\(\definecolor{bl}{RGB}{20, 120, 200} \definecolor{gr}{RGB}{0, 220, 180} \definecolor{r}{RGB}{250, 50, 115} \definecolor{li}{RGB}{131, 99, 226} \definecolor{ge}{RGB}{255, 205, 0}\)Mechanik ist ein Wort, das oft Verwendung findet: etwa als Berufsbezeichnung des Elektro- oder Kfz-Mechanikers (oder Mechatronikers), die Mechanik (bewegende Teile) einer Maschine oder der Begriff Mechanik als Synonym für die Vorgehensweise, das Zusammenspiel und die Funktion gewisser Vorgänge.
Ist in der Physik von der Mechanik die Rede, dann geht es dabei eher um die Grundlagen alltäglicher physikalischer Vorgänge und wie Größen und Eigenschaften beschrieben werden. Die Mechanik in der Physik folgt dabei klaren Regeln, etwa der Goldenen Regel oder der Grundgleichung der Mechanik. Sie kann in eine Vielzahl von Teilgebieten gegliedert werden: etwa Kräfte, Bewegungen, Wellen und Schwingungen. Was aber ist denn nun Mechanik?
Mechanik Definition
Wie Du der Einleitung entnehmen konntest, ist die Mechanik sehr weitläufig. Das gilt auch für die Mechanik in der Physik:
Als Teilgebiet der Physik umfasst die (klassische) Mechanik das Beschreiben der Grundeigenschaften von Stoffen, der Wirkung von Kräften (Dynamik) und die Bewegung (Kinematik) von Körpern sowie mechanische Schwingungen und Wellen. Sie erklärt, wie und warum es zu Bewegungen kommt, deren Auswirkungen und wie diese übertragen werden.
Hier ist die Rede von der klassischen – auch newtonschen – Mechanik. Das gilt für alle alltäglichen Situationen. Sobald es aber um die kleinsten Bausteine unseres Universums oder Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit geht, werden andere Teilgebiete der Physik relevant. Welche das sind, erfährst Du in „Quantenmechanik“ und „Spezielle Relativitätstheorie“.
Wenn also eine Bewegung stattfindet oder eine Kraft wirkt, dann geht es in der Physik auch um die Mechanik. Bei einem so großen und wichtigen Themenbereich ist eine Gliederung in Teilgebiete sinnvoll.
Teilgebiete der Mechanik
Grundlegend wird die Mechanik in zwei Teilbereiche unterteilt:
Die Grenzen sind aber nicht immer klar und es gibt auch Themenbereiche, die in keine dieser beiden Kategorien fallen. Dazu zählen etwa:
Grundlegende Größen von Eigenschaften und Stoffen: Begriffe, physikalische Größen und Einheiten (dazu mehr bei „Physik Begriffe“)
Mechanisches Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen: Auftrieb, Viskosität, Druck (Genaueres in „Flüssigkeiten und Gase Physik“)
Mechanische Schwingungen: Pendel, Arten von Schwingungen, Resonanz (mehr Informationen unter „Schwingungen Physik“)
Mechanische Wellen: Brechung, Beugung, Interferenz, Schall (Weiteres bei „Mechanische Wellen“)
Abb. 1 - Teilgebiete der Mechanik in der Physik
Zu allen aufgeführten Teilgebieten findest Du jeweils Erklärungen, die Dich dem Thema näherbringen und Dir alles zeigen, was sich dahinter verbirgt.
Um sich der gewaltigen Anzahl an Themen zu nähern, sind gewisse Grundlagen vorteilhaft.
Mechanik Grundwissen und Begriffe
In der Physik – somit auch in der Mechanik – kannst Du Vorgänge zwar rein mit Worten beschreiben, die Besonderheit jedoch dabei ist, dass Du (fast) alles auch mit Formeln, Gleichungen, physikalischen Größen und deren Einheiten beschreiben kannst.
Mithilfe von physikalischen Größen kannst Du Zustände und Prozesse genau beschreiben und wiedergeben. Jede physikalische Größe besitzt ein Formelzeichen und eine Einheit (auch Einheiten haben ihre eigenen Zeichen). Beziehst Du Dich auf eine spezielle Situation oder einen speziellen Vorgang, kannst Du einer physikalischen Größe auch einen entsprechenden Zahlenwert zuordnen.
\[\text{physikalische Größe: Formelzeichen = Wert Einheit}\]
Wie sich physikalische Größen untereinander verhalten, beschreibst Du durch Formeln.
