Newton
Abgeleitete SI-Einheit · Größe: Kraft
01 · Definition
Die Kraft, die einer Masse von einem Kilogramm die Beschleunigung ein Meter je Sekundenquadrat erteilt. Eine bescheidene Größe: etwa mit dieser Kraft drückt ein mittelgroßer Apfel auf die Handfläche.
Die Definition wiederholt unmittelbar das zweite Bewegungsgesetz und braucht deshalb weder einen Prototyp noch eine Prüfeinrichtung: Das Newton ist vollständig durch Kilogramm, Meter und Sekunde festgelegt. Daher rührt auch die Verwechslung, die die Einheit aus der Welt schaffen soll. Die Masse ist eine Eigenschaft des Körpers und ändert sich nirgends im Universum; das Gewicht ist die Kraft, mit der ein Körper auf seine Unterlage drückt, und hängt davon ab, wo er sich befindet. Ein Kilogramm bleibt auch auf dem Mond ein Kilogramm, die Newton dagegen werden dort sechsmal weniger. Solange beide Größen Kilogramm hießen, musste man den Unterschied im Kopf behalten; das Newton hat ihn ins Zeichen geholt.
Gleichförmige Bewegung braucht keine Kraft: Ein Wagen, den nichts bremst, rollt von allein. Newton braucht man, um die Geschwindigkeit zu ändern oder einen Körper am Fallen zu hindern. Ein Newton beschleunigt ein Kilogramm auf einen Meter je Sekunde in einer Sekunde, zehn Newton beschleunigen dasselbe Kilogramm zehnmal schneller oder zehn Kilogramm ebenso schnell — im zweiten Gesetz sind Masse und Beschleunigung gleichberechtigt.
02 · Umrechnung
Newton, Kilopond und Pfundkraft
Alle Faktoren sind per Definition exakt: Kilopond und Pfundkraft sind über die Normfallbeschleunigung festgelegt, das Dyn über Zentimeter und Gramm.
Das Kilopond ist als Gewicht eines Kilogramms bei der Normfallbeschleunigung festgelegt — 9,806 65 Meter je Sekundenquadrat. Die Zahl ist eine Übereinkunft: Die wirkliche Beschleunigung reicht von 9,78 am Äquator bis 9,83 am Pol, dasselbe Gewichtsstück drückt in Quito und in Murmansk also unterschiedlich auf die Waage. Industriewaagen werden deshalb am Aufstellort kalibriert.
| Einheit | Bezeichnung | Wert | Wo man ihr begegnet |
|---|---|---|---|
| N | Newton | 1 | die SI-Schreibweise der Kraft |
| kN | Kilonewton | 0,001 | Bauwesen, Schub, Lasten |
| MN | Meganewton | 1·10⁻⁶ | Raketen, Pressen, Brücken |
| mN | Millinewton | 1 000 | Labormessungen |
| µN | Mikronewton | 1·10⁶ | Mikromechanik, Sonnensegel |
| kp | Kilopond | 0,101972 | Gewicht eines Kilogramms bei g₀ |
| p | Pond | 101,972 | Apotheken- und Laborwaagen |
| Mp | Megapond | 0,000101972 | Krane, Triebwerksschub in der Umgangssprache |
| lbf | Pfundkraft | 0,224809 | englischsprachige Technik |
| ozf | Unzenkraft | 3,59694 | kleine Kräfte, Federn |
| Dyn | Dyn | 100 000 | CGS-System, Physik des 19. Jahrhunderts |
| Poundal | Poundal | 7,23301 | englisches absolutes System |
| sn | Sthène | 0,001 | MTS-System, Frankreich 1919–1961 |
Das Gewicht gilt bei der Normfallbeschleunigung 9,806 65 m/s²; die Beschleunigung für eine Masse von einer Tonne.
03 · Größenordnungen
vom Staubkorn bis zur startenden RaketeEin Newton — ein Apfel in der Handfläche
04 · Messgeräte
Womit man Kraft misst
Der direkteste Weg: Das Hookesche Gesetz verknüpft Dehnung und Kraft linear, die Skala lässt sich unmittelbar in Newton teilen. Die Genauigkeit begrenzen elastische Nachwirkung und Temperatur, in der Fertigung blieb das Gerät daher ein grober Messer.
Das auf den Federkörper geklebte Gitter dehnt sich mit dem Metall, sein Widerstand ändert sich um Bruchteile eines Prozents. Eine Brückenschaltung macht daraus eine Spannung — so arbeiten alle Handels- und Industriewaagen, von der Küchenwaage bis zur Waggonwaage.
Die nationalen Metrologieinstitute stellen das Newton mit Lasten bekannter Masse dar, die im Schwerefeld mit gemessener Beschleunigung hängen. Die größten Anlagen erreichen mehrere Meganewton; an ihnen werden die Aufnehmer der Prüflabore kalibriert.
Quarz erzeugt unter Last selbst eine Ladung, und die Antwort folgt einem Stoß von Mikrosekunden Dauer. Solche Aufnehmer messen Schnittkräfte, Rückstoß und Crashtests; statische Lasten halten sie nicht — die Ladung fließt ab.
