Strukturierung der Mechanik im Fachbereich Physik
Strukturierung der Mechanik im Fachbereich Technische Mechanik
Die Kinematik () ist das Gebiet der Mechanik, in dem die Bewegung von Körpern rein geometrisch mit den Größen Ort, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung beschrieben wird. Unberücksichtigt bleiben die Kraft, die Masse der Körper und alle davon abgeleiteten Größen wie Impuls oder Energie. Es wird somit nur beschrieben, wie sich ein Körper bewegt, weshalb Kinematik auch als Bewegungslehre bezeichnet wird. Warum sich ein Körper bewegt, nämlich unter dem Einfluss von Kräften, ist Gegenstand der Kinetik.
Die Kinetik selbst ist ein Teilgebiet der Dynamik, die in der im Fachbereich Physik gebrauchten Strukturierung der Mechanik neben der Kinematik eingereiht ist. In der im Fachgebiet Technische Mechanik benutzten Strukturierung wird die Kinematik wie die Kinetik auch als Teilgebiet der Dynamik aufgefasst. Kinematik und Kinetik stehen dort gemeinsam auf der untersten Stufe.
Den Begriff der Kinematik prägte 1834 André-Marie Ampère.
Bezugssysteme und Koordinatensysteme Bezugssysteme bilden den physikalischen Rahmen, in dem eine Bewegung beschrieben wird. Koordinatensysteme sind mathematische Instrumente zu deren Beschreibung; sie finden aber auch außerhalb der Physik Anwendung. Die Lösung konkreter Problemstellungen beginnt in der Mechanik immer mit der Festlegung eines Bezugs- und Koordinatensystems.Torsten Fließbach: Mechanik – Lehrbuch zur Theoretischen Physik I. 7. Auflage. Springer, 2015, S. 2–8.
Bezugssysteme Die Größen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung hängen von der Wahl des Bezugssystems ab. Ein Beobachter an einem Bahnsteig nimmt einen einfahrenden Zug als bewegt wahr. Für einen Fahrgast des Zuges befindet sich der Zug jedoch in Ruhe. Von der Erde aus beobachtet scheint die Sonne um die unbewegte Erde zu kreisen. Vom Weltraum aus betrachtet ruht die Sonne, und die Erde bewegt sich. Die Beschreibung von Bewegungen ist grundsätzlich in allen Bezugssystemen möglich, die Beschreibung unterscheidet sich aber je nach Bezugssystem. Die Planetenbewegung ist beispielsweise mit einer ruhenden Sonne deutlich einfacher zu beschreiben.
Es wird unterschieden zwischen Ruhesystemen, bewegten und beschleunigten Bezugssystemen, wobei die beschleunigten ein Spezialfall der bewegten Bezugssysteme sind. Besondere Bedeutung haben die Inertialsysteme. Dies sind Bezugssysteme, die entweder ruhen oder sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig bewegen (keine Rotation und keine Beschleunigung), weil in Inertialsystemen das erste Newtonsche Gesetz gilt: Ein kräftefreier Körper bewegt sich dann mit konstanter Geschwindigkeit oder bleibt in Ruhe. In beschleunigten Bezugssystemen treten dagegen Scheinkräfte auf. Die Erde dreht sich um ihre eigene Achse und um die Sonne; sie bildet also kein Inertialsystem. Für die meisten praktischen Fragestellungen kann die Erde jedoch in guter Näherung als ruhend angesehen werden.
Im Rahmen der Klassischen Mechanik wird davon ausgegangen, dass jedem Körper zu jedem Zeitpunkt ein Ort zugewiesen werden kann. Im Rahmen der Quantenmechanik ist dies nicht mehr möglich. Dort können nur noch Aufenthaltswahrscheinlichkeiten angegeben werden. Außerdem wird in der Klassischen Mechanik davon ausgegangen, dass Körper eine beliebig hohe Geschwindigkeit erreichen können und dass die Zeit an jedem Ort unabhängig von der Bewegung gleich schnell vergeht. Beides ist in der Relativitätstheorie nicht erfüllt.
