Physikalische Größen und Bewegungslehre

Physikalische Größen: Skalare und Vektoren

Physikalische Größen sind Eigenschaften der Materie, die gemessen werden können.

Skalare Größen

Skalare Größen sind nur mit einer Zahl und der entsprechenden Einheit definiert. Beispiele hierfür sind Temperatur, Masse, Länge und Druck.

Vektorielle Größen

Vektorielle Größen benötigen zur Definition neben dem Betrag und der Einheit auch eine Richtung. Beispiele hierfür sind Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft und Impuls.

Elemente eines Vektors

• Betrag: Der numerische Wert der Größe.
• Richtung: Die Gerade, zu der der Vektor gehört.
• Orientierung: Die Richtung des Pfeils des Vektors.
• Anwendungspunkt: Der Ursprung des Vektors.

Grundlegende Größen

Grundlegende Größen werden willkürlich gewählt und nicht durch andere Größen definiert.

Bezugssysteme und Bewegung

Bezugssysteme

Ein Bezugssystem wird durch ein Koordinatensystem zur Bestimmung von Positionen und eine Uhr zur Messung der Zeit definiert.

Ein Bezugssystem wird als Inertialsystem bezeichnet, wenn es sich relativ zu einem anderen Bezugssystem in Ruhe befindet oder sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig bewegt. In einem Inertialsystem gelten die Newtonschen Gesetze.

Variablen der Bewegung

• Position: Der Vektor, der den Ursprung des Bezugssystems mit dem Ort des Objekts zu jedem Zeitpunkt verbindet.
• Bahn: Der Weg, den das Objekt zurücklegt.
• Verschiebung: Der Vektor, der die Positionen des Objekts zu zwei verschiedenen Zeitpunkten verbindet.
• Zurückgelegte Strecke: Die Länge der Bahn. Die zurückgelegte Strecke entspricht nur dann dem Betrag des Verschiebungsvektors, wenn die Bewegung geradlinig ist und keine Richtungsänderungen während der Bewegung stattfinden.

Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit ist eine Größe, die angibt, wie schnell sich die Position eines Objekts ändert.

Durchschnittsgeschwindigkeit

Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist eine vektorielle Größe und hat die gleiche Richtung wie der Verschiebungsvektor.

Beschleunigung

Die Beschleunigung ist eine Größe, die angibt, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Objekts ändert.

Durchschnittliche Beschleunigung

Die durchschnittliche Beschleunigung ist eine vektorielle Größe mit der gleichen Richtung wie die Geschwindigkeitsänderung.

Wirkung von Kräften und die Newtonschen Gesetze

Wirkung von Kräften

• Verformung von Körpern.
• Änderung des Bewegungszustands von Körpern.

Die Newtonschen Gesetze (Prinzipien der Dynamik)

"Kräfte sind die Ursache von Bewegungsänderungen und nicht von Bewegungen selbst. Daher sind Kräfte mit der Beschleunigung und nicht mit der Geschwindigkeit verbunden." Um zu zeigen, dass Kräfte wirken, müssen mindestens zwei Körper vorhanden sein. Der Begriff der Kraft ist eng mit der Wechselwirkung zwischen zwei Körpern verbunden.

1. Newtonsches Gesetz (Trägheitsprinzip)

Ein kräftefreier Körper, d. h. ein Körper, auf den keine Kraft wirkt oder auf den die Summe der wirkenden Kräfte null ist, befindet sich in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig.

2. Newtonsches Gesetz (Grundgesetz der Dynamik)

Die resultierende Kraft, die auf einen Körper wirkt, ist gleich dem Produkt aus seiner Masse und der Beschleunigung, die ihm mitgeteilt wird: F_gesamt = m * a

3. Newtonsches Gesetz (Wechselwirkungsprinzip)

Wenn ein Körper eine Kraft auf einen anderen Körper ausübt (Aktion), dann übt der zweite Körper eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft auf den ersten Körper aus (Reaktion). F₁ = -F₂

Gleitreibungskräfte

Gleitreibungskräfte wirken entgegen der Bewegung eines Körpers, der über einen anderen Körper gleitet. Ursachen hierfür sind:

• Rauheit der Oberflächen.
• Kohäsions- und Adhäsionskräfte zwischen den Atomen und Molekülen der sich berührenden Körper.

Eigenschaften der Gleitreibungskräfte:

• Sie sind parallel zur Gleitfläche.
• Sie wirken der Bewegungsrichtung des Körpers entgegen.
• Sie sind direkt proportional zu den Normalkräften N. Die Normalkräfte sind senkrecht zur Kontaktfläche und halten den Körper auf der Oberfläche.