Die klassische Mechanik ist ein grundlegender Zweig der Physik, der die Bewegung makroskopischer Objekte in der Welt um uns herum beschreibt. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Gesetzen und Prinzipien, die es uns ermöglichen zu verstehen, wie sich ruhende und bewegte Objekte verhalten, vom Apfel, der vom Baum fällt, bis hin zu den komplexen Bewegungen der Planeten im Sonnensystem.
Was sind die Zweige der klassischen Physik?
Die Hauptzweige der klassischen Physik sind:
-
Klassische Mechanik: Der Zweig der Physik untersucht die Bewegung von Körpern und die auf sie wirkenden Kräfte. Es umfasst Konzepte wie Newtons Gesetze, Kinematik und klassische Dynamik.
-
Klassische Strömungsmechanik: Sie befasst sich mit der Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten (Flüssigkeiten und Gasen) und den auf sie wirkenden Kräften. Besprechen Sie Themen wie Flüssigkeitsströmung, Druck, Viskosität und Aerodynamik.
-
Klassische Thermodynamik: Beschäftigt sich mit der Untersuchung von Prozessen, die Wärmeübertragung und Arbeit beinhalten. Die klassische Thermodynamik konzentriert sich auf makroskopische Systeme und die Grundgesetze für Energie, Temperatur und Entropie.
-
Klassischer Elektromagnetismus: Es handelt sich um die Untersuchung elektromagnetischer Wechselwirkungen, einschließlich Phänomenen wie Elektrizität, Magnetismus, elektromagnetischen Wellen und klassischer Optik. Es basiert auf den Maxwellschen Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und deren Wirkungen beschreiben.
-
Klassische Optik: Sie befasst sich mit der Untersuchung des Lichts und seines Verhaltens in Bezug auf Objekte und die Medien, in denen es sich ausbreitet. Beinhaltet Themen wie Reflexion, Brechung, Beugung und Bilderzeugung.
-
Wellen und Akustik: Dieser Zweig konzentriert sich auf die Untersuchung von Wellen, einschließlich Schallwellen und ihrer Ausbreitung in verschiedenen Medien. Es behandelt Themen wie Interferenz, Beugung, Resonanz und Überlagerung von Wellen.
Die Grundlagen der klassischen Mechanik:
Die klassische Mechanik ist ein grundlegender Zweig der Physik, der sich auf die Untersuchung der Bewegung von Objekten und der auf sie einwirkenden Kräfte konzentriert. Es handelt sich um eine Theorie, die auf den von Sir Isaac Newton im 17. Jahrhundert entwickelten Prinzipien basiert und seitdem in großem Umfang angewendet und untersucht wird.
Die klassische Mechanik bietet einen konzeptionellen und mathematischen Rahmen zur Beschreibung und Vorhersage des Verhaltens sich bewegender Objekte. Durch Konzepte wie Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft ermöglicht uns die klassische Mechanik zu verstehen, wie sich Objekte im Raum bewegen und wie sie auf die Kräfte reagieren, die auf sie einwirken.
Die Grundgesetze der klassischen Mechanik basieren auf den drei Newtonschen Gesetzen.
Newtons Gesetze
Newtons Gesetze sind die Grundpfeiler der klassischen Mechanik. Diese Gesetze beschreiben das Verhalten bewegter Objekte und die Beziehung zwischen den auf sie einwirkenden Kräften. Die drei Newtonschen Gesetze sind:
-
Newtons erstes Gesetz oder Trägheitsgesetz: Dieses Gesetz besagt, dass ein ruhendes Objekt in Ruhe bleibt und ein sich bewegendes Objekt sich weiterhin mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig bewegt, sofern keine äußere Kraft auf es einwirkt. Mit anderen Worten: Objekte neigen dazu, ihren Bewegungs- oder Ruhezustand beizubehalten, sofern keine Kraft auf sie ausgeübt wird. Dieses Konzept ist als Trägheitsprinzip bekannt.
