Grundlagen der klassischen Mechanik und Energie

Grundlagen der klassischen Mechanik

Aristoteles dachte, je höher die Masse eines fallenden Körpers, desto schneller fällt er. Galilei widersprach dem. Kraft ist das Maß für die Wechselwirkung zwischen Körpern in Berührung und auf Distanz.

Die Newtonschen Gesetze

Kräfte sind mit einem Kraftmesser messbar. Der dritte Grundsatz der Dynamik besagt: Wenn zwei Körper interagieren, ist die Kraft, die auf den ersten Körper ausgeübt wird, gleich und entgegengesetzt zu der Kraft, die auf den zweiten Körper ausgeübt wird. Diese Kräfte werden häufig als Aktion und Reaktion bezeichnet.

Das erste Newtonsche Gesetz besagt: Wenn auf einen Körper keine Kraft einwirkt oder die Gesamtkraft Null ist, behält der Körper seinen Bewegungszustand bei. Das bedeutet: Wenn er ruht, bleibt er in Ruhe; wenn er sich bewegt, setzt er seine Bewegung in einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung fort.

Das zweite Newtonsche Gesetz besagt: Wenn die auf einen Körper wirkende Gesamtkraft nicht gleich Null ist, erfährt der Körper eine Beschleunigung. Die Beschleunigung ist direkt proportional zur Kraft und umgekehrt proportional zur Masse.

Masse, Gewicht und Gravitation

• Masse: Eine Eigenschaft eines Körpers, gemessen im Vergleich zu anderen Massen. Die SI-Einheit ist das Kilogramm (kg).
• Gewicht: Eine Gravitationskraft. Es ist das Maß für die Anziehungskraft zwischen einem Körper und der Erde oder anderen Himmelskörpern. Die Einheit ist das Newton (N).

Das Gesetz der universellen Gravitation besagt: Zwei Körper der Massen m₁ und m₂, getrennt durch einen Abstand d, ziehen sich mit einer Kraft an, die proportional zum Produkt dieser Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen ist.

Archimedes und der Druck

Das Archimedische Prinzip besagt: Jeder Körper, der in eine Flüssigkeit (wie Wasser) eingetaucht wird, erfährt eine senkrecht nach oben gerichtete Kraft, den sogenannten Auftrieb. Der Wert entspricht dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit.

Der Druck wird in der SI-Einheit Pascal (Pa) gemessen. Es gilt: p_Luft = 13.600 · 0,76 · 9,8 = 101.292,8 Pa. Dabei entspricht 1 mbar = 100 Pa.

Energie und Arbeit

Energie ist die Fähigkeit eines Körpers, Wandlungen und Veränderungen in sich selbst oder in seiner Umgebung zu verursachen. Energie kann gespeichert, abgebaut, übertragen oder als Wärme und Arbeit weitergegeben werden.

Das Prinzip der Energieerhaltung besagt: Bei Energieumwandlungen ändert Energie ihre Form, aber der Gesamtbetrag bleibt immer gleich.

• Wärme: Ein Maß für die Energie, die zwischen zwei Körpern oder Systemen mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird.
• Arbeit: In der Wissenschaft ein Weg der Energieübertragung zwischen Körpern durch wirkende Kräfte und Verschiebungen.
• Leistung: Ein Maß für die Effizienz der Energieübertragung.