Kinematik ist der Zweig der Physik, der die Bewegung von Objekten und ihre Flugbahn als Funktion der Zeit untersucht, ohne die Ursachen zu berücksichtigen, die sie erzeugen.
Bei der Untersuchung der Kinematik werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften bewegter Körper mit Ausnahme der Abmessungen sowie der auf sie einwirkenden Kräfte nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund wird sie auch als Starrkörperkinematik bezeichnet.
Dieser Zweig der Physik gehört zur klassischen Physik, daher berücksichtigen die Formeln, die wir in den Artikeln dieses Abschnitts vorstellen, Einsteins Relativitätstheorie nicht. Das heißt, die Gleichungen, die wir vorstellen, gelten nur für kleine Geschwindigkeiten im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit.
Grundlegendes Konzept
Um diesen Zweig der Physik zu verstehen, ist es wichtig, sich mit einigen Grundkonzepten vertraut zu machen:
1. Position
Die Position eines Objekts bezieht sich auf seine Position im Raum relativ zu einem Bezugssystem. Es kann mithilfe von Koordinaten beschrieben werden, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem (x, y, z), wobei x, y und z die räumlichen Dimensionen darstellen.
Die Position wird typischerweise durch einen Vektor dargestellt, der sowohl die Größe (Entfernung) als auch die Richtung vom Ursprung des Referenzrahmens angibt.
2. Verschiebung
Verschiebung ist eine Änderung der Position eines Objekts.
Er wird als Vektor ausgedrückt, der die Anfangsposition mit der Endposition des Objekts verbindet. Die Verschiebung ist unabhängig vom Weg, dem das Objekt folgt, und wird in Länge und Richtung gemessen.
3. Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit eines Objekts bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der sich seine Position im Laufe der Zeit ändert.
Sie wird als Verschiebung pro Zeiteinheit ausgedrückt und als Vektor dargestellt. Die Geschwindigkeit kann konstant sein (gleichförmige Bewegung) oder sich mit der Zeit ändern (beschleunigte Bewegung).
4. Beschleunigung
Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung eines Objekts im Zeitverlauf.
Sie wird wie die Geschwindigkeit als Vektor dargestellt. Die Beschleunigung kann positiv (Geschwindigkeitszunahme), negativ (Geschwindigkeitsabnahme) oder Null (gleichmäßige Bewegung) sein.
5. Zeit
Zeit ist eine grundlegende Variable in der Kinematik, die zur Messung der Dauer eines Ereignisses verwendet wird. Dadurch können wir beschreiben, wie sich die anderen kinematischen Variablen im Laufe der Zeit ändern.
Arten von Bewegungen
In der zweidimensionalen Darstellung der Kinematik gibt es mehrere Bewegungsarten, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:
- Gleichmäßige geradlinige Bewegung (MRU) : Bei dieser Art von Bewegung bewegt sich ein Objekt geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit, ohne dass sich Größe oder Richtung der Geschwindigkeit ändern.
- Gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA) : Bei der MRUA erfährt ein Objekt über gleiche Zeitintervalle eine konstante Änderung seiner Geschwindigkeit, entweder eine Zunahme oder eine Abnahme.
- Uniform Circular Motion (MCU) : Bei MCU bleibt die Winkelgeschwindigkeit konstant, während sich das Objekt auf einer Kreisbahn bewegt.
- Uniformly Accelerated Circular Motion (UACM) : UAM beinhaltet eine konstante Änderung der Winkelgeschwindigkeit eines Objekts in Kreisbewegung.
- Parabelbewegung : Bei der Parabelbewegung folgt ein Objekt einer gekrümmten Bahn, die einer Parabel ähnelt und aus der Kombination von horizontaler und vertikaler Bewegung resultiert.
- Einfache harmonische Bewegung. Die Richtung der Kraft, unter der sich das Objekt bewegt, ist immer entgegengesetzt zur Verschiebung und die Größe ist proportional zur Verschiebung.
Beispiele für Kinematik
Kinematik manifestiert sich in verschiedenen Situationen im Alltag und in wissenschaftlichen Bereichen.
Bewegung eines Autos
Ein häufiges Beispiel ist die Bewegung eines Autos auf einer geraden Straße mit konstanter Geschwindigkeit, was dem Konzept der gleichmäßigen geradlinigen Bewegung (MRU) entspricht.
Wenn dieses Auto beschleunigt oder bremst, beispielsweise beim Anfahren an einer Ampel oder beim Abbremsen bis zum Anhalten, ist dies ein Beispiel für eine gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA).
In dem Moment, in dem das Auto eine Kurve fährt, können die Formeln der gleichmäßigen Kreisbewegung (MCU) oder der gleichmäßig beschleunigten Kreisbewegung (MCUA) angewendet werden, wenn es innerhalb der Kurve bremst oder beschleunigt.
Sport
Im Sportbereich wird die Kinematik bei der Analyse des Wurfs eines Baseballs angewendet, bei dem die Flugbahn des Balls einer parabolischen Bewegung folgt .
Astronomie
In der Astronomie wird es verwendet, um die Bewegung von Planeten um die Sonne zu untersuchen und ihre Umlaufbahnen zu berechnen.
Kernkraftwerke und Kernphysik
In der Kernphysik wird die Kinematik zur Analyse der Kollision subatomarer Teilchen in Teilchenbeschleunigern eingesetzt.
Darüber hinaus verfügen Kernkraftwerke über Dampfturbinen, die im Betrieb eine Kreisbewegung ausführen.
Unterschied zwischen Kinematik und Dynamik
Kinematik und Dynamik sind zwei Zweige der Physik, die sich auf unterschiedliche Aspekte der Bewegung von Objekten konzentrieren.
In der Kinematik geht es einerseits darum, Bewegungen anhand von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zu beschreiben, ohne die Ursachen zu berücksichtigen, die sie erzeugen. Andererseits konzentriert sich die Dynamik auf die Untersuchung der Kräfte und Wechselwirkungen, die die Bewegung von Objekten verursachen.
Das heißt, während sich die Kinematik damit beschäftigt, „wie“ sich Objekte bewegen, konzentriert sich die Dynamik darauf, „warum“ sie sich bewegen und wie sie auf ausgeübte Kräfte reagieren.