-
Newtons zweites Gesetz oder Gesetz der Kraft und Beschleunigung: Dieses Gesetz besagt, dass die Beschleunigung eines Objekts direkt proportional zur auf es wirkenden Nettokraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse ist. Die Gleichung, die dieses Gesetz beschreibt, lautet F = ma, wobei F die Nettokraft darstellt, m die Masse des Objekts und m die Beschleunigung, die es erfährt.
-
Newtons drittes Gesetz oder Gesetz der Aktion und Reaktion: Nach diesem Gesetz gibt es für jede Aktion eine Reaktion gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Das heißt, wenn ein Objekt eine Kraft auf ein anderes ausübt, übt das zweite Objekt ebenfalls eine Kraft gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzter Richtung, auf das erste Objekt aus. Diese Kräfte werden als Aktions-Reaktionspaare bezeichnet.
Koordinatensystem und Vektoren
Um die Bewegung eines Objekts in der klassischen Mechanik zu beschreiben, müssen ein Koordinatensystem und Vektorkonzepte verwendet werden. Ein Koordinatensystem, beispielsweise das kartesische System, wird verwendet, um die Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum zu lokalisieren und zu beschreiben.
Vektoren sind mathematische Werkzeuge, die es uns ermöglichen, Größen darzustellen, die sowohl Größe als auch Richtung in den drei Dimensionen des Raums haben. In der klassischen Mechanik werden Vektoren verwendet, um die Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Objekts zu beschreiben.
Kinematik: die Bewegung von Objekten
Die Kinematik befasst sich mit der Untersuchung der Bewegung von Objekten, ohne die Ursachen zu berücksichtigen, die sie hervorrufen. Mithilfe der Kinematik können wir verstehen und vorhersagen, wie sich Objekte im Raum bewegen und wie sich ihre Position im Laufe der Zeit ändert.
Durch Konzepte wie Flugbahn, Verschiebung, Momentangeschwindigkeit und Beschleunigung können wir die Bewegung von Objekten genau quantifizieren und charakterisieren.
Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung
Unter Verschiebung versteht man die Positionsänderung eines Objekts relativ zu einem Referenzpunkt. Es wird durch einen Vektor dargestellt, der von der Anfangsposition zur Endposition verläuft. Die Verschiebung hat sowohl Größe (Entfernung) als auch Richtung.
Geschwindigkeit ist ein Maß dafür, wie schnell sich die Position eines Objekts in einem bestimmten Zeitintervall ändert. Sie wird berechnet, indem die Verschiebung durch die verstrichene Zeit dividiert wird. Geschwindigkeit ist ebenfalls ein Vektor, das heißt, sie hat Größe (Geschwindigkeit) und Richtung.
Die Beschleunigung stellt die Änderungsrate der Geschwindigkeit eines Objekts als Funktion der Zeit dar. Wie Weg und Geschwindigkeit ist auch die Beschleunigung ein Vektor und kann positiv (Beschleunigung in Bewegungsrichtung) oder negativ (Verzögerung oder Beschleunigung in entgegengesetzter Bewegungsrichtung) sein.
Gleichmäßige geradlinige Bewegung (MRU)
Im Kontext der klassischen Kinematik gibt es zwei Hauptbewegungsarten: gleichmäßige geradlinige Bewegung (MRU) und gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA).
Die MRU bezieht sich auf eine geradlinige Bewegung, bei der die Geschwindigkeit des Objekts konstant ist. Mit anderen Worten: Es gibt keine Beschleunigung in der MRU. Ein häufiges Beispiel für MRU ist ein Auto, das mit konstanter Geschwindigkeit auf einer geraden, freien Straße fährt.
Gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA)
Andererseits impliziert „Rectilinear Motion Uniformly Accelerated“ (MRUA) eine geradlinige Bewegung, bei der sich die Geschwindigkeit des Objekts aufgrund der konstanten Beschleunigung im Laufe der Zeit ständig ändert. Ein Beispiel für MRUA ist ein Auto, das in einer bestimmten Zeit aus dem Stand auf eine bestimmte Geschwindigkeit beschleunigt.
