Physik - Mechanik

griech.: „die Kunst, Maschinen zu bauen“

In normaler Luft wird die Vogelfeder durch den Luftwiderstand stärker beeinflusst als die Stahlkugel, was sie langsamer fallen lässt. In einem Vakuum, wo kein Luftwiderstand herrscht, fallen beide Körper gleich schnell.

In einem Fallturm wird eine Kabine im luftleeren Raum frei fallengelassen, sodass die auftretende Trägheitskraft die Gewichtskraft kompensiert. Dadurch entsteht kurzzeitig ein Zustand, der der Schwerelosigkeit entspricht.

In der Schwerelosigkeit können Effekte, die durch die Erdanziehung entstehen, ausgeschaltet werden. Zum Beispiel setzt sich in einer Flüssigkeit mit unterschiedlich schweren Teilchen auf der Erde die schwereren Teilchen schneller ab. In der Schwerelosigkeit passiert das nicht, was zu einer besseren Durchmischung führt.

Das Wasser bleibt im Glas und läuft nicht heraus, da sich das Glas und das Wasser gleichermaßen im freien Fall befinden. Die Trägheitskraft kompensiert die Gewichtskraft, sodass beide gleich schnell fallen.

Beim plötzlichen Abwärtsfahren wirkt eine Trägheitskraft nach oben, die das Gefühl verursacht, dass der Magen nach oben gedrückt wird. Dies ist ein kleiner Eindruck von Schwerelosigkeit.

1. Beim Beschleunigen nach unten zeigt die Waage weniger Gewicht an.

2. Bei konstanter Geschwindigkeit zeigt sie das normale Gewicht an.

3. Beim Bremsen zeigt sie ein höheres Gewicht an.

Die Gewichtskraft bleibt konstant, da weder die Masse des Körpers noch das Gravitationsfeld sich ändert. Die veränderte Anzeige der Waage ist auf die Trägheitskräfte während der Beschleunigung und Verzögerung zurückzuführen.

Trägheit ist das Bestreben eines Körpers, seinen Bewegungszustand beizubehalten. Eine Trägheitskraft tritt auf, wenn eine Kraft eine Bewegungsänderung verursacht. Diese wirkt immer entgegengesetzt zur Kraft, die die Bewegung ändert.

Im freien Fall heben sich Trägheitskraft und Gewichtskraft auf, wodurch ein Zustand der Schwerelosigkeit entsteht. Dies kann durch Experimente in einem Vakuum erreicht werden, wie z.B. im Fallturm in Bremen.

Die Feder erfährt in der Luft mehr Luftwiderstand aufgrund ihrer geringeren Masse, was ihre Beschleunigung verringert. Im Vakuum, wo keine Luftreibung vorhanden ist, fallen beide gleich schnell.

In der Schwerelosigkeit können Experimente durchgeführt werden, bei denen sich Teilchen in Flüssigkeiten gleichmäßig mischen, ohne dass sich die schwereren Teilchen schneller absetzen, wie es unter der Erdanziehungskraft der Fall wäre.

Während des freien Falls zeigt die Waage (fast) Null an, da sich sowohl der Gegenstand als auch die Waage und der Springer in einem Zustand der Schwerelosigkeit befinden.

Die Trägheitskraft wirkt entgegengesetzt zur Gewichtskraft, jedoch mit gleichem Betrag. Sie kompensiert die Gewichtskraft, sodass der Fallende sich schwerelos fühlt.

Der Versuch zeigt, dass im freien Fall das Wasser nicht aus dem Glas läuft, da sich Glas und Wasser gleich schnell bewegen. Dies verdeutlicht die Wirkung der Trägheit.

Der Versuch zeigt, dass bei Beschleunigung und Verzögerung im Aufzug Trägheitskräfte auftreten, die die Anzeige der Waage beeinflussen, obwohl die tatsächliche Gewichtskraft konstant bleibt.

Durch Auf- und Ab-Bewegen der Gegenstände treten Trägheitskräfte auf, die den Masseunterschied deutlicher machen. Der massereichere Gegenstand zeigt eine stärkere Reaktion.

Kraft lässt sich schwer eindeutig definieren. Sie wird oft durch ihre Auswirkungen beschrieben, wie z.B. das Verformen von Objekten oder das Ändern des Bewegungszustands (Beschleunigung, Abbremsen, Richtungsänderung). Wichtig:

1. Kraft bewirkt Verformung (elastisch oder plastisch)

2. Kraft bewirkt eine Änderung des Bewegungszustands (Beschleunigung oder Bremsen).

1. Elastische Verformung: Ein Körper kehrt nach der Krafteinwirkung in seine ursprüngliche Form zurück (z.B. Feder, Gummiband).

