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Grundlagen

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Einführung

Das Wort Mechanik kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Maschine" oder auch „Handwerkskunst". Die Mechanik ist eine der ältesten Lehren der Physik. Denn schon früh wollten die Menschen Bewegungen und Kräfte der Natur verstehen, um technischen Fortschritt zu bringen. So bauten die Menschen schon vor tausenden Jahren Pyramiden, Schiffe und mechanische Waffen wie das Katapult. Auch heutzutage braucht man die Mechanik, um Raketen in das Weltall zu schießen und man nutzt alte Entdeckungen wie den Flaschenzug und den Hebel.
Die Mechanik behandelt die Bewegungen von Körpern oder Massen durch den Raum und die Ursachen der Bewegung. Man kann die Mechanik in zwei Gebiete einteilen. Zum einen die Kinematik, die sich nur mit der Bewegung beschäftigt und zum anderen die Dynamik, die sich auch mit Bewegungsänderungen beschäftigt. Die Dynamik wurde maßgeblich vom englischen Naturwissenschaftler Isaac Newton geprägt, nach dem auch die Einheit der Kraft benannt wurde.

Kraft

Um eine Bewegung zu ändern, muss eine Kraft $F$ (vom Englischen „Force") wirken. Die Einheit der Kraft ist Newton:
$[F]=1\,\text{N}$
Eine Bewegungsänderung liegt immer dann vor, wenn sich entweder die Geschwindigkeit eines Körpers ändert. Er also langsamer oder schneller wird. Oder wenn sich die Richtung der Bewegung ändert, ein Körper sich demnach nicht mehr geradeaus bewegt, sondern eine Kurve macht.
Die Größe einer Kraft kann man mit einem Kraftmesser bestimmen. Dabei handelt es sich meist um eine Feder, an der eine Skala angebracht ist. Die wohl bekannteste Kraft ist die Schwerkraft. Sie ist von der Masse $m$ des Körpers abhängig.

Beispiel

Die Schwerkraft, die auf eine $100\,\text{g}$ Tafel Schokolade wirkt, ist knapp $1\,\text{N}$.
Abb. 1: Kraftmesser mit $100\,\text{g}$
Abb. 1: Kraftmesser mit $100\,\text{g}$
Bei diesem Kraftmesser entspricht jeder Strich $0,2\,\text{N}$. Es sind $5$ Striche zu sehen, somit wirkt eine Kraft von $1\,\text{N}$ auf die Masse von $100\,\text{g}$.

Arbeit

Mechanische Arbeit $W$ (vom Englischen „Work") ist die Energie, die aufgewendet wird, um eine Bewegung zu ändern. Man bestimmt sie, indem man die Kraft, die auf einen Körper in Bewegungsrichtung wirkt, mit der Strecke, auf der sie wirkt, multipliziert:
$W=F\cdot s$
Die Einheit der mechanischen Arbeit ist Joule oder auch Newtonmeter:
$[W]=1\,\text{J}=1 \,\text{Nm}$
Wirkt eine Kraft nicht in Bewegungsrichtung, sonder senkrecht dazu, wird keine mechanische Arbeit verrichtet.

Beispiele

Schiebst du ein Auto du mit einer Kraft von $100\,\text{N}$ entlang einer Strecke von $80\,\text{m}$, dann kannst du die mechanische Arbeit, die du aufgewendet hast, leicht berechnen:
$\begin{array}[t]{rll} W &=& F\cdot s \\[5pt] &=& 100\,\text{N} \cdot 80 \,\text{m} &= 8.000\,\text{J}\\[5pt] \end{array}$
Du hast eine mechanische Arbeit von $8.000\,\text{J}$ an dem Auto verrichtet. Die Energie ist jetzt als Bewegungsenergie im Auto.
Beim Kettenkarussell spürst du ständig eine Kraft, die dich nach außen drückt. Es wird jedoch keine mechanische Arbeit verrichtet, weil die Kraft immer senkrecht auf deine Bewegungsrichtung wirkt.

Leistung

Die Leistung $P$ (vom Englischen „Power") gibt an, welche mechanische Arbeit pro Zeitintervall aufgebracht wird:
$P=\dfrac{W}{t}=\dfrac{F\cdot s}{t}$
$P=\dfrac{W}{t}=\dfrac{F\cdot s}{t}$
Die Einheit der Leistung ist Watt $[P]=1\,\text{W}=1\,\frac{\text{J}}{\text{s}}$.

Beispiel

Schiebst du das Auto aus dem vorherigen Beispiel innerhalb von $40\,\text{s}$ entlang der Strecke, ist deine Leistung höher, als wenn du die gleiche Energie in $60\,\text{s}$ aufbringst. Das kannst du nachrechnen:
$\begin{array}[t]{rll} P&=&\dfrac{W}{t}\\[5pt] P_1&=&\dfrac{8.000\,\text{J}}{40\,\text{s}} &= 200\,\text{W}\\[5pt] P_2&=&\dfrac{8.000\,\text{J}}{60\,\text{s}} &\approx 133\,\text{W}\\[5pt] \end{array}$
Bildnachweise [nach oben]
[1]
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