Grundlagen der Physik: Bewegung, Kräfte und Energie
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Grundlagen der Kinematik
Gleichförmige Geradlinige Bewegung (MRU)
Die Lehre der gleichförmigen geradlinigen Bewegung (MRU) besagt, dass der Geschwindigkeitsvektor konstant bleibt. Das heißt, die Geschwindigkeit ist sowohl in Betrag als auch in Richtung konstant.
Gleichmäßig Beschleunigte Geradlinige Bewegung (MRUA)
Die gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegung (MRUA) beschreibt einen Körper, der sich auf einer geraden Linie mit konstanter Beschleunigung bewegt.
Gleichförmige Kreisbewegung (DCU)
Die gleichförmige Kreisbewegung (DCU) ist eine Bewegung, bei der sich ein Körper auf einer Kreisbahn mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt.
Gleichmäßig Beschleunigte Kreisbewegung (MCUA)
Die gleichmäßig beschleunigte Kreisbewegung (MCUA) ist eine Bewegung, bei der sich ein Körper auf einer Kreisbahn mit konstanter Winkelbeschleunigung bewegt.
Newtons Gesetze der Bewegung
1. Newtonsches Gesetz: Trägheitsgesetz
Das 1. Newtonsche Gesetz (Trägheitsgesetz) besagt: Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen geradlinigen Bewegung (MRU), solange keine äußere Kraft auf ihn einwirkt oder die Resultierende aller Kräfte Null ist.
2. Newtonsches Gesetz: Grundgesetz der Dynamik
Das 2. Newtonsche Gesetz (Aktionsprinzip/Grundgesetz der Dynamik) besagt: Wirkt eine resultierende Kraft auf einen Körper, so erfährt dieser eine Beschleunigung, die direkt proportional zur einwirkenden Kraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse ist. Die Masse ist dabei die Proportionalitätskonstante.
3. Newtonsches Gesetz: Aktions- und Reaktionsprinzip
Das 3. Newtonsche Gesetz (Aktions- und Reaktionsprinzip) besagt: Übt ein Körper A eine Kraft FAB auf einen Körper B aus, so übt Körper B gleichzeitig eine gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft FBA auf Körper A aus. Es gilt: FAB = -FBA.
Impuls und Kraftstoß
Der Impuls (oder die Bewegungsgröße) eines Körpers ist das Produkt aus seiner Masse und seiner Geschwindigkeit.
Die Resultierende aller auf einen Körper wirkenden Kräfte ist gleich der Änderungsrate seines Impulses über das Zeitintervall.
Der Kraftstoß ist das Produkt aus einer Kraft und der Zeit, über die sie wirkt.
Der Kraftstoß, der auf einen Körper wirkt, ist gleich der Änderung des Impulses des Körpers (Impuls-Kraftstoß-Theorem).
Wenn die Resultierende aller äußeren Kräfte auf ein System gleich Null ist, bleibt der Gesamtimpuls des Systems konstant (Impulserhaltungssatz).
Spezielle Kräfte
Normalkraft
Die Normalkraft ist die Kraft, die von einer Auflagefläche senkrecht auf einen Körper ausgeübt wird.
Reibungskraft
Die Reibungskraft ist die Kraft, die an der Kontaktfläche zwischen zwei Körpern wirkt und der relativen Bewegung entgegenwirkt.
Zentripetalkraft
Die Zentripetalkraft ist die Kraft, die auf einen Körper wirken muss, damit er einer Kreisbahn folgt.
Energie und Arbeit
Was ist Energie?
Energie ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Systems beschreibt, Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben, und somit Veränderungen an sich selbst oder anderen Systemen zu bewirken.
Energiequellen
Energiequellen sind verschiedene Ressourcen, die in der Natur vorkommen und aus denen Menschen nutzbare Energie für ihre Aktivitäten gewinnen können.
Arbeit
Die Arbeit einer konstanten Kraft, deren Angriffspunkt sich auf einer geraden Linie bewegt, ist gleich dem Skalarprodukt aus Kraftvektor und Wegvektor.
Ein Joule (J) ist die Arbeit, die verrichtet wird, wenn eine Kraft von einem Newton (N) ihren Angriffspunkt um einen Meter (m) in Richtung der Kraft bewegt.
Die Gesamtarbeit, die an einem Körper verrichtet wird, ist gleich der Summe der Arbeiten jeder einzelnen auf den Körper einwirkenden Kraft.
Kinetische und Potentielle Energie
Die kinetische Energie ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt und die Fähigkeit hat, Arbeit zu verrichten.
Die Arbeit, die von der resultierenden Kraft an einem Körper verrichtet wird, ist gleich der Änderung seiner kinetischen Energie (Arbeit-Energie-Theorem).
Die potentielle Energie (oder Lageenergie) ist die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Position, insbesondere seiner Höhe über einer Bezugsfläche, besitzt.
Mechanische Energie und Energieerhaltung
Die mechanische Energie eines Körpers ist die Summe seiner kinetischen und potentiellen Energie.
Wenn die einzigen Kräfte, die Arbeit an einem Objekt verrichten, konservative Kräfte sind, bleibt die mechanische Energie des Körpers konstant (Energieerhaltungssatz).