2. Plastische Verformung: Der Körper behält nach der Krafteinwirkung seine neue Form (z.B. Knetgummi).

Eine Änderung des Bewegungszustands beschreibt sowohl das Beschleunigen, Bremsen als auch das Ändern der Bewegungsrichtung eines Körpers. Dies kann sowohl bei ruhenden als auch bei bewegten Körpern auftreten.

Die Maßeinheit der Kraft ist das Newton (N), abgeleitet von dem Formelzeichen F (engl. "Force" = Kraft). 1 Newton entspricht ungefähr der Gewichtskraft, die auf einen Körper mit 100 g Masse wirkt.

Die Gewichtskraft eines Körpers ist die Kraft, die durch die Erdanziehung auf eine Masse wirkt. Sie beträgt auf der Erde etwa 9,81 N für eine Masse von 1 kg.

: Jede Kraft, die auf einen Körper wirkt, erzeugt eine gleich große, aber entgegengesetzte Gegenkraft. Dies beschreibt das Prinzip actio = reactio (Aktion = Reaktion) von Isaac Newton.

Wenn ein Körper in Ruhe ist, obwohl Kräfte auf ihn wirken (z.B. ein Apfel auf einem Tisch), sind diese Kräfte im Gleichgewicht. Die Gewichtskraft nach unten wird durch eine gleich große Gegenkraft (vom Tisch) nach oben ausgeglichen.

Im freien Fall scheint es keine Gegenkraft zu geben. Tatsächlich gibt es in diesem Zustand keine spürbare Gegenkraft, da der Körper und die Umgebung im Zustand der Schwerelosigkeit sind.

Trägheit der Masse bedeutet, dass jeder Körper seinen Bewegungszustand beibehalten will, egal ob er in Ruhe ist oder sich bewegt. Bei einer Änderung des Bewegungszustands (Beschleunigung oder Abbremsen) entsteht eine sogenannte Trägheitskraft, die der Richtung der Bewegung entgegenwirkt. Diese Trägheitskraft ist umso größer, je größer die Masse des Körpers ist.

Beim Starten nach unten zeigt die Waage weniger an, da die Trägheitskraft nach oben wirkt. Beim Abbremsen nach unten zeigt die Waage mehr an, da die Trägheitskraft nach unten wirkt. Beim Losfahren nach oben steigt die Anzeige, da die Trägheitskraft in Richtung Boden wirkt, während sie beim Abbremsen nach oben sinkt.

Wenn man zwei Körper, deren Gewichtskraft ähnlich ist, auf und ab bewegt, treten Trägheitskräfte auf. Diese Kräfte sind stärker bei dem Körper mit der größeren Masse, sodass man den Unterschied an der Bewegung spüren kann.

Schwerelosigkeit tritt auf, wenn die Gewichtskraft durch eine gleich große Trägheitskraft kompensiert wird, wie etwa beim freien Fall. Für den fallenden Beobachter scheint die Gewichtskraft zu verschwinden, und es entsteht das Gefühl der Schwerelosigkeit. In der Realität existiert die Gewichtskraft jedoch weiterhin.

Beim freien Fall wirken auf das Glas und das Wasser die gleiche Gewichtskraft und Trägheitskraft. Beide fallen mit derselben Geschwindigkeit, sodass das Wasser nicht aus dem Glas austritt.

Zusammengesetzte Größen entstehen durch Kombination der Grundgrößen der Mechanik, wie z. B. Länge, Zeit und Masse. Ein Beispiel ist die Geschwindigkeit, die sich aus der Länge (Weg) und der Zeit zusammensetzt.

Die Geschwindigkeit vvv eines Körpers ist der Quotient aus der zurückgelegten Strecke sss und der dafür benötigten Zeit v=s/t

Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter pro Sekunde m/s Ein weiterer gebräuchlicher Ausdruck ist Kilometer pro Stunde km/h

Formelzeichen werden kursiv geschrieben (z. B. s für die Strecke), während Einheiten gerade geschrieben werden (z. B. s für Sekunde).

uerst sollte die gesamte Rechnung mit den Formelzeichen durchgeführt werden, bevor die gegebenen Werte eingesetzt werden. Dies vermeidet Verwechslungen und Fehler.

Einheiten werden wie Zahlen behandelt. Sie können gekürzt, multipliziert oder dividiert werden. Eine Dimensionskontrolle hilft, die Richtigkeit der Einheiten im Endergebnis zu überprüfen.

Die Zeit t berechnet sich aus t = s/v = 100m /9,2m/s = 10,87 s

Man multipliziert 100 km/h mit 1000/3600 was 27,8 m/s sind

In einem Quadratmeter sind 10.000 cm enthalten, da sich die Fläche bei der Umrechnung von m in cm verhundertfacht.

