Schon die Pyramiden im alten Ägypten oder die Handelsschiffe im Mittelalter zeugen von einer weit entwickelten Handwerkskunst und fortgeschrittenen Kenntnissen der Baumeister und Handwerker. Damals verstand man, dass Körper bestimmte Eigenschaften haben und sich je nach Krafteinwirkung anders verhalten.
Anders gesagt: schon früher verstand man die Grundlagen der Mechanik, wie der Einsatz von Flaschenzügen oder Hebeln zeigt, mit denen man früher ohne moderne Technik schwere Lasten bewegen konnte.
Die Mechanik als Teilgebiet der Physik beschäftigt sich mit den grundlegenden Eigenschaften verschiedener Körper und Stoffe. Besonders wichtig ist dabei das Verständnis von Kräften und deren Wirkungen.
Neben der Bewegung gehören in den Teilbereich auch die mechanischen Schwingungen, Wellen sowie Schall und Akustik. Anhand von Gesetzen zum Volumen, zur Masse und zur Dichte werden die Eigenschaften und das Verhalten eines Körpers beschrieben.
In diesem Artikel stellen wir euch den Teilbereich der Physik vor, der sich mit Kraft und Bewegung von Massen beschäftigt. Ihr erfahrt, was es mit Newtons Grundgesetzen der Mechanik auf sich hat, welche großen Entwickler es auf dem Gebiet gab und wo du mit dem Bereich arbeiten kannst.
Eine kurze Geschichte der Mechanik
Wie wir bereits oben erwähnt haben, spielten mechanische Grundsätze schon in frühen Zeiten eine große Rolle. Der Bau der Pyramiden im alten Ägypten beispielsweise wurde damals ohne moderne Hilfsmittel von Menschenhand durchgeführt, aber das mechanische Verständnis war im wesentlichen das gleiche wie heute.
Der griechische Mathematiker Archimedes lieferte im 3. Jahrhundert wichtige Erkenntnisse für die Statik und die Funktionsweise von Hebel, die als Grundlage für die spätere Entwicklung der Mechanik dienten.
Die klassische Mechanik, wie wir sie heute kennen, wurde dann sehr viel später, nämlich im 17. Jahrhundert maßgeblich durch Galileo Galilei vorangetrieben. Der italienische Gelehrte wandte sich von der bis dahin vorherrschenden Naturphilosophie ab und legte den Fokus auf experimentelle Beobachtungen, Messungen und mathematische Methoden.
Über die Beobachtung konkreter Bewegungen von Massen anhand von gezielten Experimenten und der mathematischen Auswertung der Ergebnisse konnte Galilei grundlegende Erkenntnisse gewinnen, die noch heute Bedeutung haben.
Zu dieser Zeit formulierte Johannes Kepler ebenfalls anhand von Beobachtungen und Messungen Gesetze zur Planetenbewegung und lieferte elementare Erkenntnisse der Astrophysik.
Auf einer ähnlichen Art der Forschung basierten die Erkenntnisse von Isaac Newton, die er in seinem bekannten Hauptwerk „Mathematische Prinzipien der Philosophie der Natur“ zusammenfasste. In seinem Buch beschreibt Newton die Bewegungen eines Körpers über den neu eingeführten Begriff der Kraft. Er argumentiert, dass sich alle Bewegungen von Massen durch einige wenige Grundannahmen erklären lassen.
Newtons Erkenntnisse sorgten für die zentrale Bedeutung der Kraft in der Mechanik. Zeitgleich formulierten weitere Wissenschaftler wichtige mechanische Gesetze: Robert Hooke stellte das Hookesche Gesetz zur Elastizität auf, Christian Huygens entwickelte anhand eines von ihm entdeckten Relativitätsprinzips die ersten Pendeluhren und Gottfried Wilhelm Leibniz lieferte wichtige Grundlagen für die Kinetik, während er sich mit Energie beschäftigte.
Weitere Wissenschaftler wie Johann Bernoulli, Pierre-Simon Laplace und Joseph-Louis de Lagrange, die man vielleicht noch aus dem Physikunterricht kennt, entwickelten im 18. und 19. Jahrhundert die grundlegenden Erkenntnis Newtons weiter.
