Physikalische Grundlagen: Kräfte, Bewegung und Energie

Punkt 5: Kräfte und Wechselwirkungen

Eine Kraft ist eine Wechselwirkung zwischen zwei Systemen oder Körpern. Es gibt vier fundamentale Wechselwirkungen (Kräfte):

• Die Schwerkraft (Gravitation) ist die Kraft, die für das Gewicht von Körpern verantwortlich ist.
• Die elektromagnetische Kraft verursacht chemische Reaktionen.
• Die starke Kernkraft ist für die Stabilität von Atomkernen verantwortlich.
• Die schwache Kernkraft ist für den Zerfall von Atomkernen verantwortlich.

Die Gewichtskraft berechnet sich wie folgt:
P = m · g (Gewichtskraft = Masse · Erdbeschleunigung)

Punkt 6: Die Bewegung

Als Bewegung wird ein physikalisches Phänomen definiert, bei dem ein Körper oder ein System seine Position im Raum im Verhältnis zu einem Bezugssystem (Referenzsystem) verändert. Ein sich bewegender Körper beschreibt dabei einen Weg.

Der Weg (Die Flugbahn)

Der Weg ist die Gesamtheit aller aufeinanderfolgenden Positionen, die ein sich bewegender Körper einnimmt. Die Flugbahn hängt vom Bezugssystem ab, aus dem die Bewegung beobachtet wird (Standpunkt des Betrachters). Auch der gesamte Weg, den ein menschlicher Körper zurücklegen kann, wird so bezeichnet.

Die Verschiebung

Die Verschiebung entspricht dem direkten Abstand zwischen dem Anfangs- und dem Endpunkt einer Bewegung. Sie wird durch die Länge der geraden Linie dargestellt, die den Ausgangspunkt mit dem Endpunkt verbindet.

Die Richtung

Die Richtung ist der Winkel, den die Flugbahn mit einer gedachten, im Allgemeinen horizontalen Achse bildet.

Die Geschwindigkeit (Vektor)

Die Geschwindigkeit (Velocity) ist eine physikalische Vektorgröße, die die Positionsänderung eines Objekts pro Zeiteinheit beschreibt. In der Alltagssprache verwenden wir die Begriffe Tempo und Geschwindigkeit oft synonym. In der Physik müssen wir jedoch zwischen ihnen unterscheiden. Der Unterschied besteht darin, dass die Geschwindigkeit eine Richtung besitzt. Wenn wir sagen, dass ein Auto mit 60 km/h fährt, geben wir das Tempo an. Wenn wir sagen, dass sich ein Auto mit 60 km/h nach Norden bewegt, geben wir die Geschwindigkeit an. Das Tempo beschreibt, wie schnell sich ein Objekt bewegt; die Geschwindigkeit sagt uns, wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt.

Geschwindigkeit (Vektor) = Weg / Zeit

Das Tempo (Skalare Geschwindigkeit)

Das Tempo (oder die mittlere Geschwindigkeit) ist das Verhältnis zwischen der zurückgelegten Strecke und der dafür benötigten Zeit. Ein Auto kann beispielsweise eine Strecke mit einer Geschwindigkeit von 110 km/h zurücklegen. Das Tempo ist ein Maß dafür, wie schnell sich ein Objekt bewegt. Es drückt die Änderung der zurückgelegten Strecke pro Zeiteinheit aus. Daher wird das Tempo immer in einer Einheit der Entfernung geteilt durch eine Zeiteinheit gemessen (z. B. m/s oder km/h).

Tempo = Wegstrecke / Zeit

Die Beschleunigung

In der Physik ist die Beschleunigung eine Vektorgröße, die die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit angibt. Dies gilt sowohl für eine Geschwindigkeitszunahme als auch für eine Geschwindigkeitsabnahme. Beispielsweise können die Bremsen eines Autos eine starke Verzögerung (negative Beschleunigung) bewirken, also eine starke Verringerung der Geschwindigkeit pro Sekunde. Der Begriff Beschleunigung bezieht sich auch auf Richtungsänderungen. Wenn Sie eine Kurve mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50 km/h durchfahren, spüren Sie die Auswirkungen der Beschleunigung als Trägheitskraft, die Sie nach außen drückt. Obwohl das Tempo konstant bleibt, ändert sich die Geschwindigkeit, da sich Ihre Bewegungsrichtung in jedem Augenblick ändert. Sie beschleunigen also.

Beschleunigung = Geschwindigkeitsänderung / Zeit

Die Orientierung (Bewegungsrichtung)

Sie bestimmt, ob sich ein Körper nach rechts, links, oben, unten oder in eine andere Richtung bewegt, und legt somit die genaue Ausrichtung innerhalb einer vorgegebenen Richtung fest.

Die Energie

In der Physik ist Energie die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Sie manifestiert sich in physikalischen Vorgängen, beispielsweise indem sie ein Objekt bewegt (Transport), verformt oder erwärmt. Energie ist kein realer physikalischer Körper und keine „immaterielle Substanz“, sondern eine skalare Größe, die dem Zustand eines physikalischen Systems zugeordnet ist. Sie ist ein mathematisches Werkzeug zur Beschreibung von Systemeigenschaften. Beispielsweise hat ein ruhendes System eine kinetische Energie von null.

Die Energie wird in der Einheit Joule (J) gemessen.

Die Kraft

In der Physik ist die Kraft eine vektorielle Größe, die die Intensität des Austauschs von Impulsen zwischen zwei Teilchen oder Systemen misst (in der Teilchenphysik spricht man von Wechselwirkung). Nach der klassischen Definition ist eine Kraft jedes Mittel, das den Bewegungszustand oder die Form eines Körpers verändern kann.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Kraft in der Einheit Newton (N) gemessen.