Inhalt
- Newtonsche Gesetze
- Kräfte
- Lineare und Rotationskinematik
- Dynamik und Energie
- Trägheitsmoment
- Wellen und einfache harmonische Bewegung
- Mathematik in der klassischen Mechanik
- Eindimensionale Bewegung vs. Bewegung in zwei Dimensionen
Die Mechanik ist der Zweig der Physik, der sich mit der Bewegung von Objekten befasst. Das Verständnis der Mechanik ist für jeden zukünftigen Wissenschaftler, Ingenieur oder neugierigen Menschen von entscheidender Bedeutung, der beispielsweise herausfinden möchte, wie man beim Reifenwechsel einen Schraubenschlüssel am besten festhält.
Häufige Themen in der Mechanik sind Newtonsche Gesetze, Kräfte, lineare und rotatorische Kinematik, Impuls, Energie und Wellen.
Newtonsche Gesetze
Sir Isaac Newton entwickelte unter anderem drei Bewegungsgesetze, die für das Verständnis der Mechanik entscheidend sind.
Newton formulierte auch das universelle Gravitationsgesetz, mit dessen Hilfe die Anziehungskraft zwischen zwei beliebigen Objekten und den Umlaufbahnen von Körpern im Raum beschrieben werden kann.
Newtonsche Gesetze machen es so gut, die Bewegung von Objekten vorherzusagen, dass die Leute oft auf seine Gesetze und die darauf basierenden Vorhersagen als Newtonsche Mechanik oder klassische Mechanik verweisen. Diese Berechnungen jedoch nicht genau Beschreiben Sie die physikalische Welt unter allen Bedingungen, auch wenn sich ein Objekt in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegt oder in einem unglaublich kleinen Maßstab arbeitet. Spezielle Relativitätstheorie und Quantenmechanik ermöglichen es Physikern, Bewegungen im Universum zu untersuchen, die Newton nicht erforschen kann.
Kräfte
Kräfte Ursache Bewegung. Eine Kraft ist im Wesentlichen ein Druck oder ein Zug.
Verschiedene Arten von Kräften, denen ein Gymnasiast oder ein einführender Student sicher begegnen wird, umfassen: Gravitations-, Reibungs-, Spannungs-, elastische, aufgebrachte und Federkräfte. Die Physiker zeichnen diese Kräfte, die auf Objekte einwirken, in speziellen Diagrammen auf Freikörperdiagramme oder Kraftdiagramme. Solche Diagramme sind entscheidend für das Auffinden der Nettokraft auf ein Objekt, die wiederum bestimmt, was mit seiner Bewegung geschieht.
Die Newtonschen Gesetze besagen, dass eine Nettokraft ein Objekt veranlasst, seine Geschwindigkeit zu ändern, was bedeuten kann, dass sich seine Geschwindigkeit ändert oder seine Richtung ändert sich. Keine Nettokraft bedeutet, dass das Objekt so bleibt, wie es ist: es bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit oder in Ruhe.
EIN Nettokraft ist die Summe mehrerer Kräfte, die auf ein Objekt einwirken, z. B. zwei Tauziehen-Teams, die in entgegengesetzte Richtungen an einem Seil ziehen. Das Team, das stärker zieht, wird gewinnen, was zu einer stärkeren Ausrichtung führt. Aus diesem Grund beschleunigen das Seil und das andere Team in diese Richtung.
Lineare und Rotationskinematik
Die Kinematik ist ein Zweig der Physik, mit dem die Bewegung einfach durch Anwenden eines Gleichungssystems beschrieben werden kann. Kinematik nicht beziehen sich auf die zugrunde liegenden Kräfte, die Ursache der Bewegung überhaupt. Deshalb gilt die Kinematik auch als Teilgebiet der Mathematik.
Es gibt vier Hauptkinematikgleichungen, die manchmal als Bewegungsgleichungen bezeichnet werden.
Die Größen, die in den kinematischen Gleichungen ausgedrückt werden können, beschreiben lineare Bewegung (Bewegung in einer geraden Linie), aber jedes von diesen kann auch für ausgedrückt werden Drehbewegung (auch Kreisbewegung genannt) mit analogen Werten. Zum Beispiel würde eine Kugel, die linear über den Boden rollt, a haben lineare Geschwindigkeit vsowie eine Winkelgeschwindigkeit ω, das seine Spinngeschwindigkeit beschreibt. Und während a Nettokraft verursacht eine Änderung der linearen Bewegung, a Netto-Drehmoment bewirkt eine Änderung in einer Objektrotation.
Dynamik und Energie
Zwei weitere Themen, die in den Bereich der Mechanik fallen, sind Impuls und Energie.
