Klassische Mechanik

Die klassische Mechanik ist der Teil der Physik, der beschreibt, wie sich alltägliche Dinge bewegen und wie sich ihre Bewegung aufgrund von Kräften verändert. Wenn wir wissen, wie sich die Dinge jetzt bewegen, können wir mit Hilfe der klassischen Mechanik vorhersagen, wie sie sich in der Zukunft bewegen werden und wie sie sich in der Vergangenheit bewegt haben. Mit Hilfe der klassischen Mechanik können wir vorhersagen, wie sich Dinge wie Planeten und Raketen bewegen.

Die Mechanik besteht aus zwei Teilen. Die beiden Teile sind die klassische Mechanik und die Quantenmechanik. Die klassische Mechanik wird die meiste Zeit für die meisten Dinge verwendet, die wir sehen können und die sich nicht zu schnell bewegen. Wenn die Dinge zu klein sind, ist die klassische Mechanik nicht gut. Dann müssen wir die Quantenmechanik verwenden.

Die drei Newtonschen Gesetze

Die drei Newtonschen Bewegungsgesetze sind für die klassische Mechanik wichtig. Isaac Newton hat sie entdeckt. Die Newton'schen Gesetze sagen uns, wie Kräfte die Bewegung von Dingen verändern, aber sie sagen nicht, was die Kräfte verursacht.

Das erste Gesetz besagt, dass Dinge, die sich nicht bewegen, auch dann nicht in Bewegung bleiben, wenn es keine äußere Kraft (Druck oder Zug) gibt, und dass Dinge, die sich bewegen, in gleicher Weise in Bewegung bleiben. Früher glaubten die Menschen, dass sich die Dinge verlangsamen und aufhören würden, sich zu bewegen, auch wenn es keine Kraft gibt, die sie zum Anhalten bringt. Newton sagte, dies sei falsch. Oft sagt man: "Objekte, die sich nicht bewegen, neigen dazu, unbeweglich zu bleiben, und Objekte, die sich bewegen, neigen dazu, in Bewegung zu bleiben, es sei denn, auf sie wirkt eine äußere Kraft, wie Schwerkraft, Reibung usw., ein.

Das zweite Gesetz besagt, wie sehr eine Kraft verändert, wie sich eine Sache bewegt. Wenn auf ein Objekt eine äußere Netzkraft wirkt, ändert sich seine Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung). Wie schnell sich die Geschwindigkeit ändert, wird als Beschleunigung bezeichnet. Das zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass größere Kräfte mehr Beschleunigung erzeugen. Aber Objekte, in denen sich viel Zeugs (Masse) befindet, sind schwieriger zu schieben, so dass sie nicht so stark beschleunigt werden. Eine andere Art, dies zu sagen, ist, dass die Nettokraft auf ein Objekt gleich der Änderungsgeschwindigkeit seines Impulses ist. Der Impuls misst, wie viel Masse in einem Ding ist, wie schnell es sich bewegt und in welche Richtung es sich bewegt. Kräfte ändern also den Impuls, aber wie sehr sie die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung ändern können, hängt immer noch von der Masse ab.

Das dritte Gesetz besagt, dass, wenn eine Sache eine Kraft auf eine andere Sache ausübt, die zweite Sache auch eine Kraft auf die erste Sache ausübt. Die zweite Kraft ist gleich groß wie die erste Kraft. Die Kräfte wirken in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie zum Beispiel vorwärts von einem Boot springen, bewegt sich das Boot rückwärts. Damit Sie vorwärts springen können, muss das Boot Sie nach vorne schieben. Das dritte Newtonsche Gesetz besagt, dass das Boot, um Sie vorwärts zu schieben, Sie das Boot rückwärts schieben müssen, damit Sie vorwärts springen können. Oft sagt man: Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

Eine Seite aus Newtons Buch über die drei Gesetze der BewegungZoom
Eine Seite aus Newtons Buch über die drei Gesetze der Bewegung

Kinematische Gleichungen

In der Physik ist die Kinematik der Teil der klassischen Mechanik, der die Bewegung von Objekten erklärt, ohne darauf zu achten, was die Bewegung verursacht oder worauf die Bewegung wirkt.

1-dimensionale Kinematik

1-Dimensionale (1D) Kinematik wird nur dann verwendet, wenn sich ein Objekt in eine Richtung bewegt: entweder Seite an Seite (von links nach rechts) oder nach oben und unten. Es gibt Gleichungen mit kann verwendet werden, um Probleme zu lösen, die Bewegung in nur 1 Dimension oder Richtung haben. Diese Gleichungen stammen aus den Definitionen von Geschwindigkeit, Beschleunigung und Entfernung.

  1. Die erste kinematische 1D-Gleichung befasst sich mit Beschleunigung und Geschwindigkeit. Wenn sich Beschleunigung und Geschwindigkeit nicht ändern. (Entfernung muss nicht berücksichtigt werden)

Gleichung: V f = v i + a t {\Anzeigeart V_{f}=v_{i}+at} {\displaystyle V_{f}=v_{i}+at}

Vf ist die Endgeschwindigkeit.

vi ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit

a ist die Beschleunigung

t ist die Zeit - wie lange das Objekt beschleunigt wurde.