1. Zähle die Anzahl der Stellen, die das Komma bei der Umrechnung von Längen verschoben wird. 2. Multipliziere dies mit dem Exponenten (bei Fläche mal 2, bei Volumen mal 3).

In Quarzuhren schwingt ein Quarzstab mit hoher Frequenz, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Diese Schwingungen werden gezählt und nach einer bestimmten Anzahl wird ein Impuls an den Sekundenzeiger abgegeben.

Die Sekunde wird durch die Schwingungen eines Caesium-133-Atoms definiert. Eine Sekunde entspricht 9.192.631.770 Schwingungen dieses Atoms.

Sie werden z. B. in Navigationssystemen wie GPS benötigt, um die Position eines Objekts präzise zu bestimmen, da Ungenauigkeiten in der Zeitmessung zu Fehlern in der Standortbestimmung führen würden.

Ein Messschieber ist ein Messinstrument mit einer Millimetereinteilung und einem Schieber, der es ermöglicht, Längen auf 0,1 mm genau zu messen. Dies erfolgt durch Ablesen der Übereinstimmung von Teilstrichen auf dem Nonius und der Millimeterskala.

Eine Mikrometerschraube ist ein Messwerkzeug, das Längen auf 0,01 mm genau misst. Durch Drehen einer Feingewindeschraube wird die Länge auf einer Skala und durch die Teilung des Schraubenumfangs abgelesen.

Ein Zeitpunkt ist der Moment, zu dem ein Ereignis stattfindet, z. B. 12:30 Uhr. Eine Zeitspanne beschreibt den Abstand zwischen zwei Zeitpunkten, z. B. die Dauer zwischen Anfang und Ende eines Ereignisses.

In der Physik ist der Zeitpunkt unwichtig, da es nur auf die Zeitspanne zwischen Anfang und Ende einer Messung ankommt, um ein Ergebnis zu erzielen.

Zeitspannen wurden durch astronomische Beobachtungen festgelegt, z. B. ein Jahr durch den Lauf der Sonne und ein Monat durch die Mondphasen.

Alle vier Jahre gibt es ein Schaltjahr, außer in Jahren, die durch 100 teilbar sind, es sei denn, sie sind auch durch 400 teilbar. Dadurch sind 1700, 1800 und 1900 keine Schaltjahre, 2000 hingegen schon.

Die Laufbahnen der Himmelskörper sind nicht konstant, wodurch Ungenauigkeiten entstehen. Der Fehler im Gregorianischen Kalender summiert sich beispielsweise erst nach 3.333 Jahren auf einen Tag.

Periodische Vorgänge sind Abläufe, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen, z. B. die Schwingung eines Pendels. Die Zeitspanne zwischen zwei identischen Zuständen nennt man Schwingungszeit

Die Schwingungsdauer eines Pendels hängt von der Erdanziehungskraft ab, die sich von Ort zu Ort verändert. Daher ist es keine präzise Methode für eine universelle Sekundendefinition.

Messen bedeutet, eine Größe mit einer festgelegten Maßeinheit zu vergleichen, um das Ergebnis als Zahlenwert mit der zugehörigen Einheit darzustellen. Ziel ist, dass jeder an jedem Ort zum gleichen Ergebnis kommt.

Ein Messergebnis muss angeben:

1. Was wurde gemessen?

2. Wie viel wurde gemessen?

Das Ergebnis einer Messung ergibt sich aus dem Vergleich der zu messenden Größe mit einer Maßeinheit. Der Zahlenwert vor der Maßeinheit gibt an, wie oft die zu messende Größe in der verwendeten Maßeinheit enthalten ist.

Vielfache oder Teile von Maßeinheiten werden genutzt, um zu große oder zu kleine Zahlen zu vermeiden. Zum Beispiel Kilometer für große Entfernungen oder Millimeter für kleine Strecken.

Maßeinheiten werden in Zehnerschritten unterteilt, wie z.B. Meter in Dezimeter (Zehntel), Zentimeter (Hundertstel) und Millimeter (Tausendstel).

Die Potenzschreibweise ist eine Methode, sehr große oder sehr kleine Dezimalzahlen durch das Produkt aus einer Dezimalzahl und einer Zehnerpotenz darzustellen, z.B. 2,345 × 10³ für 2345.

1. Kilo (k) = 10³

2. Milli (m) = 10⁻³

3. Mikro (µ) = 10⁻⁶

Die Definition von Grundgrößen ist notwendig, um ein einheitliches und übersichtliches System für alle physikalischen Messungen zu schaffen. So lassen sich alle anderen Größen auf wenige Grundeinheiten zurückführen.

