Wenn Sie Tennis oder eine andere Sportart sehen, sehen Sie sich eine Physikdemonstration an, nur mit mehr Jubel als bei einem typischen Physikexperiment. Im Mittelpunkt der Aktion stehen die drei Bewegungsgesetze, die 1687 von Sir Isaac Newton, dem Grand-Slam-Champion der vorindustriellen Wissenschaft, beschrieben wurden. In vielerlei Hinsicht ist ein Tennismatch ein Test dafür, welcher Spieler die Newtonschen Gesetze am effektivsten manipuliert.
Die Gesetze
Newtons erstes Bewegungsgesetz wird allgemein als Trägheitsgesetz bezeichnet: Ein Objekt in einem Zustand gleichförmiger Bewegung bleibt in diesem Bewegung, es sei denn, es trifft eine äußere Kraft, und ein ruhender Gegenstand bleibt in Ruhe, es sei denn, es wird von einer äußeren Kraft auf ihn einwirkt Macht. Das zweite Newtonsche Gesetz definiert die Beziehung zwischen der Masse eines Objekts, der darauf ausgeübten Kraft und der resultierenden Beschleunigung: Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung oder F=ma. Newtons drittes Bewegungsgesetz dürfte den meisten Menschen am besten bekannt sein, schon weil sie es so oft zitiert sehen: Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.
Das erste Gesetz
Im Tennis ist das offensichtlichste Beispiel von Newtons erstem Gesetz der Weg des Balls. Wenn Sie den Ball mit Ihrem Schläger schlagen, fliegt er in eine bestimmte Richtung. Wenn Sie das Spiel im Vakuum des intergalaktischen Raums spielen würden, Lichtjahre von jedem Schwerkraft erzeugenden Körper entfernt, der Ball würde sich mehr oder weniger unbegrenzt in diese Richtung bewegen, da keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken würden es. Auf der Erde wirken jedoch zwei große Kräfte: Der Luftwiderstand verlangsamt die Geschwindigkeit des Balls und die Schwerkraft zieht den Ball in Richtung Boden.
Das zweite Gesetz
Wenn Sie mit Ihrem Schläger auf diesen Tennisball geschlagen haben – im Weltraum oder auf der Erde – haben Sie eine Kraft darauf ausgeübt. Wie viel Kraft? Hier kommt das zweite Newtonsche Gesetz ins Spiel: Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung. In dieser Gleichung wird die Masse in Kilogramm und die Beschleunigung in einer Einheit namens "Meter pro Sekunde pro Sekunde" gemessen. Beschleunigung ist nicht dasselbe wie Geschwindigkeit; es ist vielmehr die Geschwindigkeit, mit der etwas beschleunigt wird. Wenn sich ein Objekt mit 1 m pro Sekunde oder "m/s" bewegt und es beschleunigt, so dass es sich eine Sekunde später mit 2 m/s bewegt, dann ist es in dieser Sekunde 1 m/s schneller -- 1 m pro Sekunde pro Sekunde.
Nun zurück zu dem Tennisball, den Sie geschlagen haben: Ein Tennisball hat eine Masse von etwa 56 g oder 0,056 kg. Und nehmen wir an, Sie geben dem Ball genug Zing, dass eine Zehntelsekunde, nachdem Sie ihn getroffen haben, 100 Meilen pro Stunde oder 44,7 m pro Sekunde erreicht. Das ist eine Beschleunigung von 447 m pro Sekunde pro Sekunde oder m/s/s. Multiplizieren Sie 0,056 kg mit 447 m/s/s und Sie erhalten 25,032. Aber 25.032 von was? Kraft wird in Einheiten gemessen, die passenderweise Newton genannt werden. Sie schlagen den Ball mit 25,032 Newton Kraft. Netter Aufschlag.
Das dritte Gesetz
Du schlägst den Ball auf, dein Gegner erwidert den Aufschlag und du spielst seinen Volley zurück. Sie stellen Ihren Fuß auf den Boden und stoßen ab. Du drückst in eine Richtung – schräg in den Boden – und dein Körper geht in die entgegengesetzte Richtung, schräg vom Boden weg. Die Kraft, mit der Sie in den Boden gedrückt werden, ist die Kraft, mit der Sie vorwärts getrieben werden. Das ist Aktion und Reaktion. Sie sind Newtons drittes Bewegungsgesetz, in Bewegung.