Wie Du mit physikalischen Größen und deren Einheiten umgehst, findest Du bei „Physik Begriffe“ heraus. Tiefergehende Informationen zu den Grundeinheiten, aus denen alle anderen Einheiten zusammengesetzt werden, gibt es in „SI Einheiten“. Möchtest Du mehr über eine spezielle physikalische Größe erfahren, gibt es für diese Erklärungen entsprechend ihrer Bezeichnung.
Diese Definition kannst Du Dir anhand eines Beispiels etwas verdeutlicht vorstellen.
Denke an Deine Körpergröße.
Die Körpergröße ist ein Zustand Deines Körpers. Die dazugehörige physikalische Größe ist die Länge. Sie besitzt das Formelzeichen \(l\). Eine Länge gibst Du standardmäßig mit der Einheit Meter \(m\) an. Der Zahlenwert ist dann Deine Größe in Metern – hier wird \({\color{li}1,7}\) verwendet.
Um die Körpergröße nun als physikalische Größe anzugeben, schreibst Du Folgendes:
\[{\color{gr}\text{Länge:}} \, {\color{r}l} = {\color{li}1,7} \, {\color{ge}\mathrm{m}}\]
Du sprichst: Die Länge l beträgt 1,7 Meter.
Abb. 2 - Die physikalische Größe der Länge
Je nachdem, wie es besser in den Text und die Beschreibung passt, kannst Du auch den Doppelpunkt nach der physikalischen Größe weglassen.
Die zentrale physikalische Größe, die in der Mechanik in fast jedem Teilgebiet eine wichtige Rolle spielt, ist die Kraft.
Mechanik Kräfte (Dynamik)
Der Begriff Kraft wird im Alltag unterschiedlich verwendet und nicht alle Verwendungen entsprechen der physikalischen Größe Kraft. Wenn Du erschöpft bist, hast Du allgemeinsprachlich „keine Kraft mehr“. Die physikalische Kraft hingegen ist nichts, was ein Körper besitzt. Sie beschreibt keinen Zustand, sondern eine Wirkung.
Die physikalische Größe Kraft ist die Größe, durch deren Wirkung die Bewegung eines Körpers verändert werden kann. Sie besitzt das Formelzeichen \(F\) und als Einheit Newton \(N\):
\[\left[F\right]=1 \, N\]
Das Teilgebiet der Mechanik in der Physik, das sich grundsätzlich mit der Kraft befasst, nennst Du auch Dynamik.
Diese Definition ist nur ein kleiner Ausschnitt davon, was eine Kraft ist und welche Bedeutung sie trägt. Möchtest Du mehr darüber erfahren, kannst Du bei „Kräfte Physik“ einen Überblick zu vielen spezifischen Themen finden.
Beim Fußball kannst Du das selbst nachvollziehen.
Möchtest Du einen Ball schießen, wirkst Du mit Deinem Tritt eine Kraft auf den Ball. Von allein wird er nicht losrollen. Genau so würde er nicht von allein aufhören zu rollen, wenn er nicht durch Hindernisse und Reibung, die jeweils Kräfte wirken, ausgebremst wird.
Dahinter versteckt sich das sogenannte „Trägheitsgesetz“ (mehr dazu in gleichnamiger Erklärung). Es wurde von dem Physiker Newton aufgestellt. Nach Newton wurde außerdem die Einheit der Kraft benannt, da er die klassische Mechanik – auch „newtonsche Mechanik“ genannt – die wir heute kennen und nutzen, maßgeblich definiert hat.
Newton wird deshalb auch als „Entdecker der Mechanik“ bezeichnet.
Grundgleichung der Mechanik (Newtonsche Gesetze)
Newton hat neben dem Trägheitsgesetz zwei weitere Gesetze aufgestellt, die zusammen als die drei Newtonschen Gesetze gelten:
Trägheitsgesetz
Aktionsprinzip (Newtonsches Grundgesetz)
Reaktionsprinzip (Wechselwirkungsgesetz)
Einen Überblick in die Gesetze bietet Dir die Erklärung „Newtonsche Gesetze“.
Dem Aktionsprinzip wird dabei eine besondere Bedeutung zugesprochen.
Das Aktionsprinzip (zweites newtonsches Gesetz, auch „Newtonsches Grundgesetz“ genannt) gilt als das Grundgesetz der Mechanik. Dessen Formel drückst Du als „Kraft \(F\) ist Masse \(m\) mal Beschleunigung \(a\)“ aus.
\[F=m \cdot a\]
Diese Formel nennst Du auch Grundgleichung der Mechanik.