05 · Schreibregeln
Großes N ohne Punkt
Das Zeichen ist von einem Familiennamen abgeleitet, deshalb steht es groß, während der Einheitenname im Deutschen als Substantiv ohnehin großgeschrieben wird: das Newton, aber N. Im Russischen lautet das Zeichen Н und lässt sich in gemischtem Text leicht mit dem lateinischen H für Henry verwechseln. Zwischen Zahl und Zeichen steht ein geschütztes Leerzeichen.
Der Vorsatz Kilo wird klein geschrieben: kN, nicht KN. Das Kraftmoment wird in Newtonmeter angegeben, und obwohl seine Dimension der des Joule gleicht, darf man beide nicht vertauschen: Arbeit und Moment sind verschiedene Größen. Kilopond und Megapond waren in der Technik bis in die achtziger Jahre zugelassen, stehen in alten Zeichnungen und Handbüchern und werden nach ISO 80000-4 nicht mehr empfohlen.
06 · Benachbarte Einheiten
Das Newton steht am Grund eines ganzen Strauchs abgeleiteter Einheiten: geteilt durch eine Fläche ergibt es das Pascal, mit einem Weg multipliziert das Joule.
Newton je Quadratmeter
Kraft
Newtonmeter Arbeit
In den benachbarten Datenblättern von Simetrium: Pascal für den Druck, Joule für die Arbeit, Watt für die Leistung und Kilogramm — die Basiseinheit, über die das Newton definiert ist. Von den Nicht-SI-Einheiten stehen daneben Pfundkraft und Foot-pound, die in der englischsprachigen Technik leben.
07 · Historischer Teil
Womit man die Kraft vor dem Newton maß
Das zweite Bewegungsgesetz wurde ohne jede Krafteinheit formuliert: Newton schrieb über Verhältnisse, nicht über Zahlen. Die Kraft in etwas Bestimmtem zu messen wurde erst mit den Maschinen und den Ingenieurrechnungen nötig.
Die Ingenieure rechneten in Kilopond — dem Gewicht eines Gewichtsstücks, das man mit dem Auge begreift. Die Physiker zogen das Zentimeter-Gramm-Sekunde-System mit dem Dyn vor, das hunderttausendmal kleiner ist als das Newton. Die Rechnungen des einen Lagers musste man für das andere umrechnen.
Die neunte Generalkonferenz für Maß und Gewicht bestätigte den Namen Newton für die Kraft, die ein Kilogramm um einen Meter je Sekunde in einer Sekunde beschleunigt. 1960 ging die Einheit mit den übrigen abgeleiteten Einheiten in das Internationale System ein.
Das Kilopond ist aus den Dokumenten verschwunden, in der Sprache aber geblieben: Den Triebwerksschub nennt man weiter Tonnen, die Presskraft Kilogramm. Die Federwaage im Laden zeigt die Masse an, obwohl sie eine Kraft misst, und wird auf die örtliche Fallbeschleunigung eingestellt.
Das Newton lässt sich nicht mit einem Prototyp darstellen — nur berechnen
Das Kilogramm hatte einen Prototyp, der Meter einen Strich auf einem Platinlineal; für das Newton gibt es keinen Gegenstand als Muster und kann es keinen geben. Die Einheit ist über drei Basiseinheiten definiert und wird durch Rechnung dargestellt: Man hängt eine Last bekannter Masse auf und multipliziert sie mit der Fallbeschleunigung, die am Aufstellort auf millionstel Anteile genau gemessen wurde. Daher die Eigenart der Kraftmetrologie: Ein nationales Kraftnormal ist an einen geographischen Punkt gebunden. Die Maschine in eine andere Stadt zu bringen heißt, die örtliche Beschleunigung neu zu messen, denn sie ändert sich mit Breite, Höhe und sogar mit der Dichte des Gesteins unter dem Fundament. Ein zweihundert Meter hoher Berg neben dem Labor verschiebt das Ergebnis in der sechsten Stelle. Die Balkenwaage kennt diese Sorge gar nicht: Sie vergleicht Massen, und die Schwerkraft kürzt sich in beiden Schalen heraus — deshalb ist das Wägen um Jahrtausende älter als das Messen der Kraft.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und die Nicht-SI-Einheiten, ohne die weder Technik noch Alltag auskommen. Jede ein eigenes Blatt: Definition, Umrechnung, Messgeräte, Schreibregeln. In 4 Sprachen.
Abgeleitete SI-Einheiten mit eigenem Namen
Datenblatt des Newton geöffnetSI-Basiseinheiten
in Terrakotta — Kilogramm, Meter und Sekunde, aus denen das Newton gefügt istNicht-SI-Einheiten
in Terrakotta — Krafteinheiten anderer SystemeSprache des Datenblatts
4 Sprachen. Das Zeichen N ist international, der Name folgt dem Familiennamen und ändert sich kaum: newton, Newton, ньютон, ニュートン.