Impetustheorie

Grundidee und Bedeutung

Die Impetustheorie ist eine heute überholte Theorie zur dynamischen Erklärung von Körperbewegungen. Sie nimmt an, dass Bewegung nur möglich ist, solange eine Bewegungsursache wirkt. Der sogenannte Impetus ist dabei eine nichtkörperliche, immaterielle Bewegungsursache beziehungsweise eine eher spirituell verstandene „Kraft“. Er soll auf einen Körper übergehen und dessen Bewegung hervorbringen.

Im Mittelalter war die Theorie besonders für die Ballistik, also die Lehre von der Bewegung von Geschossen, wichtig. Seit 1687 wurde sie durch die Newtonschen Axiome ersetzt. In der auf Isaac Newtons Werk beruhenden Klassischen Mechanik kommt der Impetus nicht mehr vor. Teile seiner früheren Bedeutung gingen in moderne Begriffe und Vorstellungen ein: in die ursachenlose Trägheitsbewegung, den Impuls und die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie eines Körpers.

Untersuchungen an Studienanfängern zeigten, dass viele Menschen bewegte Gegenstände intuitiv noch heute ähnlich erklären wie die Impetustheorie.

Entwicklung der Theorie

Johannes Philoponos diskutierte die Impetustheorie bereits im 6. Jahrhundert. Im 14. Jahrhundert vertrat Franz von Marchia einen Vorläufer der Theorie. Kurz darauf entwickelte der französische Philosoph Johannes Buridan sie entscheidend weiter.

Auch Galileo Galilei beschrieb fallende Körper in seinen frühen Schriften und noch in den „Discorsi“ auf eine Weise, die der Impetustheorie nahestand. Leonardo da Vinci verwendete zur Beschreibung von Kreisbewegungen das Konzept eines Kreisimpetus. Newton gebrauchte in den „Principia“ das Wort „Impetus“ für eine Erscheinungsform seiner Trägheit, die den Bewegungszustand erhält.

Das Problem bewegter Geschosse

Wie die aristotelische Physik ging die Impetustheorie davon aus, dass eine Bewegung nur andauern könne, solange eine entsprechende Bewegungsursache wirke – aus heutiger Sicht also eine Kraft. Ein bewegter Gegenstand müsste demnach ständig durch einen anderen Körper weiterbewegt werden.

Diese Annahme konnte die Bewegung eines Geschosses zunächst nicht erklären: Nach dem Verlassen des Geschützes hat es keinen Kontakt mehr mit einem anderen festen Körper. Die Impetustheorie löste das Problem durch die Annahme, dass dem Geschoss beim Abschuss eine immaterielle ursächliche Kraft, der Impetus, aufgeprägt werde. Dieser Impetus halte das Geschoss in Bewegung.

Weil sich reale Gegenstände während ihrer Bewegung allmählich verlangsamen, nahm man zusätzlich an, dass ihr Impetus stetig abnehme. Sobald er vollständig aufgebraucht sei, sollte der Körper senkrecht zu Boden fallen.

Historische Modelle der Flugbahn

Der persische Philosoph Avicenna beschrieb im 11. Jahrhundert eine Flugbahn aus zwei Bewegungsabschnitten. Nach dem Verlassen des Geschützes bewege sich das Geschoss zunächst geradlinig in Abschussrichtung, bis sein anfänglicher Impetus vollständig verbraucht sei (A→B). Am Punkt B komme es für einen kurzen Augenblick zum Stillstand. Danach erhalte es durch seine natürliche Schwere einen Impetus nach unten und falle senkrecht zu Boden (B→C).

Albert von Rickmersdorf formulierte im 14. Jahrhundert ein Modell mit drei Phasen. Zu Beginn überwiege der starke Impetus die natürliche Schwere, sodass sich das Geschoss geradlinig bewege (A→B). Während der Impetus abnehme, gewinne die Schwere an Einfluss und die Flugbahn werde bogenförmig (B→C). Nach vollständigem Verbrauch des Impetus falle das Projektil senkrecht nach unten (C→D).

Spätestens im 17. Jahrhundert wurde die Gültigkeit der Impetustheorie durch Pierre Gassendis Formulierung des Trägheitsprinzips und seine Experimente widerlegt.

Tatsächliche Flugbahn

Wenn die Kräfte der Luft nicht berücksichtigt werden, beschreibt ein frei fliegender Körper eine Wurfparabel. Zu den Luftkräften zählen Oberflächenreibung, Formwiderstand sowie aerodynamischer Auf- oder Abtrieb. Bei langsamen Objekten bleibt die Parabelform auch unter ihrem Einfluss weitgehend erhalten, etwa beim Wurf eines Tennisballs von einer Hand in die andere.

Fast alle Wirkungen der Luft auf die Bewegung wachsen annähernd quadratisch mit der Fluggeschwindigkeit. Daher nimmt auch die gesamte Luftkraft ungefähr mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu. Ein schnelles Objekt verliert durch den deutlich größeren Luftwiderstand mehr kinetische Energie als ein langsames. Dadurch kann weniger kinetische in potenzielle Energie, also Lageenergie, umgewandelt werden, und das Objekt erreicht eine geringere maximale Höhe.

Der Luftwiderstand beeinflusst deshalb die optimale Flugbahn und den günstigsten Abschusswinkel. Ohne Luftkräfte ergibt sich die maximale Reichweite bei einem Winkel von 45°. Schnelle Objekte wie Kanonenkugeln, abgeschlagene Golfbälle, geworfene Speere oder Disken und Tropfen eines Druckwasserstrahls erreichen ihre größte Weite jedoch bei kleineren Winkeln. Der optimale Winkel wird umso kleiner, je höher die Abschussgeschwindigkeit ist und je kleiner die Masse des Körpers im Verhältnis zu seiner Stirnfläche in Bewegungsrichtung ausfällt.

Solche realen Flugbahnen können ähnlich aussehen, wie es die Impetustheorie erwarten lässt. Obwohl die Theorie sachlich falsch ist, kann sie daher eine einigermaßen brauchbare Näherung für Flugbahnen liefern, die mit bloßem Auge oder einfachen Aufzeichnungen – etwa einer Feuchtigkeitslinie an einer senkrechten Wand – beobachtet werden.