Grundlagen der Mechanik: Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft
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Geschwindigkeit und Bewegung
Momentane Durchschnittsgeschwindigkeit
Die momentane Durchschnittsgeschwindigkeit wird zu jedem Zeitpunkt ermittelt. Man erhält sie, indem man die zurückgelegte Strecke (Raum) durch die dafür benötigte Zeit teilt. Geschwindigkeit und der Betrag der linearen Geschwindigkeit sind identisch.
Die Geschwindigkeit wird in m/s oder km/h gemessen.
Sie wird in einem Diagramm dargestellt, wobei die Strecke (der Raum, in dem sich das bewegende Objekt befindet) auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse platziert wird.
Beschleunigung
Die Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit einer Bewegung pro Zeiteinheit. Die Beschleunigung kann die Richtung oder den Betrag der Geschwindigkeit eines Objekts beeinflussen.
Die Beschleunigung wird in m/s² (Meter pro Sekunde im Quadrat) gemessen.
Sie kann grafisch dargestellt werden, indem die Geschwindigkeit auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse platziert wird.
Formel und Erdbeschleunigung
Die Formel zur Berechnung der Beschleunigung (a) lautet: a = (vf - vi) / t (wobei vf die Endgeschwindigkeit und vi die Anfangsgeschwindigkeit ist).
Wenn sich ein Körper im freien Fall bewegt, beträgt der Wert der Erdbeschleunigung 9,8 m/s².
3. Kraft und Geschwindigkeitsänderungen
3.1 Wechselwirkungen und Verformung
Wenn ein Körper seine Geschwindigkeit ändert oder sich verformt, bedeutet dies, dass eine Kraft auf den Körper einwirkt. Kraft ist eine vektorielle Größe.
3.2 Resultierende Kraft
Ein Körper kann gleichzeitig von mehreren Kräften beeinflusst werden. Die Summe dieser Kräfte ergibt die resultierende Kraft.
3.3 Mechanisches Gleichgewicht und Bewegung
Ein Körper befindet sich im mechanischen Gleichgewicht, wenn die resultierende Kraft (die Summe aller an diesem Punkt wirkenden Kräfte) gleich Null ist. In diesem Zustand behält der Körper seine Geschwindigkeit bei (entweder Null oder konstante Geschwindigkeit).
4. Symmetrische Wechselwirkungen (Aktion und Reaktion)
Kräfte treten fast immer paarweise auf. Wenn ein Objekt ein anderes zieht oder stößt, übt das zweite Objekt ebenfalls eine Kraft auf das erste aus.
Die Kräfte, die zwischen zwei Objekten entstehen, werden Aktions- und Reaktionskräfte genannt.
- Die Kräfte sind gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet.
- Sie können sich nicht gegenseitig aufheben, da sie auf verschiedenen Körpern ausgeübt werden.
- Die Wechselwirkung zwischen zwei Körpern führt zu zwei entgegengesetzten, gleich großen Kräften.
4.1 Masse, Beschleunigung und die Einheit Newton
Die Erde zieht uns an (Gravitation), und wir fallen, wenn wir springen. Dies liegt an der Masse. Wir ziehen die Erde ebenfalls an, aber da unsere Masse viel kleiner ist als die der Erde, erfahren wir die größere Beschleunigung.
Die Einheit Newton (N) ist definiert als die Kraft, die erforderlich ist, um einem Körper der Masse 1 kg eine Beschleunigung von 1 m/s² zu verleihen.