben:
A. Newton schrieb die Bewegungsgesetze bewusst im Stil eines Axiomensystems, möglicherweise in Anlehnung an Euklid. Dies ist jedoch nur eine Frage des Stils. Das erste Gesetz ist eindeutig eine triviale Ableitung aus dem zweiten Gesetz. Newton präsentierte es als separates Gesetz, nur um zu betonen, dass er im Rahmen von Galileo arbeitete, nicht im Rahmen der mittelalterlichen Scholastik.
B. Newtons Darstellung des ersten und zweiten Hauptsatzes ist logisch fehlerhaft, aber Newton konnte es nicht besser machen, weil ihm die Vorstellung von trägen und nicht-trägen Bezugssystemen fehlte. Moderne Lehrbuchautoren können Newton sagen: "Da, das wurde für Sie behoben."
C. Es ist unmöglich, eine logisch strenge Aussage über die durch den ersten und den zweiten Hauptsatz beschriebene Physik zu geben, da die Schwerkraft eine Kraft mit großer Reichweite ist, und dies, wie von K&K betont, Probleme bei der Definition der Bedeutung von isoliert aufwirft Karosserie. Das Beste, was wir tun können, ist, dass wir in einem gegebenen kosmologischen Modell, wie dem Newtonschen Bild eines unendlichen und homogenen Universums voller Sterne, einen Rahmen finden können, wie den Rahmen der "Fixsterne", die wir nennen wollen träge. Andere Rahmen, die sich relativ dazu träge bewegen, sind ebenfalls träge. Dies hängt jedoch vom kosmologischen Modell ab. Dieser Rahmen könnte sich später als nicht träge erweisen, wenn wir zum Beispiel erfahren, dass unsere Galaxie in einem externen Gravitationsfeld frei fällt, das von anderen Massen erzeugt wird.
Frage 2 : Wird A von der besten Geschichtswissenschaft unterstützt? Würde mir jemand als Extrapunkte sagen, dass ich ein Idiot bin, weil ich an A und C glaube, oder eine andere Interpretation aus logischen oder pädagogischen Gründen verteidigen?
[BEARBEITEN] Meine aktuelle Vermutung ist folgende. Ich glaube, Ernst Machs The Science Of Mechanics aus dem Jahr 1919 begann allmählich, die Darstellungen des ersten Hauptsatzes zu beeinflussen. Einflussreiche Lehrbücher wie Millikans nur leicht nachdatiertes Machs Buch richteten sich an ein Publikum, das Machs Argumente nicht hätte aufnehmen können. Später begannen Texte wie Kleppner, die sich an ein elitäreres Publikum richteten, Machs Kritik und Neuformulierung von Newton aufzunehmen. Im Laufe der Zeit begannen Texte wie Halliday, die sich an ein weniger elitäres Publikum richteten, Behandlungen wie die von Kleppner nachzuahmen.
Ich habe nicht mehr getan, als Newton und ein paar Kommentatoren zu lesen, daher ist meine Einsicht darüber wahrscheinlich mager. Aber ich bin sicher, dass Sie Recht haben, dass die Interpretation des Trägheitssystems des ersten Hauptsatzes nur eine moderne Ex-post-facto-Rechtfertigung dafür ist, ihn vom zweiten Hauptsatz zu trennen. Newton hat sicherlich nie das erste Gesetz zur Definition eines Trägheitssystems verwendet, er nahm nur an, dass Sie eines im Sinn hatten, da Trägheitssysteme nicht im Mittelpunkt seiner Untersuchung standen.
Ich denke, dass die Aussagen der Bewegungsgesetze leider mehr Aristoteles folgen als Euklid. Da die Physik nicht mehr als Philosophie angesehen wird, schätzen wir die Unabhängigkeit von Axiomen über die Klarheit der philosophischen Darlegung, und dies macht den ersten Hauptsatz überflüssig. Aber wenn Sie eine philosophische Position vertreten – dass die Dinge ihren Bewegungszustand beibehalten, wenn nicht darauf eingewirkt wird – ist Newtons erstes Gesetz eine saubere Zusammenfassung der Grundlagen des Weltsystems.