In dieser Zeit wurden wichtige Begriffe wie Arbeit, Energie, Dichte oder Drehimpuls eingeführt, die auch dafür sorgten, dass sich der Bereich der Mechanik weiter ausdehnte und irgendwann auch die Themen der Reibung, Schwingung, Beschleunigung, Kreisbewegung und Kinematik behandelte.
Einige Erkenntnisse aus der physikalischen Elektrizitätslehre, besonders die von Albert Einstein, sorgten dafür, dass die Gültigkeit mancher mechanischer Gesetze wieder überworfen wurde.
Die Newtonschen Gesetze
Als Fundament der klassischen Mechanik gelten die von Isaac Newton formulierten Gesetze, bekannt als die drei Grundsätze der Bewegung.
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Das 1. Newtonsche Gesetz, auch Trägheitsprinzip genannt, beschreibt, dass ein Gegenstand solange ruhig bleibt, bis eine Kraft auf ihn wirkt.
„Ein Körper hält konstant seine Geschwindigkeit in Richtung und Betrag, solange keine Kraft auf ihn wirkt.“
Das zweite Gesetz von Newton, das Aktionsprinzip, beschreibt, dass ein Körper in die Richtung einer Kraft beschleunigt, die auf ihn wirkt. Aus dieser Formel geht die als Grundgleichung der Mechanik bezeichnete mathematische Formel hervor:
„Kraft ist gleich Masse multipliziert mit der Beschleunigung.“
Das 3. Gesetz wird auch Reaktionsprinzip genannt und beschreibt die Wechselwirkungen zwischen zwei Massen.
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Die dritte Formel besagt außerdem, dass Kräfte immer paarweise auftreten:
„Kraft entspricht Gegenkraft.“
Besteht also zwischen zwei Körpern eine Kraft so ist die Kraft die von dem ersten auf den zweiten Körper wirkt, gleich der Kraft, die vom zweiten auf den ersten Körper wirkt.“
Während es in der Atomphysik um die einzelnen Teilchen geht, behandelt die Mechanik das Verhalten ganzer Körper.
Die Grundsätze der Kinematik
Die Kinematik ist ein mechanischer Teilbereich, der sich mit der Bewegung von Körpern auseinandersetzt, ohne dabei auf die dabei wirkenden Kräfte einzugehen. Hier geht es also vor allen Dingen um geometrische Beschreibungen einer Bewegung mit bestimmten Größen.
In der Bewegungslehre wird beschrieben, wie sich ein Gegenstand bewegt. Die Fragen, warum er sich bewegt und welche Kräfte dabei wirken, gehören in den Bereich der Kinetik, die zum Teilbereich der Dynamik gehört.
Bei der Beobachtung und Beschreibung der Bewegung eines Körpers, spielen sogenannte Bezugssysteme eine große Rolle. Diese geben den physikalischen Rahmen an, in dem man die Größen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Körpers beobachtet.
„Der Ort eines Körpers bezeichnet seine Lage in einem bestimmten Bezugssystem zu einem bestimmten Zeitpunkt.“
Wie auch bei der Optik in der Physik sind mechanische Gesetze elementar, um das Verhalten von Körpern zu beschreiben.
Neben dem Ort ist eine weitere wichtige Bezugsgröße die Geschwindigkeit. Diese Einheit gibt an, wie schnell oder eben langsam sich ein Körper in einem Raum bewegt. Dabei hat sie zu jedem Punkt der Bewegung einen bestimmten Betrag und ist in einem bestimmte Richtung gerichtet.
"Bewegt sich Körper zu einem Zeitraum um einen bestimmten Weg, dann lässt sich die mittlere Geschwindigkeit durch die Division von Weg durch Zeitraum berechnen.“
Die Beschleunigung als letzte wichtige Größe beschreibt, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Köpers verändert.
„Die Beschleunigung eines Körpers liegt vor, wenn sich der Betrag, die Richtung oder beide Faktoren der Geschwindigkeit verändern.