Das kannst Du Dir wieder beim Fußball vorstellen.
Eine beispielhafte Aussage dieses Gesetzes ist, je stärker Du den Ball trittst (größere Kraft), desto stärker wird er auch beschleunigt. Würdest Du mit der gleichen Kraft einen Medizinball treten, wird dieser vermutlich kaum beschleunigt, weil dessen Masse größer ist.
Achtung! Trittst Du einen schweren Gegenstand stark, kann das zu Verletzungen führen! Das liegt am Reaktionsprinzip, über das Du mehr bei „Wechselwirkungsgesetz“ erfahren kannst.
Das ist für einen Menschen intuitiv – die Grundgleichung der Mechanik drückt das als Formel aus. Die newtonschen Gesetze sind aber nicht die einzigen Regeln, die die Mechanik definieren.
Goldene Regel der Mechanik
Bei der Goldenen Regel der Mechanik handelt es sich nicht etwa um einen Weg, unendlich reich zu werden, indem Du Dein Wissen über Mechanik anwendest.
Wirkst Du eine Kraft über eine Strecke, verrichtest Du Arbeit und veränderst dabei die Energie. Beide Themen hängen stark zusammen. Wie? Die Antwort darauf erhältst Du in den Erklärungen über „Mechanische Arbeit“ und „Mechanische Energie“.
Sie findet etwa Anwendung bei einer einfachen Treppe.
Möchtest Du einen schweren Gegenstand nach oben tragen, könntest Du dafür eine steile Leiter oder eine normale Treppe nutzen, um die gleiche Höhe zu überwinden.
Du wirst merken, dass es über die Treppe deutlich einfacher geht als über die Leiter. Jedoch musst Du im selben Zuge auch einen deutlich längeren Weg zurücklegen, über den Du Deine geringere Kraft aufrechterhalten musst.
In allen genannten Beispielen ging es mehr oder weniger auch um eine Bewegung – das nächste zentrale Thema der Mechanik in der Physik.
Mechanik Bewegung (Kinematik)
Aus den newtonschen Gesetzen geht hervor, dass eine Kraft immer auch etwas mit Bewegung zu tun hat. Wenn Du nur die Bewegungen ohne die dabei wirkenden Kräfte betrachtest, sprichst Du von dem Teilgebiet der Kinematik.
Die Kinematik ist ein Teilgebiet der Mechanik, in dem es um die Bewegungen von Körpern geht, ohne dabei speziell Kräfte zu betrachten.
Die zentrale Größe der Kinematik ist somit nicht die Kraft. Stattdessen geht es um mehrere zusammenhängende Größen:
Mithilfe dieser Größen kannst Du dann die gleichförmige Bewegung, gleichmäßig beschleunigte Bewegung, den freien Fall sowie Würfe beschreiben.
Wirfst Du einen Ball nach oben, steigt über eine kurze Strecke die Geschwindigkeit zunächst schnell an. Der Ball wird also stark beschleunigt.
Während er nach oben fliegt, wird er aufgrund der Erdanziehung gleichmäßig langsamer, bis er schließlich umkehrt. Der Ball befindet sich in einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung.
Beim Herunterfallen wird er wieder gleichmäßig beschleunigt, solange die Reibung vernachlässigbar klein ist.
Lässt Du den Ball aus immenser Höhe fallen, wird es im Flug einen Punkt geben, an dem sich Luftreibung und Erdanziehung ausgleichen und der Ball in einer gleichförmigen Bewegung fällt.
Eine spezielle Art der Bewegung sind mechanische Schwingungen.
Mechanische Schwingungen
Die wohl bekanntesten mechanischen Schwingungen sind das Pendel oder die schwingende Feder (mehr dazu bei „Fadenpendel“ und „Feder-Masse Pendel“). Ein Pendelkörper schwingt dabei stets von einem zum anderen Punkt, wieder und wieder – er führt eine mechanische Schwingung durch.
Eine mechanische Schwingung ist die periodische (regelmäßig auftretende und wiederholende) Bewegung eines schwingfähigen Körpers (Pendelkörper).
Die beiden wichtigsten physikalischen Begriffe, um eine mechanische Schwingung zu beschreiben, sind die folgenden:
Periodendauer \(T\): die Zeit, die für eine Periode (vollständiger Durchlauf der Schwingung) benötigt wird
Amplitude (Formelzeichen je nach schwingender Größe): maximale Auslenkung (wie weit der Körper schwingt)
Das sind nicht alle physikalischen Größen, die bei der mechanischen Schwingung von Bedeutung sein können. Aus der Periodendauer kannst Du etwa die Frequenz ermitteln. Einen Überblick zum Thema gibt Dir die Erklärung „Schwingungen Physik“.