Koordinatensysteme mini|Polarkoordinaten Koordinatensysteme dienen zur mathematischen Beschreibung der Bezugssysteme. Meistens wird ein kartesisches Koordinatensystem genutzt, das aus Achsen besteht, die senkrecht aufeinander stehen. Besonders geeignet ist es zur Beschreibung geradliniger Bewegungen. Für Drehbewegungen in einer Ebene sind Polarkoordinaten gut geeignet, vor allem wenn der Ursprung der Mittelpunkt der Drehbewegung ist. Im dreidimensionalen Raum werden Zylinderkoordinaten oder Kugelkoordinaten genutzt. Wenn die Bewegung eines Fahrzeuges aus Sicht des Fahrers beschrieben werden soll, wird das begleitende Dreibein (natürliche Koordinaten)Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Mechanik 1 – Klassische Mechanik, Springer, 10. Auflage, 2013, S. 163. genutzt. Die verschiedenen Koordinatensysteme lassen sich umrechnen mit der Koordinatentransformation. Ein bestimmtes Bezugssystem kann also durch verschiedene Koordinatensysteme beschrieben werden.
Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind die drei zentralen Größen der Kinematik. Sie sind über die Zeit miteinander verbunden: Eine zeitliche Änderung des Ortes ist die Geschwindigkeit und eine zeitliche Änderung der Geschwindigkeit ist die Beschleunigung und eine zeitliche Änderung der Beschleunigung ist der Ruck. Die Begriffe Geschwindigkeit und Beschleunigung beziehen sich zu jedem Zeitpunkt auf eine gerade Richtung, diese Richtung kann sich aber ständig ändern. Für Drehbewegungen gibt es stattdessen den Drehwinkel, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung. Alle diese Größen sind Vektoren. Sie haben nicht nur einen Betrag, sondern auch eine Richtung.
Ort
Für den Ort eines punktförmigen Körpers sind zahlreiche Notationen gebräuchlich: Allgemein gebräuchlich ist für den Ortsvektor. Dieser zeigt vom Koordinatenursprung zum Punkt im Koordinatensystem an dem sich der Körper befindet. Bei kartesischen Koordinaten ist auch üblich, manchmal steht nur für die -Komponente des Ortsvektors. Wenn die Bahnkurve des Punktes bekannt ist, dann wird der Ort auch durch den zurückgelegten Weg entlang der Bahnkurve angegeben. Bei verallgemeinerten Koordinaten ist gebräuchlich. Da sich der Ort eines Punktes mit der Zeit ändert, sind auch die Schreibweisen oder gebräuchlich.
In diesen Notationen ist sorgfältig darauf zu achten, ob beispielsweise mit der Ort oder das Teilchen, das sich bei befindet, gemeint ist. Möglich ist hier, den betrachteten Gegenstand im Index anzugeben, wie in für den Ursprung eines Bezugssystems mit Ursprung in und den Ortsvektor eines Teilchens in diesem Bezugssystem, siehe #Kinematik des starren Körpers. In der Kontinuumsmechanik wird stattdessen die Bewegung oder Bewegungsfunktion eines Teilchens benutzt, um zwischen dem Ort und dem Teilchen zu unterscheiden.
Die Bewegung ordnet dem Teilchen zu jedem Zeitpunkt einen Ort zu und verkörpert sein Weg-Zeit-Gesetz. In kartesischen Koordinaten kann dieses mit obiger Einschränkung kurz durch die skalaren Funktionen , und dargestellt werden, die zu jedem Zeitpunkt die Komponenten des Ortsvektors des betrachteten Teilchens bilden:
wobei die Einheitsvektoren die Standardbasis des kartesischen Koordinatensystems darstellen. Im Folgenden wird letztere Kurznotation benutzt.
Geschwindigkeit
Die zeitliche Änderung des Ortes ist die Geschwindigkeit . Wenn sich der Ort eines Körpers während eines Zeitraumes um den Weg ändert, dann hat er während dieses Zeitraumes die mittlere Geschwindigkeit . Die Geschwindigkeit zu jedem beliebigen Zeitpunkt, die Momentangeschwindigkeit, ergibt sich aus der infinitesimal kleinen Änderung des Ortsvektors während des infinitesimal kleinen Zeitraumes : . Die Geschwindigkeit ist also die Ableitung des Ortes nach der Zeit und wird mit einem Punkt über dem Ortsvektor gekennzeichnet. In kartesischen Koordinaten hat der Geschwindigkeitsvektor die Komponenten , und , die den zeitlichen Ableitungen der Ortskoordinaten , und entsprechen:
Der Geschwindigkeitsvektor setzt sich zusammen aus seinem Betrag und dem normierten Richtungsvektor . Dieser Richtungsvektor stellt dabei einen momentanen Tangentialvektor zur Bahnkurve des Teilchens dar.
