In der Physik ist Trägheit der Widerstand eines Objekts gegen eine Änderung seiner Bewegung. Dabei kann es sich um eine Geschwindigkeits- oder Richtungsänderung, den Versuch, ein stehendes Objekt zu bewegen, oder um den Versuch, ein sich bereits bewegendes Objekt zu stoppen, handeln. Die Idee ist mit dem ersten Bewegungsgesetz von Isaac Newton verbunden, das besagt, dass sich die Bewegung eines Objekts nicht ändert, es sei denn, eine Kraft wirkt auf es ein. Die Trägheit hängt von der Masse ab, denn je massiver ein Objekt ist, desto mehr widersteht es einer Bewegungsänderung.
Wenn ein Objekt stationär ist, bewegt es sich nicht, es sei denn, etwas drückt oder zieht daran. Ebenso bewegt sich ein Objekt, das sich bewegt, mit derselben Geschwindigkeit, geradlinig und in dieselbe Richtung, es sei denn, eine Kraft beeinflusst es. Auf der Erde wird ein horizontal durch die Luft geworfener Ball, wenn er sich selbst überlassen wird, langsamer und krümmt sich zum Boden. Dies liegt daran, dass es durch die Schwerkraft zur Erde gezogen wird und die Luft dagegen drückt, wodurch seine Geschwindigkeit verringert wird. Im Weltraum würde sich der Ball ohne Schwerkraft oder Luftwiderstand einfach mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie weiterbewegen.
Die Tatsache, dass es schwerer ist, ein schweres Objekt zu bewegen als ein leichtes, zeigt den Zusammenhang zwischen Trägheit und Masse. Auf der Erde verkompliziert die Schwerkraft das Problem, aber im Weltraum sind die Dinge klarer. Hier sind ein massives Objekt – wie eine Kanonenkugel – und ein leichtes Objekt – wie ein Tennisball – beide schwerelos, aber es braucht immer noch eine viel größere Kraft, um eine Kanonenkugel zu bewegen als einen Tennisball. Ebenso würde es mehr Kraft erfordern, eine sich bewegende Kanonenkugel zu stoppen oder die Richtung zu ändern. Trägheit kann daher verwendet werden, um Masse unabhängig von der Schwerkraft zu messen.
Beispiele für Trägheit
Menschen begegnen tagtäglich Trägheit. Zum Beispiel wird jemand, der ein Auto fährt, eine Kraft erfahren, die ihn gegen den Sitz drückt, wenn das Auto beschleunigt; Dies ist auf den Widerstand des Fahrers gegen die Vorwärtsbewegung des Autos zurückzuführen. In ähnlicher Weise wird der Fahrer beim Verlangsamen des Autos aufgrund seines Widerstands gegen die Bewegungsänderung wieder nach vorne – relativ zum Auto – gedrängt. Deshalb sind Sicherheitsgurte ein unverzichtbares Sicherheitsmerkmal im Auto. Bei einer plötzlichen Bremsung des Fahrers würden die Insassen mit der ursprünglichen Geschwindigkeit weiterfahren, und ohne Sicherheitsgurte könnten sie schwer verletzt werden.
Die Eigenträgheit des Autos ist ein wichtiger Aspekt für den Fahrer. Sie erklärt, warum fahrende Fahrzeuge einen Bremsweg haben, der von der Geschwindigkeit und der Masse des Fahrzeugs abhängt. Der Widerstand eines Autos gegen eine Bewegungsänderung erklärt auch, warum das Auto außer Kontrolle gerät, wenn der Fahrer versucht, zu schnell abzubiegen: Das Fahrzeug bewegt sich tendenziell in die gleiche Richtung weiter.
Rotationsträgheit
Dies ist ein ähnliches Konzept, gilt jedoch für Objekte, die sich drehen. Auch hier gilt: Je mehr Masse ein Objekt hat, desto schwieriger ist es, es zum Drehen zu bringen und desto schwieriger ist es, es zu stoppen, wenn es dies bereits tut. Der Widerstand gegen eine Bewegungsänderung eines sich drehenden Objekts ist als Trägheitsmoment bekannt, das normalerweise mit dem Symbol I bezeichnet wird. Für einen Punkt auf der Oberfläche eines rotierenden Objekts berechnet sich I aus der Masse multipliziert mit dem Quadrat des Abstands von der Drehachse. Berechnungen für ganze Objekte sind komplizierter.
Wenn sich ein Objekt geradlinig bewegt, ist sein Impuls seine Masse multipliziert mit seiner Geschwindigkeit. Für ein sich drehendes Objekt ist das Äquivalent sein Drehimpuls, der mit seiner Rotationsgeschwindigkeit multipliziert wird. Der Drehimpuls bleibt immer erhalten, d. h. er bleibt gleich, auch wenn sich einer der beitragenden Faktoren ändert. Eine Änderung des einen Faktors muss durch eine Änderung des anderen ausgeglichen werden, damit der Drehimpuls konstant bleibt.
Ein gutes Beispiel ist die enorme Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit, wenn ein Stern unter der Schwerkraft zu einem Neutronenstern kollabiert. Sterne rotieren normalerweise langsam, aber wenn sich ein Neutronenstern bildet, schrumpft sein Durchmesser auf einen winzigen Bruchteil seines ursprünglichen Wertes. Dadurch wird das Trägheitsmoment an der Oberfläche des Sterns stark reduziert – da der Abstand zur Rotationsachse jetzt viel kleiner ist –, sodass seine Rotationsgeschwindigkeit stark ansteigen muss, um den gleichen Drehimpuls beizubehalten. Aus diesem Grund drehen sich Neutronensterne normalerweise mit vielen Umdrehungen pro Sekunde.
Der Ursprung der Trägheit
Isaac Newton ging bei der Formulierung seiner Bewegungsgesetze von der Existenz eines festen, absoluten Raumes aus, an dem alle Bewegung gemessen werden könnte. Im Jahr 1893 schlug der Physiker Ernst Mach vor, dass der absolute Raum keinen Sinn ergibt und dass jede Änderung der Bewegung eines Objekts relativ zu den fernen Sternen betrachtet werden sollte. Mit Einsteins Relativitätstheorien wurde die Idee des festen Raums zwar abgelehnt, aber sie impliziert, dass die Trägheit eines nahen Objekts irgendwie von Objekten beeinflusst wird, die viele Lichtjahre entfernt sind. Außerdem scheint die Wirkung augenblicklich zu sein. Es wurden eine Reihe von Theorien aufgestellt – einige mit exotischen Ideen wie Einflüssen, die in der Zeit zurückreisen –, aber seit 2012 scheint es keine allgemein akzeptierte Erklärung für den Ursprung der Trägheit zu geben.