Mechanische Schwingungen sind aber nicht immer gleich. In der Realität sind alle mechanischen Schwingung von Grund auf gedämpft. Für einige Gegebenheiten wird dennoch oft die Vereinfachung getroffen, dass es sich um eine ungedämpfte Schwingung handelt.
Mehrere mechanische Schwingungen können auch wechselwirken, indem sie sich überlagern. Das könntest Du selbst am Feder-Masse-Pendel probieren.
Hängst Du an eine Feder eine Masse an und ist diese frei schwingfähig, hast Du ein Feder-Masse-Pendel gebaut. Lenkst Du das Pendel aus, schwingt die Masse.
Du kannst die vorhandene mit einer weiteren mechanischen Schwingung überlagern. Dafür hältst Du die Feder in der Hand und gibst ihr eine weitere Schwingbewegung mit. Je nachdem, welche Masse und Feder Du verwendest und welche Schwingung Du versuchst, aufzuzwingen, kannst Du dadurch die Schwingungen überlagern und sogar Resonanz hervorrufen.
Ein ähnliches, aber nicht gleiches, Teilgebiet der Mechanik sind die mechanischen Wellen.
Wellen Mechanik
Den Unterschied zwischen einer mechanischen Welle und Schwingung kannst Du Dir anhand eines Beispiels überlegen.
Stelle Dir vor, Du hast mehrere gleiche Fadenpendel nebeneinander. Die Pendelkörper sind dabei jeweils durch einen kurzen Faden mit dem nächsten Pendelkörper verbunden.
Das erste Pendel versetzt Du nun in eine Schwingung. Aufgrund der Verbindung fangen die anderen Pendel auch an, genau gleich zu schwingen, jedoch alle gleichmäßig zeitlich versetzt.
Abb. 3 - Schwingende Pendel in der Draufsicht
Betrachtest Du ein einzelnes Pendel, dann führt es eine mechanische Schwingung aus. Die verbundenen Pendel bilden zusammen eine mechanische Welle.
Die mechanische Welle hat also ähnliche Eigenschaften wie die mechanische Schwingung.
Eine mechanische Welle ist die periodische Änderung (immer wiederkehrende gleiche Änderung) einer oder mehrerer mechanischer Größen. Sie transportiert kein Material, dafür aber Energie. Somit ist eine mechanische Welle die räumliche Ausbreitung einer mechanischen Schwingung.
Was sich hinter dieser kurzen Definition eigentlich verbirgt, erfährst Du in der Erklärung „Mechanische Wellen“.
Beim oben stehenden Beispiel wird nur die Bewegungsenergie übertragen. Die Pendel an sich schwingen aber auf der Stelle und bewegen sich nicht entlang der mechanischen Welle. Als mechanische Größe, die sich dabei ändert, könntest Du hier etwa die aktuelle Auslenkung an bestimmter Position der Welle nennen.
Damit ist das Teilgebiet der mechanischen Wellen aber nicht zu Ende. Es gibt verschiedene Arten von Wellen, die sich unterschiedlich verhalten können. Mehrere Wellen wechselwirken außerdem miteinander.
Wie das aussieht, zeigen Dir insbesondere die Erklärungen „Eigenschaften mechanischer Wellen“ und „Interferenz“ (Wechselwirkung von Wellen).
Eine mechanische Welle, die oftmals nicht als solche genannt wird, ist der Schall.
Der Schall ist die Übertragung von Geräuschen durch die Luft (oder ein anderes Medium). Ein für Menschen wahrnehmbares Geräusch bzw. ein Ton ist eine Schwingung der Luftteilchen, die Dein Trommelfell im Ohr ebenfalls zum Schwingen bringen. Das nimmst Du als Ton wahr.
Die Übertragung erfolgt dabei als mechanische Welle. Ein schwingendes Luftteilchen lässt ein benachbartes Luftteilchen schwingen. Die Schwingung breitet sich immer weiter aus, bis sie Dein Ohr erreicht.
Dazu mehr in den Erklärungen unter „Akustik Physik“, speziell „Schall“.
Eine weitere Art der Welle ist die Wasserwelle. Jedoch nicht die Wasserwelle, wenn sie den Strand erreicht. Denn dort bewegt sie aufgrund der Beschaffenheit des Bodens und anderer Strömungen tatsächlich Material (Wasser, Sand, Steine etc.).
