Relativitätsprinzip

Das Relativitätsprinzip geht auf Galileo Galilei zurück. Galilei formulierte sein Prinzip anhand der Frage, ob ein an Bord eines fahrenden Schiffes fallen gelassener Körper senkrecht oder schief fällt. Albert Einstein hat die Frage auf die Elektrodynamik ausgedehnt und daraus eine wegweisende Schlussfolgerung gezogen.

Mechanik

Galilei

Die Argumentation von Galilei kann in eine etwas zeitgemässere Geschichte verpackt werden. Ein Hausboot fährt mit konstanter Geschwindigkeit durch einen Kanal an einem Sportplatz vorbei. Auf dem Boot wirft Barbara einen Ball mehrmals senkrecht nach oben. Beat sitzt daneben im Liegestuhl und schaut sich um. Auf dem Sportplatz wirft Sarah den Ball und Severin ruht sich im Liegestuhl aus.

Da Beat auf Backbord sitzt und der Sportplatz Steuerbord vorbei gleitet, kann Beat für kurze Zeit beide Bälle vor dem stahlblauen Himmel sehen. Der Ball von Barbara steigt vertikal auf, der Ball von Sarah weicht nach hinten aus. Zur gleichen Zeit wirft Severin einen Blick auf die beiden Bälle. Er sieht, wie der Ball von Sarah senkrecht und der von Barbara schief nach vorne aufsteigt.

Diese Relativität zwischen Sportplatz und Hausboot ist symmetrisch und viel umfassender als das Beispiel mit den Bällen suggeriert. Würde das Hausboot ganz ruhig dahingleiten, könnte Beat bei geschlossenen Augen nicht feststellen, wie sich das Boot bewegt, oder ob es sogar ruht. Auch Severin kann die Augen schliessen und sich einbilden, dass er bei Barbara auf dem Hausboot vor sich hin döst.

Punktmechanik

Das Grundgesetz der Punktmechanik, die Impulsbilanz, besagt, dass die Summe über alle Kräfte gleich Masse mal Beschleunigung ist. Nun ändert sich die Beschleunigung nicht, wenn man sie auf ein mit v₀ gleichförmig dazu bewegtes Koordinatensystem bezieht

[math]\vec a = \frac {\partial \vec v}{\partial t} = \frac {\partial (\vec v_0 + \vec v_{rel})}{\partial t} = \vec a_{rel}[/math]

Folglich gilt das Grundgesetz der Punktmechanik gleichermassen für alle gleichförmig gegeneinander bewegte Bezugssysteme

[math]\sum_i \vec F_i = m \vec a = m \vec a_{rel}[/math] falls a₀ = 0

Newton ist bei seinen Überlegungen von einem absolut ruhenden Weltraum ausgegangen, auf den alle kinematischen Grössen (Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung) zu beziehen sind, hat aber gewusst, dass dessen absolute Ruhe mit seiner Theorie nicht nachzuweisen ist.

Im Flüssigkeitsbild erscheint das Bezugssystem als See. Die Lage des Seespiegels gegenüber den Weltmeeren entspricht dann der Geschwindigkeit des Bezugssystems gegenüber dem absoluten Raum. Die Impulsänderungsrate und auch die Dynamik eines Stosses zwischen zwei Körpern hängt nun nicht vom Niveau des umgebenden Sees gegenüber den Weltmeeren ab. Sogar die Prozessleistung und die in der Stosszone umgesezte Energie haben keinen Bezug zur Geschwindigkeit des Bezugssytems. Nur die kinetische Energie und der zugeordnete Energiestrom hängen explizit von der Geschwindigkeit des Körpers ab.