Einleitendes

Vorwissen: 1.1.1 Klassische Physik (Lerneinheit 1.1 Physik und Naturwissenschaft)

Vorwissen: 1.2.4 Vektorrechnung (Lerneinheit 1.2 Mathematische Grundlagen)

Die Mechanik behandelt die Bewegung von Körpern (Kinematik) und das Wirken von Kräften. Wenn die Kräfte keine Bewegungsänderung hervorrufen, z.B. im Inneren von Körpern, spricht man von Statik, andernfalls von Dynamik.

Für unsere Alltagswelt gilt die Newtonsche Mechanik. Sie versagt erst in der Beschreibung von Vorgängen auf atomarem und subatomarem Niveau oder auf der Skala riesiger Massen und Entfernungen. Dann kommen allgemeinere Theorien wie Quantenmechanik oder Relativitätstheorie ins Spiel. An den entsprechenden Stellen finden Sie hierzu kleine Exkurse.

Um die Beschreibung physikalischer Zusammenhänge verstehen zu können, werden Sie insbesondere auf Ihre Kenntnisse über die Eigenschaften und den Umgang mit Vektoren zurückgreifen müssen. Skalare Größen, bzw. Skalare sind z.B. die Masse m und die Energie E. Sie sind durch ihren Betrag¹⁾ (einen Zahlenwert und natürlich der physikalischen Einheit) vollständig definiert. Vektorielle Größen, bzw. Vektoren sind z.B. die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung a. Sie haben einen Betrag und eine Richtung und werden durch Pfeile dargestellt, wobei die Pfeillänge dem Betrag des Vektors entspricht. Um zu kennzeichnen, dass eine physikalische Größe - wie z.B. die Geschwindigkeit - ein Vektor ist, wird häufig ein Pfeil über dem Größensymbol angeordnet. Wird der Pfeil weggelassen, so ist nur der Betrag des Vektors gemeint.

Kennzeichnung von Vektoren:

Die Schreibweise für den Betrag des Vektorsist also:

|| = v

Wie schon die Überschrift vermuten lässt, kommt zu der Besprechung der physikalischen Phänomene noch deren Anwendung bei der Erschaffung virtueller Welten hinzu. Dies hat insbesondere für den Medieninformatiker eine große Bedeutung, denn einige von Ihnen werden sich später mit der Abbildung von Lebenswelten innerhalb von Computern, bzw. auf Computerbildschirmen befassen. Diese Welten werden von uns Menschen nur dann als besonders realitätsbezogen erlebt, wenn alle Abläufe gemäß der physikalischen Gesetze modelliert werden. In Highend Programmsystemen zur Erzeugung virtueller Welten für Kinofilme, Werbung, Produktpräsentationen, Spiele, etc. werden deshalb physikalische Modellierungswerkzeuge mit eingebaut. Auf diese mächtigen Werkzeuge kann und soll hier nicht eingegangen werden, zumal man dabei auch leicht den Kontakt zu den Grundlagen verliert. Hier wird Ihnen mit Hilfe der einfachen Szenenbeschreibungssprache VRML – auf niedrigstem Niveau – gezeigt, welches die Basis ist um diese virtuellen Welten erzeugen zu können, auf physikalischer und informatischer Ebene.

Kinematik

In der Kinematik werden Bewegungsabläufe und Bahnkurven beschrieben. Die Dynamik hingegen befasst sich mit den Ursachen von Bewegungen, den Kräften. Mit der Dynamik befassen sich die Lerneinheiten zum Thema Kraft und Masse.

Die Kinematik enthält viele wichtige grundlegende Themen, Größen und Definitionen, die später immer wieder benutzt werden.Wenn Sie der Meinung sind, dass Sie diese Themen schon beherrschen, dann können Sie sich über den folgenden Link eine Zusammenfassung und zu jedem der drei Lerneinheiten die vorgerechneten Aufgaben ansehen und dann entscheiden ob Sie das Unterkapitel Kinematik überspringen.

Ergänzung: Zusammenfassung der Kinematik

Kraft und Masse

Die Kinematik befasst sich mit der Frage, wie die Bahn eines bewegten Körpers aussieht und wie diese Bahn zeitlich durchlaufen wird. Der Teilbereich der Mechanik dagegen, der sich mit den Ursachen von Bewegung und von Bewegungsänderungen befasst, ist die Dynamik. Um sie geht es hier.

Arbeit, Energie, Impuls

Durch die Newtonschen Axiome ist das Verhältnis von Ursache und Wirkung in der Mechanik aufgeklärt. Durch die Einführung weiterer Begriffe und Größen läßt sich jedoch die Behandlung vieler Probleme erheblich vereinfachen.

Dynamik der Drehbewegung

Die Fragen zur Rotation wurden bereits im ersten Unterkapitel („Kinematik“) behandelt. Wie auch bei den linearen Bewegungen dann nach der Ursache für Bewegungsänderungen gefragt wurde (Unterkapitel „Kraft und Masse“) so sollen hier die Ursachen für die Änderungen bei Drehbewegungen aufgeklärt werden. Weiterhin gibt es eine Reihe von Phänomenen bei Drehbewegungen die bei Translationen nicht auftreten.

Flüssigkeiten und Gase

Materie kommt auf der Erde in den drei Aggregatzuständen (Phasen) fest, flüssig oder gasförmig vor. Die Phasen von Wasser zum Beispiel - Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf - kennen wir sehr gut aus der Alltagserfahrung. Da das mechanische Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen anders ist als bei einem Festkörper wollen wir hier einige Besonderheiten aufklären.

© 1999-2014, Prof. Dr. D. Hannemann, Gelsenkirchen