Unter Geschwindigkeit versteht man in der Physik die Vektorgröße, die die Variation der Position eines Objekts für jede Zeiteinheit angibt. Dies ist ein entscheidendes Konzept für die Untersuchung der Kinematik von Objekten.
Der Begriff der Geschwindigkeit wird neben der Physik auch in vielen anderen Disziplinen verwendet. Es gibt beispielsweise auch die Begriffe Reaktionsgeschwindigkeit in der Chemie, Internetgeschwindigkeit im Computer oder Erholungsgeschwindigkeit im Sportunterricht.
Was ist Geschwindigkeit?
In der Physik definieren wir Geschwindigkeit als eine physikalische Größe, die den Grad der Verschiebung eines Körpers in Bezug auf einen Punkt in einer bestimmten Zeit ausdrückt. Diese Variation wird im Raum ausgedrückt, es handelt sich also um einen Vektorwert, der eine Größe und eine Richtung angibt.
Es gibt zwei Arten von Geschwindigkeit: Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit. Die erste wird berechnet, indem die zurückgelegte Strecke durch die verstrichene Zeit dividiert wird, während die momentane Geschwindigkeit dem Grenzwert entspricht, wenn das Zeitintervall gegen Null tendiert.
Die Einheiten im internationalen Einheitensystem sind Meter pro Sekunde (m/s), Kilometer pro Stunde (km/h) oder Meilen pro Stunde (mph).
Arten von Geschwindigkeit
Es gibt verschiedene Arten von Geschwindigkeiten, die je nach Anwendungskontext in verschiedene Kategorien eingeteilt werden können.
Die wichtigsten Geschwindigkeitstypen für das Studium der Kinematik sind die folgenden:
Lineare Geschwindigkeit
Die Lineargeschwindigkeit misst die Distanz, die ein Objekt in einer bestimmten Richtung pro Zeiteinheit zurücklegt. Beispielsweise die Geschwindigkeit eines Autos in Kilometern pro Stunde (km/h).
Winkelgeschwindigkeit
Unter Winkelgeschwindigkeit versteht man die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts um einen Punkt oder eine Achse. Sie wird in Bogenmaß pro Sekunde (rad/s) oder Grad pro Sekunde (°/s) gemessen.
Wenn sich ein Körper um eine Achse dreht, entsteht die Winkelgeschwindigkeit ω. Die Winkelgeschwindigkeit gibt die Variation der Winkelposition über die Zeit an.
Rotierende Körper haben zwei Arten von Geschwindigkeit: Winkelgeschwindigkeit, die die Änderung des Winkels angibt, und Tangentialgeschwindigkeit, die die lineare Geschwindigkeit mit einer tangentialen Richtung zur Krümmung in jedem Moment ist.
Sofortige Geschwindigkeit
Es ist die Geschwindigkeit eines Objekts an einem bestimmten Punkt seiner Flugbahn zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sein Wert kann von der Durchschnittsgeschwindigkeit abweichen.
Durchschnittsgeschwindigkeit
Es ist die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Objekts während eines bestimmten Zeitintervalls. Sie wird berechnet, indem die zurückgelegte Gesamtstrecke durch die verstrichene Zeit dividiert wird.
Relative Geschwindigkeit
Es ist die Geschwindigkeit eines Objekts im Verhältnis zu einem anderen. In der Physik wird es häufig verwendet, um die relative Bewegung zweier sich bewegender Objekte zu beschreiben.
Wenn beispielsweise der Fahrgast eines Busses während der Fahrt den Gang entlang geht, haben sie zwei relative Geschwindigkeiten: die Geschwindigkeit in Bezug auf die eines Beobachters im Inneren des Busses und die Geschwindigkeit, die von einem Beobachter auf der Straße wahrgenommen wird .
Endgeschwindigkeit
Dabei handelt es sich um die maximale Geschwindigkeit, die ein Objekt im freien Fall aufgrund des Luftwiderstands erreicht. Sobald diese Geschwindigkeit erreicht ist, beschleunigt das Objekt nicht mehr weiter.