Beachten Sie, dass Newton es nicht als "ein Körper in linearer Bewegung bewegt sich weiterhin linear" ausdrückt. Er schließt auch Rotationsbewegungen ein, obwohl dies eine andere Idee ist. Ich denke, er verschmilzt die beiden, um die philosophische Position festzuhalten, dass gleichförmige Bewegung der natürliche Zustand aller Objekte ist. Bei Aristoteles ist der natürliche Zustand von massiven Stoffen wie „Erde“ unten im Zentrum des Universums und von leichten Stoffen wie „Feuer“ oben in den Himmeln, was zu Schwerkraft und Leichtigkeit führt. Newton ersetzt diesen Begriff durch einen anderen Begriff des natürlichen Zustands. Dann spricht das zweite Gesetz über Abweichungen vom natürlichen Zustand und ist eine separate philosophische Idee (obwohl kein separates Axiom im mathematischen Sinne).
Der Einfluss von Aristoteles ist (glücklicherweise) im Laufe der Jahrhunderte zurückgegangen, was die Newtonschen Gesetze ein wenig anachronistisch macht. Ich denke, dass wir heutzutage nicht mehr so sklavisch gegenüber Newton sein müssen.
Newton war sich der Bedeutung der Erhaltung von linearem Impuls und Drehimpuls bewusst. Eine andere Art des Verständnisses und seines ersten Gesetzes kann man sich so vorstellen, dass die Erhaltungsgesetze primär werden. Diese Sichtweise ist Newtons Denken näher (es macht seine „natürlichen Zustände“ natürlich) und passt auch besser zum modernen Verständnis. Es könnte also schön sein, das erste Gesetz als "linearer Impuls und Drehimpuls sind erhalten" zu wiederholen.
All dies basiert auf persönlichen Spekulationen, nicht auf fundierter historischer Forschung, also mit Vorsicht zu genießen.
Henri Poincaré (1854-1912) und Pierre Duhem (1861-1916) behaupteten, dass das von Newton formulierte Trägheitsgesetz nur ein Postulat sei.
Poincaré schrieb in La science et l'hypothese (S. 112-19) und ging darauf ein, woher man überhaupt wissen würde, dass ein Körper ohne übertragene Kräfte sich unbegrenzt bewegt:
Niemand hat jemals an einem Körper experimentiert, der vor dem Einfluss jeder Kraft abgeschirmt war, oder, wenn er es getan hat, wie konnte er wissen, dass der Körper so abgeschirmt war?
Sir Arthur Eddington argumentierte, dass das von Newton formulierte Trägheitsgesetz kreisförmig ist und daher Trägheit zur Erhaltung der Bewegung mit Trägheit zur Erhaltung der Ruhe verschmilzt . In seiner The Nature of the Physical World gibt Eddington eine scharfe Kritik an Newtons erstem Gesetz (meine Betonung ):
Leider ist in diesem Fall [von äußeren Kräften, die darauf einwirken] seine Bewegung nicht gleichmäßig und geradlinig [wie es wäre, wenn das 1. Gesetz angewendet würde]; der Stein beschreibt eine Parabel. Wenn Sie diesen Einwand erheben würden, würde Ihnen gesagt werden, dass das Projektil gezwungen war, seinen Zustand der gleichförmigen Bewegung durch eine unsichtbare Kraft namens Gravitation zu ändern. Woher wissen wir, dass diese unsichtbare Kraft existiert? Warum! Denn wäre die Kraft nicht vorhanden, würde sich das Projektil gleichmäßig geradlinig bewegen. Der Lehrer spielt nicht fair. Er ist entschlossen, seine gleichmäßige Bewegung in einer geraden Linie zu haben, und wenn wir ihn auf Körper hinweisen, die seiner Regel nicht folgen, erfindet er höflich eine neue Kraft, um die Abweichung zu erklären. Wir können seine Formulierung des Ersten Bewegungsgesetzes verbessern. Was er wirklich meinte, war …«Jeder Körper bleibt in seinem Zustand der Ruhe oder gleichförmigen Bewegung in einer geraden Linie, außer insofern er dies nicht tut. „ … Die Behauptung, dass der Körper wirklich geradeaus gehen wollte, aber ein mysteriöser Agent ihn schief gehen ließ, ist pittoresk, aber unwissenschaftlich .