Wenn Du im etwas tieferen Wasser bist, wirst Du merken, dass Dich die Wasserwelle zwar kurz mitzieht, Dich danach jedoch auf die etwa gleiche Stelle wie vorher bewegt. Du hast kurzzeitig die Schwingung erlebt, bist am Ende aber nicht transportiert worden.
Die Wasserwelle ist also nur bedingt ein passendes Beispiel einer mechanischen Welle. Wenn Du tief im Wasser tauchst, kannst Du ein weiteres mechanisches Phänomen spüren.
Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen
Hast Du schon einmal „Druck auf den Ohren“ gehabt? Das unangenehme Gefühl, wenn Du zu tief tauchst, oder sich in den Ohren – besonders beim Start – im Flugzeuges breit macht? Das liegt daran, wie sich der Druck in Flüssigkeiten und Gasen verhält.
Verschiedene Arten von Druck und wie diese genutzt werden, zeigt Dir die Erklärung „Druck Physik“.
Im Wasser kannst Du eine weitere mechanische Eigenschaft von Flüssigkeiten und Gasen merken: Auftrieb – der Grund dafür, dass Du im Wasser zu schweben scheinst.
Hast Du Dich vielleicht schon einmal gefragt, woran das eigentlich liegt? Das kannst Du in den Erklärungen zu „Flüssigkeiten und Gase Physik“, speziell „Auftrieb“ nachlesen.
Du siehst, die Mechanik ist überall. Ob im Sommerurlaub in Pool und Meer, beim Musikhören oder bei jeglicher Tätigkeit, bei der sich etwas bewegt – grundsätzlich also fast jede alltägliche Situation. Nicht zuletzt das ist der Grund, warum die Mechanik und ihre Teilgebiete in der Physik ein so zentrales und weitläufiges Thema darstellen.
Mechanik – Das Wichtigste
- Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik.
- Grob kannst Du sie in die Wirkung von Kräften (Dynamik) und Bewegungen (Kinematik) unterteilen. Ferner kannst Du auch das Beschreiben der Grundeigenschaften von Stoffen, mechanische Wellen, mechanische Schwingungen und die Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen nennen.
- In der Mechanik – und auch in der gesamten Physik – beschreibst Du die Eigenschaften von Stoffen mithilfe von physikalischen Größen. Diese besitzen ein Formelzeichen, einen gewissen Zahlenwert und eine dazugehörige Einheit.\[{\color{gr}\text{physikalische Größe:}} \, {\color{r}\text{Formelzeichen}} = {\color{li}\text{Wert}} \, {\color{ge}\text{Einheit}} \]
- Die Dynamik beinhaltet die Wirkung von Kräften. Die Kraft ist eine physikalische Größe mit dem Formelzeichen \(F\) und der Einheit Newton \(N\).\[{\color{gr}\text{Kraft:}} \, {\color{r}\left[F\right]} = {\color{li}1} \, {\color{ge}\mathrm{N}}\]
- Die Grundgleichung der Mechanik (zweites Newtonsches Gesetz, Aktionsprinzip) beschreibt den Zusammenhang zwischen Kraft \(F\) und Beschleunigung \(a\) einer Masse \(m\).\[F=m \cdot a\]
- Die Goldene Regel der Mechanik besagt: „Was Du an Kraft sparst, musst Du an Weg zulegen.“
- In der Kinematik geht es um Bewegungen, wobei Kräfte unbeachtet bleiben. Die zentralen Größen sind Zeit \(t\), Weg/Strecke \(s\), Geschwindigkeit \(v=\frac{s}{t}\) und Beschleunigung \(a=\frac{v}{t}\).
- Eine mechanische Schwingung ist die periodische (regelmäßig auftretende und wiederholende) Bewegung eines schwingfähigen Körpers (Pendelkörper).
- Eine mechanische Welle ist die periodische (wiederkehrende, gleichmäßige) Änderung einer oder mehrerer mechanischer Größen und somit die räumliche Ausbreitung einer mechanischen Schwingung. Sie transportiert kein Material, dafür aber Energie.
- Die Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen umfasst Themen wie den Druck oder den Auftrieb.
Nachweise
- corpora.uni-leipzig.de: Mechanik. (24.10.2022)
- mathe-physik-technik.de: Mechanik. (24.10.2022)
- sachsen-schule: Mechanische Schwingungen und Wellen. (24.10.2022)
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