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Mechanik

In den Naturwissenschaften spielt die Mechanik eine wichtige Rolle. Tagtäglich begleitet uns zum Beispiel das Gesetz der Schwerkraft oder auch die Bewegung von Gegenständen wie Autos und Fahrräder. Mit was sich die Mechanik im Einzelnen beschäftigt und welche Begriffe für dich wichtig sind erfährst du in diesem Kapitel. Die Mechanik bildet damit ein großes Teilgebiet aus dem Fach Physik.

Was ist das überhaupt die Mechanik?

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass sich die Mechanik mit ruhenden und bewegten Körpern und den dabei auftretenden Kräften beschäftigt. Jedoch existieren mehrere Möglichkeiten zur Einteilung der Mechanik.

Einteilung nach Aggregatszustand

Ein Körper muss nicht unbedingt als fester Gegenstand betrachtet werden, sondern kann in verschiedenen Aggregatszuständen wie fest, flüssig und gasförmig vorkommen. Dabei wird die Mechanik in zwei große Bereiche untergliedert:

• Festkörpermechanik
• Fluidmechanik:
  • Flüssige Körper
  • Gasförmige Körper

Die Festkörpermechanik beschäftigt sich dabei mit Körpern im festen Zustand und die Fluidmechanik jeweils mit Körpern in den Aggregatszuständen flüssig und gasförmig.

Einteilung unter Berücksichtigung von Kräften und Bewegung

In der klassischen Mechanik werden anhand von Bewegungen und den wirkenden Kräften mehrere Teilgebiete unterschieden.

Abb.1: Einteilung der klassischen Mechanik

Die sogenannte Kinematik beschäftigt sich mit mechanischen Bewegungen ohne Berücksichtigung der einwirkenden Kräfte. Es wird die reine Bewegung eines Gegenstands betrachtet. Die Lehre der Kräfte wird auch als Dynamik bezeichnet. Dabei kann zusätzlich noch zwischen Kräfte auf ruhende Körper (Statik) und Kräfte als Ursache für Bewegungen (Kinetik) unterschieden werden.

Mithilfe der klassischen Mechanik können mechanische Vorgänge erfolgreich beschrieben werden. Jedoch muss beispielsweise bei Körpern mit extrem hohen Geschwindigkeiten (nahe Lichtgeschwindigkeit) auf die relativistische Mechanik zurückgegriffen werden. Auch Mikroobjekte auf atomarer Ebene können nicht mehr mit der klassischen Mechanik beschrieben werden, sondern müssen mithilfe der Quantenmechanik (Link) definiert werden.

Mechanische Bewegungen (Kinematik)

Kinematische Vorgänge beschreiben mechanische Bewegungen ohne den Einfluss von Kräften. Aber was ist denn eigentlich eine Bewegung und wie kann man sie beschreiben? 

Bewegung und Ruhe

Für die Beschreibung einer mechanischen Bewegung muss ein Bezugspunkt oder ein Bezugssystem vorliegen. Damit wird festgelegt, ob sich ein Körper in Ruhe befindet oder bewegt.

• Ruhe: Der Körper verändert seine Ortslage gegenüber dem Bezugspunkt nicht.

Beispiel: Ein Auto steht auf einer Straße bei Punkt A. Dieser Punkt A ist auch unser Bezugspunkt. Das Auto verändert seine Ortslage nicht, auch nicht nach einer Stunde.

Abb.2: Beispiel stehendes Auto

• Bewegung: Der Körper verändert seine Ortslage gegenüber dem Bezugspunkt.

Beispiel: Das Auto steht jetzt nicht mehr bei Punkt A. Es ist losgefahren und fährt zu Punkt B. Damit verändert das Auto die Ortslage mit der Zeit.

Abb. 3: Beispiel bewegendes Auto

Wir wissen jetzt, wann sich ein Körper in Ruhe befindet oder bewegt. Dabei können verschiedene Bewegungsformen und Bewegungsarten unterschieden werden. 

Bewegungsformen

In der Kinematik werden die Bewegungsformen nach ihrem räumlichen Verlauf unterschieden. Das heißt, in welcher Bahn sich der Körper bewegt.

• Geradlinige Bewegung (Translationsbewegung)
  Der Körper bewegt sich entlang einer geraden Bahnkurve, wie zum Beispiel ein fahrendes Auto.