Die Widerstandskraft, die die Luft im freien Fall auf ein Objekt ausübt, ist proportional zur Geschwindigkeit des Objekts. Diese Kraft nimmt zu, wenn das Objekt aufgrund der durch die Schwerkraft verursachten Beschleunigung gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz an Geschwindigkeit gewinnt. Schließlich kommt eine Zeit, in der die Luftkraft durch die Schwerkraft ausgeglichen wird.
Andere Arten von Geschwindigkeiten
Unter einem anderen, spezifischeren Gesichtspunkt werden diese besonderen Typen auch definiert:
- Schallgeschwindigkeit : Es ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle durch ein Medium wie Luft oder Wasser ausbreitet. In Luft bei Raumtemperatur beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 343 Meter pro Sekunde.
- Lichtgeschwindigkeit : Dies ist die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Vakuum ausbreitet, sie beträgt etwa 299.792.458 Meter pro Sekunde. Es ist eine grundlegende Konstante in der modernen Physik.
- Umlaufgeschwindigkeit : Dies ist die Geschwindigkeit, mit der sich ein Objekt, beispielsweise ein Satellit, bewegen muss, um eine stabile Umlaufbahn um einen anderen Himmelskörper, beispielsweise die Erde, aufrechtzuerhalten, damit es nicht durch die Schwerkraft abstürzt. In diesem Fall ist die Schwerkraft gleich der Zentripetalkraft.
Geschwindigkeitsformeln
Geschwindigkeit ist definiert als die zeitliche Änderung der Position eines Objekts.
Lineargeschwindigkeitsformel
Die Formel für die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Objekts lautet:
v = Δx/Δt
Wobei:
v stellt die Geschwindigkeit dar.
Δx stellt die Änderung der Position oder des zurückgelegten Raums dar (der endgültige Positionsvektor minus dem anfänglichen Positionsvektor).
Δt stellt die verstrichene Zeit dar.
Die Geschwindigkeit kann negativ sein, was bedeutet, dass sich das Objekt rückwärts bewegt. Es kann auch null sein, was bedeutet, dass sich das Objekt nicht bewegt.
Winkelgeschwindigkeitsformel
Zur Berechnung der durchschnittlichen Winkelgeschwindigkeit wird die folgende Formel verwendet:
ω = 2π/T
Wo,
ω ist die Winkelgeschwindigkeit im Bogenmaß pro Sekunde
T ist die Rotationsperiode in Sekunden (die Zeit, die das Objekt für eine vollständige Umdrehung benötigt)
π ist die PI-Konstante.
Unterschied zwischen Geschwindigkeit, Schnelligkeit und Geschwindigkeit
Die Geschwindigkeit gibt die Änderung der Position eines Objekts pro Zeiteinheit an. Die Positionsänderung wird durch die Differenz zweier Vektoren bestimmt, daher ist die Geschwindigkeit ein Vektor, der uns die Richtung des Objekts angibt.
Andererseits sind Geschwindigkeit und Geschwindigkeit zwei Synonyme und beziehen sich auf die physikalische Größe der Geschwindigkeit unabhängig von der Richtung. Die Geschwindigkeit gibt Auskunft über die Variation der pro Zeiteinheit zurückgelegten Distanz, wir haben jedoch keine Informationen über die Richtung und Position des Objekts.
Allerdings spricht man häufig von Geschwindigkeit und bezieht sich dabei auf die Schnelligkeit.
Beispiele für Geschwindigkeit
Bei einer gleichmäßigen geradlinigen Bewegung hat das Objekt eine konstante Geschwindigkeit und ändert seine Richtung nicht.
Bei einer gleichmäßig beschleunigten geradlinigen Bewegung ändert das Objekt seine Richtung nicht, aber seine Geschwindigkeit variiert, da es einer konstanten Beschleunigung ausgesetzt ist. In diesem Fall sind Anfangs- und Endgeschwindigkeit unterschiedlich.
Bei einer gleichmäßigen Kreisbewegung dreht sich das Objekt um eine Achse, erfährt jedoch keine Beschleunigung (weder Winkel- noch Tangentialbeschleunigung).
Bei einer gleichmäßig beschleunigten Kreisbewegung dreht sich das Objekt um eine Achse und erfährt dabei eine konstante Beschleunigung, die winkelförmig oder linear sein kann.