Beschleunigung
Die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit ist die Beschleunigung . Wenn sich die Geschwindigkeit eines Körpers während eines Zeitraumes um den Wert ändert, dann hat er die mittlere Beschleunigung
Die Beschleunigung zu jedem beliebigen Zeitpunkt ergibt sich aus der infinitesimal kleinen Änderung des Geschwindigkeitsvektors während des infinitesimal kleinen Zeitraumes : . Die Beschleunigung ist also die erste Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit und wird mit einem Punkt über dem Geschwindigkeitsvektor gekennzeichnet, sowie die zweite Ableitung des Ortes nach der Zeit und wird mit zwei Punkten über dem Ortsvektor gekennzeichnet. In kartesischen Koordinaten wird die Beschleunigung durch ihre Komponenten , und dargestellt, die sich als zweite Zeitableitung der Ortskomponenten , und ergeben:
Der Beschleunigungsvektor kann in zwei Komponenten aufgetrennt werden, die jeweils tangential und normal zur Bahnkurve gerichtet sind. Die Tangentialbeschleunigung beschreibt dabei die zeitliche Änderung der Geschwindigkeitsbetrages und bildet eine Tangente zur Bahnkurve:
Die Normalbeschleunigung hingegen beschreibt die zeitliche Änderung der Geschwindigkeitsrichtung und liefert ein Maß für die Krümmung der Bahnkurve:
wobei ein normierter Normalenvektor der Bahnkurve ist und den Krümmungsradius der Bahnkurve bezeichnet.
Ruck
Die zeitliche Änderung der Beschleunigung ist der Ruck . Wenn sich die Beschleunigung eines punktförmigen Körpers während eines Zeitraumes um den Wert ändert, dann hat er den mittleren Ruck
Der Ruck zu jedem beliebigen Zeitpunkt ergibt sich aus der infinitesimal kleinen Änderung des Beschleunigungsvektors während des infinitesimal kleinen Zeitraumes : . Der Ruck ist also die erste Ableitung der Beschleunigung nach der Zeit und wird mit zwei Punkten über dem Geschwindigkeitsvektor gekennzeichnet, sowie die dritte Ableitung des Ortes nach der Zeit und wird mit drei Punkten über dem Ortsvektor gekennzeichnet. In kartesischen Koordinaten wird der Ruck durch die Komponenten , und dargestellt:
Nach dieser Definition, die hauptsächlich in der Physik benutzt wird, wäre eine gleichförmige Kreisbewegung eine Bewegung mit konstantem Ruck. Im allgemeinen Sprachgebrauch und bei Anwendungen in der Technik ist das aber eine ruckfreie Bewegung. Der Beschleunigungsvektor wird daher in ein körperfestes Koordinatensystem transformiert und die Ableitung in diesem System durchgeführt. Man erhält für den Ruck im körperfesten System:
,
mit und der Transformationsmatrix vom körperfesten System ins Inertialsystem.
In dieser Definition ist z. B. der Querruck, der bei Schienenfahrzeugen eine große Rolle spielt, proportional zur Krümmungsänderung. Bei den verwendeten Trassierungselementen ist diese analytisch als Funktion des Wegs gegeben und kann für eine konkrete Geschwindigkeit in den Querruck umgerechnet werden.
Bewegungsarten, Freiheitsgrad und Zwangsbedingungen Bewegungen lassen sich nach zahlreichen Kriterien einteilen.Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Mechanik 2 – Analytische Mechanik, Springer, 9. Auflage, 2014, S. 3 f. Ein Sonderfall der Bewegung ist der Zustand der Ruhe mit Geschwindigkeit null. Grundlegend ist die Unterteilung in die Bewegung entlang einer Geraden, die auch Verschiebung oder Translation genannt wird und in die Drehung, Kreisbewegung oder Rotation.
Nach der Beschleunigung wird unterschieden zwischen Gleichförmige Bewegung (auch gleichförmige Drehbewegung) mit einer Beschleunigung und einer konstanten Geschwindigkeit. Bei der Drehbewegung ist der Betrag der Geschwindigkeit konstant und der Vektor der Winkelgeschwindigkeit behält seine Richtung bei, während sich die Richtung ständig ändert. mini|Gleichmäßig beschleunigte Bewegung mit Anfangsgeschwindigkeit und Anfangsweg null. Im Diagramm links ist vertikal der Weg aufgetragen, im mittleren Diagram die Geschwindigkeit und im rechten Diagramm die Beschleunigung; jeweils als Funktion der Zeit.