Beide Größen sind konserviert, Das heißt, in einem geschlossenen System kann sich die Gesamtmenge an Impuls oder Energie nicht ändern. Wir bezeichnen diese Arten von Gesetzen als Erhaltungsgesetze. Ein anderes allgemeines Erhaltungsgesetz, das normalerweise in der Chemie studiert wird, ist die Erhaltung der Masse.
Die Gesetze der Energieerhaltung und der Impulserhaltung ermöglichen es den Physikern, die Geschwindigkeit, die Verschiebung und andere Aspekte der Bewegung verschiedener Objekte, die miteinander interagieren, wie z. B. ein Skateboard, das über eine Rampe rollt, oder kollidierende Billardkugeln, vorherzusagen.
Trägheitsmoment
Trägheitsmoment ist ein Schlüsselbegriff für das Verständnis der Drehbewegung für verschiedene Objekte. Es ist eine Größe, die auf der Masse, dem Radius und der Rotationsachse eines Objekts basiert und beschreibt, wie schwierig es ist, seine Winkelgeschwindigkeit zu ändern - mit anderen Worten, wie schwer es ist, das Schleudern zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
Da ist wieder Drehbewegung analog In Bezug auf die lineare Bewegung ist das Trägheitsmoment analog zum linearen Trägheitskonzept, wie es im ersten Newtonschen Gesetz angegeben ist. Mehr Masse und ein größerer Radius verleihen einem Objekt ein höheres Trägheitsmoment und umgekehrt. Eine extra große Kanonenkugel den Flur entlang zu rollen ist schwieriger als einen Volleyball zu rollen!
Wellen und einfache harmonische Bewegung
Wellen sind ein spezielles Thema in der Physik. Eine mechanische Welle bezieht sich auf eine Störung, die überträgt Energie durch Materie - Eine Wasserwelle oder eine Schallwelle sind beide Beispiele.
Einfache harmonische Bewegung ist eine andere Art von periodischer Bewegung, bei der ein Partikel oder ein Objekt um einen festen Punkt schwingt. Beispiele hierfür sind ein Pendel mit kleinem Winkel, das vor und zurück schwingt, oder eine Spiralfeder, die wie von beschrieben auf und ab springt Hookes Gesetz.
Typische Größen, mit denen Physiker Wellen und periodische Bewegungen untersuchen, sind Periode, Frequenz, Wellengeschwindigkeit und Wellenlänge.
Elektromagnetische Wellen oder Licht sind eine andere Art von Welle, die den leeren Raum passieren kann, weil Energie nicht von Materie, sondern von oszillierenden Feldern getragen wird. (Schwingung ist ein anderer Begriff für Vibration.) Während Licht wie eine Welle wirkt und seine Eigenschaften mit den gleichen Größen wie eine klassische Welle gemessen werden können, wirkt es auch wie ein Teilchen, für dessen Beschreibung eine gewisse Quantenphysik erforderlich ist. So tut Licht nicht völlig passen in das Studium der klassischen Mechanik.
Mathematik in der klassischen Mechanik
Die Physik ist eine sehr mathematische Wissenschaft. Das Lösen mechanischer Probleme erfordert Kenntnisse über:
Eindimensionale Bewegung vs. Bewegung in zwei Dimensionen
Der Umfang eines Gymnasial- oder Einführungskurses in Physik umfasst normalerweise zwei Schwierigkeitsgrade bei der Analyse mechanischer Situationen: das Betrachten einer eindimensionalen Bewegung (einfacher) und einer zweidimensionalen Bewegung (härter).
Bewegung in einer Dimension bedeutet, dass sich das Objekt entlang einer geraden Linie bewegt. Diese Arten von physikalischen Problemen können mit Algebra gelöst werden.
Bewegung in zwei Dimensionen beschreibt, wenn eine Objektbewegung sowohl eine vertikale als auch eine horizontale Komponente aufweist. Das heißt, es zieht ein zwei Richtungen gleichzeitig. Diese Arten von Problemen können mehrstufig sein und erfordern möglicherweise Trigonometrie, um sie zu lösen.
Die Projektilbewegung ist ein verbreitetes Beispiel für eine zweidimensionale Bewegung. Projektilbewegung ist jede Art von Bewegung, bei der die einzige auf das Objekt wirkende Kraft die Schwerkraft ist. Zum Beispiel: Ein Ball wird in die Luft geworfen, ein Auto fährt von einer Klippe oder ein Pfeil wird auf ein Ziel geschossen. In jedem dieser Fälle folgt der Pfad der Objekte durch die Luft der Form eines Bogens und bewegt sich sowohl horizontal als auch vertikal (entweder nach oben und dann nach unten oder nur nach unten).