Grundlagen der Mechanik und Biomechanik: Ein Glossar

Grundlagen der Mechanik und Biomechanik

Grundbegriffe der Mechanik

Statik: Der Bereich der Mechanik, der Körper in Ruhe oder im Gleichgewicht infolge der auf sie wirkenden Kräfte untersucht.

Dynamik: Der Bereich der Mechanik, der Körper in Bewegung untersucht.

Kinematik: Die Lehre von den Beziehungen zwischen Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bei translatorischen oder rotatorischen Bewegungen, ohne die verursachenden Kräfte zu betrachten.

Kinetik: Untersucht Körper in Bewegung und die Kräfte, die diese Bewegungen verursachen.

Kräfte und ihre Eigenschaften

Kraft: Das Schieben oder Ziehen eines Körpers. Eine Kraft muss immer auf einen anderen Körper wirken und wird durch folgende Eigenschaften beschrieben:

• Betrag: Die skalare Größe, welche die Stärke der Kraft angibt.
• Wirkungslinie: Die Linie, auf der die Kraft wirkt.
• Richtung: Der Sinn, in dem die Kraft angewendet wird.
• Angriffspunkt: Der Punkt, an dem die Kraft auf den Körper aufgebracht wird.

Äußere Kräfte: Kräfte, die von außen auf einen Körper wirken, wie Schwerkraft, Luftwiderstand, Wasserwiderstand oder Trägheit.

Innere Kräfte: Der innere Widerstand eines Materials, der auf eine von außen angelegte Belastung reagiert.

Kräftesystem: Eine Gruppe von zwei oder mehr Kräften, die gleichzeitig auf einen Körper oder Punkt wirken. Jede einzelne Kraft wird als Komponente des Systems bezeichnet.

Weitere physikalische Grundgrößen

Materie: Alles, was einen Ort im Raum einnimmt. Die Menge an Materie wird als Masse bezeichnet.

Gewicht: Die Wirkung der Schwerkraft auf die Masse eines Körpers.

Druck: Das Verhältnis der senkrecht auf eine Fläche wirkenden Kraft zu dieser Fläche.

Skalar: Eine physikalische Größe, die nur durch einen Betrag definiert ist.

Vektor: Eine physikalische Größe, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung hat. Sie wird durch einen Pfeil dargestellt, dessen Länge proportional zum Betrag ist.

Die Newtonschen Gesetze

1. Newtonsches Gesetz (Trägheitsgesetz)

Jeder Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung, solange keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken, die diesen Zustand ändern.

2. Newtonsches Gesetz (Beschleunigungsgesetz)

Die Beschleunigung eines Körpers ist direkt proportional zur auf ihn wirkenden resultierenden Kraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse.

3. Newtonsches Gesetz (Wechselwirkungsgesetz)

Für jede Aktion (actio) gibt es eine gleich große, entgegengesetzte Reaktion (reactio). Kräfte treten immer paarweise auf.

Klassifikation von Bewegungen

Einteilung nach der Bewegungsbahn

• Lineare Bewegung (Translation): Alle Teilchen eines bewegten Körpers beschreiben parallele Bahnen. Man unterscheidet zwischen geradliniger und krummliniger Bewegung.
• Winkelbewegung (Rotation): Alle Teilchen eines bewegten Körpers beschreiben Kreisbahnen um eine gemeinsame Rotationsachse.
• Allgemeine Bewegung: Eine Kombination aus translatorischen und rotatorischen Bewegungen.

Einteilung nach der Geschwindigkeit

• Gleichförmige Bewegung: Die Geschwindigkeit bleibt über die Zeit konstant.
• Ungleichförmige Bewegung: Die Geschwindigkeit ändert sich im Zeitverlauf (Beschleunigung oder Verzögerung).

Analysewerkzeuge und wichtige Konzepte

Bezugssystem: Ein Koordinatensystem, das es ermöglicht, Berechnungen durchzuführen, um Positionsänderungen oder Verschiebungen des Körpers oder seiner Segmente zu bestimmen.

Freikörperbild: Eine vereinfachte Zeichnung eines Körpers, die alle auf ihn wirkenden äußeren Kräfte und Momente darstellt.

Massenschwerpunkt: Der fiktive Punkt, in dem die gesamte Masse eines Körpers konzentriert gedacht werden kann. Bei symmetrischen Körpern liegt er im geometrischen Zentrum, bei asymmetrischen Körpern ist er zum schwereren Ende hin verschoben.

Schwerpunkt: Der Punkt, an dem die resultierende Schwerkraft auf einen Körper wirkt. In einem homogenen Gravitationsfeld fällt er mit dem Massenschwerpunkt zusammen.

Hebel: Eine einfache Maschine, die dazu dient, eine Kraft (Last) durch eine andere Kraft (Kraftaufwand) auszugleichen oder zu bewegen, um eine vorteilhaftere Kraftanwendung zu ermöglichen.