• Kreisbewegung (Rotationsbewegung)
  Der Körper bewegt sich entlang einer kreisförmigen Bahnkurve, wie zum Beispiel ein Karussell.
  
  
• Schwingungen
  Der Körper bewegt sich periodisch zwischen zwei Punkten, wie zum Beispiel ein Pendel.

Bewegungsarten

Neben der räumlichen Unterscheidung kann bei Bewegungen auch nach ihrem zeitlichen Verlauf unterteilt werden.

Abb.4: Bewegungsarten

Die Bewegungen unterscheiden sich dahingehend, dass verschiedene Bedingungen für die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Körpers gelten. Was es mit diesen Begriffen und deren Bedeutung auf sich hat, klären wir in den nächsten Abschnitten.

Zustandsgrößen einer Bewegung

Wir wissen bereits, dass sich in der Mechanik drei Bewegungsformen und zwei Bewegungsarten unterscheiden lassen. Für diese Formen gibt es gewisse Zustandsgrößen, mit denen sich die Bewegungen beschreiben lassen.

Zeit

Im Rahmen der Physik und der Beschreibung von mechanischen Bewegungen spielt die Zeit eine wichtige Rolle. Damit kann ausgedrückt werden, was zu einem bestimmten Zeitpunkt oder auch in einem gewissen Zeitraum passiert. 

Tabelle 1: Zeit als Kenngröße

Bei Kreisbewegungen und Schwingungen wird zusätzlich zur Zeit t eine weitere Kenngröße genutzt. Die Periodendauer ist dabei die Zeit, die ein Körper für einen kompletten Umlauf der Kreisbahn benötigt. Sie gibt damit einen bestimmten Zeitraum für eine Periode an.

Tabelle 2: Periodendauer als Kenngröße

Ort

Wie bereits in unserem Beispiel zu sehen war, ist es wichtig für Bewegungen die Ortslage eines Körpers bestimmen zu können. Dabei muss zunächst ein Bezugspunkt festgelegt werden. Ausgehend von diesem Bezugspunkt wird die Ortslage des Körpers bestimmt. Dabei kann wieder zwischen einem bestimmten Ortspunkt oder auch einer Strecke zwischen Ortspunkten unterschieden werden.

Tabelle 3: Ort als Kenngröße

Bei Kreisbewegungen gibt es ebenfalls die Bahnstrecke s, die jedoch kreisförmig ist. Daher kann die Lage auch mithilfe einer Winkelangabe und des Radius des Kreises angegeben werden.

Tabelle 4: Drehwinkel als Kenngröße

Geschwindigkeit

Wenn sich ein Körper von einem Punkt A zu einem Punkt B bewegt, verändert sich auch die Zeit. Er benötigt eine gewisse Zeit, um die Strecke abzufahren. Die Beziehung zwischen dem Ort und der Zeit wird als Geschwindigkeit definiert. Auch hierbei muss eine Unterscheidung gemacht werden:

• Momentangeschwindigkeit

• Durchschnittsgeschwindigkeit

Bei der Momentangeschwindigkeit handelt es sich um die Geschwindigkeit, die ein Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt hat. Im Gegensatz dazu steht die Durchschnittsgeschwindigkeit. Diese gibt an welche Geschwindigkeit ein Körper während eines gewissen Zeitraums hat. Besonders bei Berechnungen muss immer darauf geachtet werden, welche Geschwindigkeit gefordert ist.

Tabelle 5: Geschwindigkeit als Kenngröße

Die Momentangeschwindigkeit kann auch als Ableitung der Zeit angesehen werden, daher gilt folgender Zusammenhang:

Bei einer Kreisbewegung bewegt sich der Körper kreisförmig auf der Bahn mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Die Bahngeschwindigkeit v wird dabei in Betrag und Richtung unterteilt. Daher kann bei einer Kreisbewegung eine weitere Geschwindigkeit definiert werden. Sie gibt an, welchen Winkel der Körper pro Zeit zurücklegt.