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Die Grundsätze der Dynamik
Die Dynamik befasst sich mit den Kräften, die auf einen Gegenstand wirken. Es gibt verschiedene Arten von Kräften, wie Reibung oder Zugkraft, aber grundsätzlich ist die Kraft eine vektorielle Größe, die in Newton gemessen wird. Der Druck beschriebt die Wirkung einer Kraft auf eine Fläche.
Dieser Teilbereich lässt sich noch weiter in die Statik und die Kinetik einteilen. In der Statik werden Kräfte beschrieben, die auf im Gleichgewicht ruhende Körper wirken. Die Statik spielt vor allem in der Industrie eine große Rolle, beispielsweise im Maschinenbau, Schiffsbau oder auch beim Hausbau.
Die Kinetik dagegen beschäftigt sich damit, wie Kräfte den Bewegungszustand von Körpern verändern. Neben der Kraft spielt in der Kinetik die Masse des Körpers eine Rolle. Aus dem Zusammenwirken dieser beiden Einheiten lassen sich Gesetze und Sätze ableiten, wie der Impulssatz oder der Energiesatz.
Die kinetische Energie wird auch in der Thermodynamik in der Physik verwendet, nämlich wenn ein Körper durch seine Bewegung Wärme abgeben oder Arbeit verrichten kann.
„Eine der wichtigsten Erhaltungssätze in der Physik ist der Impuls, definiert als das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers.“
Weitere wichtige Sätze der Kinetik sind der Leistungssatz, der Energiesatz und der Arbeitssatz. Für die Größen Schwingung, Arbeit, Leistung oder Dichte gibt es immer eine eigene Einheit.
Hier wird die Mechanik verwendet
Wenn du dich für die mechanische Formel zur Berechnung von Druck und Impuls interessierst, dann kannst du über ein Studium in dem Bereich nachdenken. Aktuell kann man in Deutschland an der TU Darmstadt den einzigen Bachelor in Mechanik studieren.
In diesem Studium erhält man nicht nur komplexe Erklärungen der Physik, sondern bereitet sich auch auf einen späteren Job in einem mechanischen Betrieb vor.
Es gibt aber noch weitere Studiengänge und Ausbildungen, die sich mit Schwingungen und Kreisbewegung auseinandersetzen:
- Maschinenbau: hier arbeiten Ingenieure und Techniker an der Entwicklung, Konstruktion und Produktion von Maschinen wie Motoren, Turbinen, Aufzüge oder Geräte der Luft- und Raumfahrt.
- KFZ-Mechatroniker: hier beschäftigst du dich mit der Wartung, Reparatur, Nachrüstung und Inspektion von Autos.
- Schiffsmechaniker: als Schiffsmechaniker kann man in Reedereien, in Schiffbaubetriebsanlagen oder im Güter- und Passagiertransport arbeiten und wartet dabei die Maschinenteile an Bord verschiedener Schiffe.
- Metallbauer: ein Metallbauer beschäftigt sich mit der Verarbeitung von Metallen im Bauwesen und in Handwerksbetrieben.
- Konstruktionsmechaniker: als Konstruktionsmechaniker stellst du Metallkonstruktionen in Unternehmen des Stahl- und Metallbaus, Maschinenbaus und Schiffs- und Fahrzeugbaus her.
- Bauingenieurwesen: Bauingenieure arbeiten in Bauunternehmen im Hoch- und Tiefbau oder in Ingenieur- und Planungsbüros und sind hier für die Planung und Konstruktion von Bauwerken zuständig.
- Fahrzeugtechnik: die Fahrzeugtechnik beschäftigt sich mit der Konzeption, der Weiterentwicklung und der finalen Konstruktion von Fahrzeugen und Maschinen.
- Flugzeugbau: diese Teilgebiet des Maschinenbaus behandelt den Entwurf, den Bau und die Erprobung von Flugzeugen und anderen Luftfahrzeugen.
All diese Berufe und Studiengänge beschäftigten sich mit mechanischen Teilgebieten. Auch die Akustik gilt als Teilgebiet der Mechanik und bietet interessante Jobmöglichkeiten. Als Teilgebiet der Physik bietet die Mechanik also viele verschiedene Berufsmöglichkeiten.
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