Ich werde argumentieren, dass A, B und C aus logischen Gründen falsch sind (und eine Bemerkung zur Pädagogik).
Erstens ist A falsch, weil das erste Gesetz nicht aus dem zweiten Gesetz folgt. Das erste Gesetz macht die spezifischen überprüfbaren Vorhersagen, dass sich die Bewegung in Abwesenheit einer Nettokraft nicht ändert. Aber das zweite Gesetz erhebt keinen solchen Anspruch, weil es möglich ist (siehe Nonuniqueness in the solutions of Newton'sgleichung der Bewegung von Abhishek Dhar Am. J. Phys. 61, 58 (1993); http://dx.doi.org/10.1119 /1.17411 ) um Lösungen zu haben die gegen Newtons erstes Gesetz verstoßen. Es ist also nicht überflüssig.
Was B betrifft, sehe ich keinen logischen Fehler in den Newtonschen Gesetzen, er postuliert einen Isomorphismus zwischen Lösungen von Differentialgleichungen zweiter Ordnung und räumlich-zeitlichen Beobachtungen. Da er erklärt, wie man diese Lösungen berechnet, ist es eine Methode, um Vorhersagen zu treffen, die getestet werden können. Und das erste Gesetz verringert einfach die zulässigen Lösungen, um nur diejenigen zu enthalten, die auch das nicht redundante erste Gesetz erfüllen, wie oben.
Was C angeht, wenn Sie das von Ihnen zitierte erste Gesetz sehr genau lesen, werden Sie feststellen, dass er Kräfte erwähnt, Pluralkräfte. Er beschränkt sich also nicht nur auf nicht existierende, perfekt isolierte Körper. Er spricht von Sonderfällen, in denen die wirkenden Kräfte keine Nettokraft erzeugen. Er sagt, wenn Sie eine sehr harte, sehr ebene, sehr glatte Oberfläche hätten (wodurch eine Nettokraft aus der Schwerkraft und der Oberfläche eliminiert wird) und Sie dann verhindern, dass sich Staub ansammelt oder Wind auf Ihr Gerät weht, rutscht oder dreht es sich gleichmäßig Bewertung. Sicher, das Testen wäre niemals perfekt, also wäre es ein Problem, wenn es nur ein erstes Gesetz wäre, aber das zweite Gesetz erlaubt uns, die Größe der Abweichungen durch die Abweichungen von der Nettokraft Null zu begrenzen. Das erfordert dann aber eine eigene Krafttheorie, nämlich Kraftgesetze, die bestimmte Kräfte postulieren.
Das dritte Gesetz ist völlig anders, weil es tatsächlich einschränkt, welche Arten von Kraftgesetzen zu berücksichtigen sind.
Das dritte Gesetz schränkt also ein, welche Kraftgesetze Sie berücksichtigen. Das zweite Gesetz wandelt diese Kraftgesetze in Vorhersagen über Bewegung um, wodurch die Kraftgesetze getestet und nicht nur wegen Verletzung der Impulserhaltung eliminiert werden können. Das erste Gesetz schließt dann bestimmte Lösungen aus, die das zweite Gesetz erlaubt.
Es gibt einen Platz für alle drei Gesetze, und sie bedeuten alle etwas. Vielleicht sollten wir sie in umgekehrter Reihenfolge unterrichten, aber ... und dies ist der einzige Punkt, an dem ich die Geschichte ansprechen werde: Ich nehme an, die von Newton gegebene Reihenfolge kann Newton angelastet werden.
Benutzer4552