Tabelle 6: Winkelgeschwindigkeit als Kenngröße

Beschleunigung

Als letzte wichtige Kenngröße für Bewegungen ist die Beschleunigung zu nennen. Sie gibt an, wie sehr sich die Geschwindigkeit mit der Zeit verändert. Auch hier sind wieder zwei Bezeichnungen zu unterscheiden:

• Momentanbeschleunigung zum Zeitpunkt

• Durchschnittsbeschleunigung im Zeitraum

Tabelle 7: Beschleunigung als Kenngröße

Mithilfe der zeitlichen Ableitung ergibt sich wieder folgender Zusammenhang:

Bei einer kreisförmigen Bewegung ergibt sich ebenfalls eine Beschleunigung, die auch als Radialbeschleunigung oder Zentripetalbeschleunigung bezeichnet wird.

Diese Kenngrößen spielen bei der Beschreibung der mechanischen Bewegung eine große Rolle und gelten für verschiedene Bewegungsarten. Einige Grundbewegungen sind mit bestimmten Bedingungen gekennzeichnet. 

Gleichförmige Bewegung

Bei einer gleichförmigen Bewegung ändert sich die Geschwindigkeit des Körpers während der Bewegung nicht und keine Beschleunigung herrscht. Mehr dazu findest du im Kapitel gleichförmige Bewegung.

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung

Die gleichmäßig beschleunigte Bewegung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Änderung der Geschwindigkeit des Körpers stattfindet und es damit eine konstante Beschleunigung gibt. Alles zu diesem Thema kann im Kapitel gleichmäßig beschleunigte Bewegung nachgelesen werden.

Diese Grundbewegungen finden auch Anwendung in einigen Spezialfällen.

Freier Fall

Der freie Fall ist ein Sonderfall der gleichmäßig beschleunigten Bewegung, bei dem die Beschleunigung gleich der Fallbeschleunigung g ist.

Mechanische Würfe

Bisher wurden die geradlinigen Bewegungen einzeln betrachtet, jedoch können sie auch zusammengesetzt vorkommen. Diese zusammengesetzten Teilbewegungen finden in verschiedenen Würfen Anwendung:

• Senkrechter Wurf

• Waagrechter Wurf

• Schräger Wurf

Gleichförmige Kreisbewegung

Bei einer Kreisbewegung legt der Körper keine gerade, sondern eine kreisförmige Bahn zurück. Die Besonderheit einer gleichförmigen Kreisbewegung ist ein konstanter Betrag der Bahngeschwindigkeit und zudem auch eine konstante Winkelgeschwindigkeit. Alles zu diesem Thema findest du im Kapitel gleichförmige Kreisbewegung.

Schwingungen

Mechanische Schwingungen sind periodisch ablaufende Bewegungen und unterschiedlich eingeteilt werden. Erklärungen dazu findest du im Kapitel Schwingungen.

Mechanik – Alles Wichtige auf einen Blick

• In der Mechanik existieren mehrere Möglichkeiten zur Einteilung.
  
  
• Die klassische Mechanik teilt diese unter Berücksichtigung von Kräften und Bewegungen dabei in zwei große Teilgebiete ein:
  • Kinematik (Bewegung ohne Kräfte)
  • Dynamik (Wirkung von Kräften)
    
    
• Räumlich können Bewegungen in verschiedene Bewegungsformen untergliedert werden:
  1. Geradlinige Bewegungen (Gerade Bahn)
  2. Kreisbewegungen (Kreisförmige Bahn)
  3. Schwingungen
     
     
• Zeitlich können Bewegungen zwei verschiedene Bewegungsarten untergliedert werden: Gleichförmig und ungleichförmig.
  
  
• Die Zustandsgrößen zur Beschreibung von Bewegungen sind:
  • Zeit
  • Ort
  • Geschwindigkeit
  • Beschleunigung
    
    
• Für eine gleichförmige Bewegung gilt eine konstante Geschwindigkeit.
  
  
• Für eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung gilt eine konstante Beschleunigung.
  
  
• Der freie Fall ist ein Sonderfall der gleichmäßig beschleunigten Bewegung, bei der die Beschleunigung gleich der Fallbeschleunigung g ist.
  
  
• Mechanische Würfe sind zusammengesetzte Teilbewegungen.
  
  
• Für eine gleichförmige Kreisbewegung gilt eine konstante Winkelgeschwindigkeit und ein konstanter Betrag der Bahngeschwindigkeit.