Die Dynamik ist ein Zweig der Mechanik, der die Ursachen von Änderungen in der mechanischen Bewegung untersucht. Diese Wissenschaft untersucht die Beziehung zwischen den Kräften, die auf Objekte einwirken, und den Auswirkungen, die sie auf die Bewegung haben, die sich aus ihrer Einwirkung ergibt.
Der Begriff Dynamik kommt aus dem Griechischen und bedeutet Kraft oder Kraft.
In der klassischen Mechanik sind diese Ursachen Kräfte. An der Dynamik sind auch Konzepte wie Masse, Impuls, Drehimpuls und Energie beteiligt.
Dynamiken, die auf den Newtonschen Gesetzen basieren, werden klassische Dynamik genannt. Die klassische Dynamik beschreibt die Bewegung von Körpern mit Geschwindigkeiten im Bereich von Bruchteilen von Millimetern pro Sekunde bis hin zu Kilometern pro Sekunde.
Für die Bewegung sehr kleiner Objekte (Quantenmechanik) und für Bewegungen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit ( relativistische Mechanik ) sind diese Methoden jedoch nicht mehr gültig. Für solche Bewegungen gelten andere Gesetze.
Dieser Zweig der Physik untersucht auch die Bewegung eines kontinuierlichen Mediums, also verformbarer Körper, Flüssigkeiten und Gase.
Newtons Gesetze: Die Grundlage der Dynamik
Die klassische Dynamik basiert auf den drei Grundgesetzen von Isaac Newton, die die Auswirkungen erklären, die auf einen Körper ausgeübt werden, und die Auswirkungen der auf ihn wirkenden Kräfte:
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Newtons erstes Gesetz: Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung, wenn kein anderer Körper auf ihn einwirkt oder seine Wirkung kompensiert wird.
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Zweites Newtonsches Gesetz: In inertialen physikalischen Bezugssystemen ist die von einem materiellen Punkt erfasste Beschleunigung direkt proportional zu der Kraft, die sie verursacht, stimmt mit dieser in der Richtung überein und ist umgekehrt proportional zur Masse des materiellen Punktes.
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Newtons drittes Gesetz: Die Kräfte, mit denen Körper aufeinander einwirken, verlaufen auf derselben Geraden, haben entgegengesetzte Richtungen und sind gleich groß.
Forschungsgebiete der Dynamik in der Physik
Dynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das in verschiedene Disziplinen unterteilt ist. Nachfolgend sind die bekanntesten aufgeführt:
Dynamik eines Punktes
Die Dynamik eines Punktes befasst sich mit der Untersuchung der Wechselwirkung materieller Punkte, bei denen es sich um Körper handelt, deren Abmessungen im Vergleich zu den charakteristischen Abmessungen des untersuchten Phänomens vernachlässigt werden können. Der Schwerpunkt liegt auf der Analyse, wie Kräfte auf diese materiellen Punkte wirken und wie diese Kräfte ihre Bewegung beeinflussen.
Starrkörperdynamik
Die Starrkörperdynamik widmet sich der Untersuchung der Wechselwirkung absolut starrer Körper.
Man geht davon aus, dass diese Körper keine Verformungen erleiden, was eine vereinfachte Analyse ihrer Bewegung und der auf sie wirkenden Kräfte ermöglicht.
Dynamik verformbarer Körper
Die Dynamik verformbarer Körper umfasst die Untersuchung von Körpern, die unter Einwirkung äußerer Kräfte Verformungen erleiden können.
In diesem Bereich wird analysiert, wie sich aufgebrachte Kräfte auf die Form und das mechanische Verhalten verformbarer Körper auswirken, wobei Aspekte wie Elastizität, Plastizität und Widerstandsfähigkeit von Materialien berücksichtigt werden.
Flüssigkeitsdynamik
Die Fluiddynamik befasst sich mit der Untersuchung der Bewegung von Flüssigkeiten (Flüssigkeiten und Gasen) und ihrer Wechselwirkung untereinander und mit Festkörpern. Untersucht werden Phänomene wie laminare und turbulente Strömung, Massen- und Energieerhaltung in einer Strömung, Viskosität und Druck.
Dieses Gebiet der Physik wird auch als Strömungsmechanik bezeichnet.
Beispiele für Dynamik
Nachfolgend einige Beispiele für Alltagssituationen, in denen die Konzepte der Dynamik eine Rolle spielen:
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Ein Auto beschleunigt: Wenn Sie in einem Auto das Gaspedal betätigen, wird eine Vorwärtskraft ausgeübt, die das Fahrzeug antreibt. Die Nettokraft bestimmt gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz die Beschleunigung des Autos.
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Ein Objekt im freien Fall: Wenn Sie ein Objekt aus großer Höhe fallen lassen, erfährt es aufgrund der Schwerkraft eine Beschleunigung. Die Gravitationskraft wirkt als Nettokraft, die das Objekt nach unten beschleunigt.
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Billardstöße: Beim Schlagen einer Billardkugel mit dem Queue wird eine Kraft ausgeübt, die Schwung auf die Kugel überträgt. Bei der Kollision folgen die Übertragung des linearen Impulses und die Wechselwirkung der Kräfte zwischen den beteiligten Kugeln den Prinzipien des dritten Newtonschen Gesetzes.
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Einen Gegenstand auf einer rauen Oberfläche schieben: Wenn Sie eine Kraft anwenden, um einen Gegenstand auf einer rauen Oberfläche zu schieben, wirkt die Reibungskraft in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung und hängt von den Eigenschaften der Oberfläche und der Normalkraft ab.
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Der Antrieb einer Dampfturbine in einem Kernkraftwerk: Bei der Kernenergieerzeugung spielt die Strömungsdynamik eine grundlegende Rolle bei der Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie.
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Ein Heißluftballon nutzt die Prinzipien der Fluiddynamik, kann aber auch als starrer Festkörper berechnet werden, der der Schwerkraft ausgesetzt ist.