Physikalische Gesetzmäßigkeiten
Grundsätzliches zur Mechanik
Die Mechanik ist in den Naturwissenschaften die Lehre von der Bewegung von Körpern sowie den dabei wirkenden Kräften. In der „Klassischen Mechanik“ werden folgende Teilbereiche unterschieden:
- Kinematik: Reine Bewegungslehre, ohne Berücksichtigung der verursachenden Kräfte
- Dynamik: Wirkung von Kräften
- Statik: Gleichgewicht der Kräfte
- Kinetik: Änderung der Bewegungsgrößen unter Einwirkung von Kräften
 |
Die Newtonschen Gesetze
Die Newtonschen Gesetze beschreiben die drei Grundsätze der Bewegung. Diese Grundsätze wurden 1687 von Isaac Newton formuliert und bilden die Grundlage der klassischen Mechanik.
Jeder Körper verharrt in seinem Zustande der Bewegung oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern.
Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.
Die Wirkung ist stets der Gegenwirkung gleich, oder die Wirkungen zweier Körper auf einander sind stets gleich und von entgegengesetzter Richtung.
Grundbegriffe
Bewegungszustand starrer Körper (Kinematik)
Bewegung setzt voraus, daß zwei Körper ihre gegenseitige Lage verändern. Bewegungsabläufe eines Körpers oder Massenpunktes können daher nur relativ sein. Das heißt, der Bewegungsablaut kann nur im Bezug auf ein anderes, als ruhend definiertes Bezugssystem betrachtet werden.
- Lineare Bewegung: Bei der reinen Translation bewegen sich sämtliche Massepunkte des Körpers mit der selben Geschwindigkeit auf parallelen (geraden oder bogenförmigen) Bahnen.
- Drehende Bewegung: Bei einer Rotation bewegen sich alle Massepunkte um eine gemeinsame Drehachse. Eine freie Rotation besitzt mindestens zwei durch den Schwerpunkt verlaufende Drehachsen.
Wenn bei einer Rotation um eine schräg stehende Rotationsachse Kräfte (Schwerkraft) wirken, so entsteht eine Kreiselbewegung. Der Körper erfährt zu seiner Rotation um die Drehachse eine zusätzliche Rotation um eine senkrecht durch den Auflagepunkt verlaufende Gerade – Rotationsachse gerät dadurch ins taumeln.
Ein System kann an mehreren Bewegungen teilnehmen, besitzt aber nur eine Bewegung. Dabei ist die Translation ein Grenzfall der Rotation, bei dem die Rotationsachse ins Unendliche rückt. Die Unterscheidung in Translation und Rotation ist demnach nicht zwingend notwendig, der Übersichtlichkeit wegen jedoch zweckmäßig.
Änderung der Bewegungsgrößen (Kinetik)
Der Bewegungszustand eines Körpers bei der linearen Bewegung (Translation) wird durch seinen Impuls beschrieben. Gleiches gilt bei der Drehbewegung (Rotation) für den Drehimpuls. Impuls und Drehimpuls sind richtungsabhängige Erhaltungsgrößen. Wird durch einwirkende Kräfte an einem Körper Beschleunigungsarbeit verrichtet, so ändert sich sein Bewegungszustand. Die verrichtete Beschleunigungsarbeit wird in Form von kinetischer Energie (Translationsenergie und Rotationsenergie) gespeichert.
In einem abgeschlossenen System bleibt bei Reibungsfreiheit die gesamte mechanische Energie erhalten. Die verschiedenen Energieformen können sich lediglich ineinander umwandeln.
In jedem abgeschlossenen System ist die vektorielle Summe der Impulsvektoren vor der Wechselwirkung gleich der vektoriellen Summe der Impulsvektoren nach der Wechselwirkung.
Der Bewegungszustand eines Körpers wird durch einwirkende Kräfte (Beschleunigungskräfte) verändert. Beschleunigungskräfte können dabei sowohl positiv (Beschleunigung) wie auch negativ (Verzögerung) wirken. Zu den negativen Beschleunigungskräften zählen insbesondere die Reibungskräfte.
Eine weitere physikalische Größe bei der Änderung des Bewegungszustandes eines Körpers ist der Kraftstoß. Dabei ist jeder Kraftstoß auch mit einer Impulsänderung verbunden.