Bewegung in zwei und drei Dimensionen:
Neben der geradlinigen Bewegung umfasst die klassische Mechanik auch das Studium der Bewegung in zwei und drei Dimensionen. In diesem Fall bewegt sich ein Objekt in einer Ebene und kann Bewegungskomponenten sowohl auf der horizontalen (x) als auch der vertikalen (y) Achse haben. Bei dreidimensionalen Bewegungen erscheint eine dritte Achse (z), die die Tiefe angibt.
Die Bewegung kann entlang jeder Achse in verschiedene unabhängige Bewegungen zerlegt werden. Dies impliziert, dass die gleichen kinematischen Gleichungen auf jede Bewegungskomponente separat angewendet werden können. Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung in jede Richtung werden durch Vektorberechnungen bestimmt.
Dynamik: Bewegungsursachen
Die Dynamik ist der Zweig der klassischen Mechanik, der sich mit der Untersuchung der Bewegungsursachen von Objekten befasst. Im Gegensatz zur Kinematik, die sich auf die Beschreibung der Bewegungseigenschaften ohne Berücksichtigung von Kräften konzentriert, geht es in der Dynamik um das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Objekten und den auf sie wirkenden Kräften.
In der Dynamik wird die Bewegung von Objekten durch die oben genannten Newtonschen Gesetze bestimmt.
Anwendungsbeispiele der klassischen Mechanik
Die Theorie der klassischen Mechanik ist für die Berechnung bewegter Objekte in Bereichen wie dem Wirtschaftsingenieurwesen, der Automobilindustrie oder der Luftfahrt von entscheidender Bedeutung.
Hier einige typische Anwendungsbeispiele:
Parabolische Bewegung
Die klassische Mechanik wird häufig bei der Untersuchung der Projektilbewegung angewendet. Die parabolische Bewegung ist die Bewegung, die von einem Projektil erzeugt wird, das mit einer Neigung zur Horizontalen abgefeuert wird und aufgrund des Einflusses der Schwerkraft und des Luftwiderstands einer parabolischen Flugbahn folgt.
Durch die Anwendung der Konzepte der klassischen Kinematik und Dynamik ist es möglich, die Reichweite, maximale Höhe und Geschwindigkeit eines Projektils basierend auf seinem Abschusswinkel und seiner Anfangsgeschwindigkeit vorherzusagen und zu analysieren.
Diese Art der Analyse ist in Bereichen wie Ballistik und Sport von grundlegender Bedeutung (z. B. beim Parabelschuss beim Bogenschießen oder beim Werfen eines Balls bei Sportarten wie Fußball oder Basketball).
Kreisbewegung
Ein Beispiel der klassischen Mechanik ist das Studium der Kreisbewegung. Bei der gleichmäßigen Kreisbewegung (UCM) bewegt sich ein Objekt auf einer Kreisbahn mit konstanter Geschwindigkeit.
Diese Art von Bewegung findet sich in Naturphänomenen wie der Umlaufbahn der Planeten um die Sonne, der Bewegung der Räder eines Fahrzeugs oder auch in Vergnügungsparkattraktionen wie Riesenrädern.
Die MCU-Analyse umfasst Konzepte wie Winkelgeschwindigkeit, Periode (die Zeit, die für die Vollendung einer Umdrehung benötigt wird) und Zentripetalbeschleunigung, die auf den Mittelpunkt des Kreises gerichtet ist.
Universelles Gravitationsgesetz
Das von Isaac Newton formulierte universelle Gravitationsgesetz ist einer der wichtigsten Beiträge der klassischen Mechanik. Dieses Gesetz besagt, dass alle Objekte im Universum mit einer Kraft voneinander angezogen werden, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands, der sie trennt, ist.
Das universelle Gravitationsgesetz erklärt Phänomene wie fallende Objekte, die Bewegung der Planeten auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne und die gravitative Wechselwirkung zwischen Himmelskörpern. Außerdem können Sie damit die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten berechnen und vorhersagen, wie sich diese Kraft auf ihre Bewegungen auswirkt.
Das universelle Gravitationsgesetz ist in der Astronomie, Astrophysik und Weltraumforschung von wesentlicher Bedeutung, da es uns ermöglicht, die Bewegungen und Wechselwirkungen von Himmelskörpern im Universum zu verstehen und vorherzusagen.