Das SI-System (Système international d'unités) ist ein internationales Einheitensystem, das 7 Grundgrößen und ihre zugehörigen Einheiten umfasst. Alle anderen Einheiten lassen sich von diesen Grundgrößen ableiten.

1. Länge – Meter (m)

2. Masse – Kilogramm (kg)

3. Zeit – Sekunde (s)

4. Elektrische Stromstärke – Ampere (A)

5. Temperatur – Kelvin (K)

6. Beleuchtungsstärke – Candela (cd)

7. Stoffmenge – Mol (mol)

Einheiten wie Kalorie und PS (Pferdestärke) wurden durch Joule und Kilowatt ersetzt, um eine einheitlichere Beschreibung von Energie und Leistung zu ermöglichen.

Längenmaße wurden an den Gliedmaßen der Landesherren orientiert, z.B. ein Zoll als Daumendicke, eine Elle als Abstand von Mittelfingerspitze bis Ellenbogen und ein Klafter als Abstand zwischen ausgestreckten Armen.

1875 wurde auf einer internationalen Konferenz in Paris der Meter als einheitliche Basislänge eingeführt. Er sollte, wie das Klafter, zwischen zwei Hände passen und war groß genug für praktische Anwendungen.

Der Meter wurde ursprünglich als der zehnmillionste Teil der Strecke vom Nordpol bis zum Äquator festgelegt.

Der Urmeter ist ein Stab aus Edelmetall, der in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird. Er diente als Referenz für alle Längenmessungen.

Mit der Entwicklung der Mikrotechnologie entstand die Notwendigkeit, eine präzisere Meterdefinition zu erarbeiten, um sehr kleine Längenbruchteile mit hoher Genauigkeit zu messen.

Seit 1983 ist der Meter als die Strecke definiert, die das Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.

• fest

• flüssig

• gasförmig

Schmelzpunkt

Siedepunkt

Erstarrungstemperatur

Kondensation

0 Grad Celsius

100 Grad Celsius

327 Grad Celsius

1750 Grad Celsius

Minus 39 Grad Celsius

357 Grad Celsius

-210 Grad Celsius

-196 Grad Celsius

Im festen Zustand behalten alle Körper, falls keine äußeren Kräfte wirken, ihre Form. Sie sind nicht zusammendrückbar (inkompressibel). Es lässt sich also vermuten, dass die Bausteine in einer regelmäßigen, dichten Struktur angeordnet sind und sich bei Erwärmung ausdehnen.

Im flüssigen Zustand passt sich das jeweilige Material der Form des Behälters an. Es hat keine eigene äußere Form. Flüssigkeiten sind ebenfalls nicht kompressibel: Wenn Sie eine Injektionsspritze mit Wasser füllen und die Öffnung der Spritze verschließen, wird es Ihnen nicht gelingen, den Stempel der Spritze niederzudrücken. Dennoch muss zwischen den einzelnen Bausteinen noch „Platz“ sein: Wie ließe es sich sonst erklären, dass man in einem Glas Wasser eine recht erhebliche Menge Salz oder Zucker auflösen kann, ohne dass sich der Wasserspiegel hebt?

Die im gasförmigen Zustand vorliegenden Stoffe haben, ebenso wie Flüssigkeiten, keine eigene äußere Form. Sie sind aber, im Gegensatz zu den Flüssigkeiten, zusammendrückbar. Davon können Sie sich leicht überzeugen, indem Sie die Öffnung einer Fahrradluftpumpe verschließen: der Stempel lässt sich nun (gegen wachsenden Widerstand) einschieben. Zwischen den Bausteinen eines Stoffes scheint also im gasförmigen Zustand noch eine Menge „Platz“ zu sein, sonst ließe er sich nicht so leicht zusammendrücken.

Bei Erwärmung dehnt sich jeder Stoff aus, gleichgültig, in welchem Zustand er sich befindet.a

-273,14 Grad Celsius

Es gibt technologische Grenzen bei der Kühlung, da der absolute Nullpunkt (-273,15°C oder 0 Kelvin) nicht erreicht werden kann. Unsere heutigen Kühlsysteme sind nicht in der Lage, diese Temperatur zu erreichen oder zu halten.

• Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik kann der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden, weil die Entropie eines Systems am absoluten Nullpunkt minimal, aber nicht null ist. Es wäre unendlich viel Energie erforderlich, um diesen Zustand zu erreichen.

• Gasförmig: In einem gasförmigen Zustand sind die Teilchen weit voneinander entfernt und bewegen sich frei. Dadurch gibt es viel Raum zwischen den Teilchen, der durch Druck verringert werden kann, wodurch Gase leicht komprimierbar sind.