  1. Die zweite kinematische 1D-Gleichung findet die bewegte Distanz, indem sie die durchschnittliche Geschwindigkeit und die Zeit verwendet. (Die Beschleunigung muss nicht berücksichtigt werden)

Gleichung: x = ( ( ( V f + V i ) / 2 ) t {\Anzeigeart x=((V_{f}+V_{i})/2)t} {\displaystyle x=((V_{f}+V_{i})/2)t}

x ist der bewegte Abstand.

Vf ist die Endgeschwindigkeit.

vi ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit

t ist Zeit

  1. Die dritte kinematische 1D-Gleichung findet die zurückgelegte Entfernung, während das Objekt beschleunigt wird. Sie befasst sich mit Geschwindigkeit, Beschleunigung, Zeit und Entfernung. (Die Endgeschwindigkeit muss nicht berücksichtigt werden)

Gleichung: X f = x i + v i t + ( 1 / 2 ) a t 2 {\Anzeigeart X_{f}=x_{i}+v_{i}t+(1/2)at^{2}}} {\displaystyle X_{f}=x_{i}+v_{i}t+(1/2)at^{2}}

X f {\Anzeigestil X_{f}}{\displaystyle X_{f}} ist die letzte bewegte Strecke

xi ist die Start- oder Anfangsstrecke

vi ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit

a ist die Beschleunigung

t ist Zeit

  1. Die vierte kinematische 1D-Gleichung findet die Endgeschwindigkeit unter Verwendung der Anfangsgeschwindigkeit, der Beschleunigung und der zurückgelegten Strecke. (Zeit muss nicht berücksichtigt werden)

Gleichung: V f 2 = v i 2 + 2 a x {\Anzeigeart V_{f}^{2}=v_{i}^{2}+2ax} {\displaystyle V_{f}^{2}=v_{i}^{2}+2ax}

Vf ist die Endgeschwindigkeit

vi ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit

a ist die Beschleunigung

x ist der bewegte Abstand

2-Dimensionale Kinematik

Die 2-dimensionale Kinematik wird verwendet, wenn die Bewegung sowohl in x-Richtung (von links nach rechts) als auch in y-Richtung (nach oben und unten) erfolgt. Es gibt auch Gleichungen für diese Art von Kinematik. Es gibt jedoch unterschiedliche Gleichungen für die x-Richtung und unterschiedliche Gleichungen für die y-Richtung. Galileo hat bewiesen, dass sich die Geschwindigkeit in x-Richtung während des gesamten Laufs nicht ändert. Die y-Richtung wird jedoch durch die Schwerkraft beeinflusst, so dass sich die y-Geschwindigkeit während des Laufs ändert.

Gleichungen in X-Richtung

Bewegung nach links und rechts

  1. Die erste Gleichung in x-Richtung ist die einzige, die zur Lösung von Problemen benötigt wird, da die Geschwindigkeit in x-Richtung gleich bleibt.

Gleichung: X = V x ∗ t {\Anzeigeart X=V_{x}*t} {\displaystyle X=V_{x}*t}

X ist der in x-Richtung bewegte Abstand

Vx ist die Geschwindigkeit in x-Richtung

t ist Zeit

Gleichungen in Y-Richtung

Auf- und Abwärtsbewegung. Beeinflusst durch Schwerkraft oder andere externe Beschleunigung

  1. Die erste y-Richtungsgleichung ist fast die gleiche wie die erste 1-dimensionale kinematische Gleichung, außer dass sie sich mit der sich ändernden y-Geschwindigkeit befasst. Sie befasst sich mit einem frei fallenden Körper, während er von der Schwerkraft beeinflusst wird. (Abstand ist nicht erforderlich)

Gleichung: V f y = v i y - g t {\Anzeigeart V_{f}y=v_{i}y-gt} {\displaystyle V_{f}y=v_{i}y-gt}

Vfy ist die endgültige y-Geschwindigkeit

viy ist die beginnende oder anfängliche y-Geschwindigkeit

g ist die Erdbeschleunigung, die 9,8 m / s 2 {\darstellungsart m/s^{2}}{\displaystyle m/s^{2}} oder 32 f t / s 2 {\darstellungsart ft/s^{2}} beträgt {\displaystyle ft/s^{2}}

t ist Zeit

  1. Die zweite Gleichung für die y-Richtung wird verwendet, wenn das Objekt nicht durch die Schwerkraft, sondern durch eine separate Beschleunigung beeinflusst wird. In diesem Fall wird die y-Komponente des Beschleunigungsvektors benötigt. (Abstand wird nicht benötigt)

Gleichung: V f y = v i y + a y t {\Anzeigeart V_{f}y=v_{i}y+a_{y}t} {\displaystyle V_{f}y=v_{i}y+a_{y}t}

Vfy ist die endgültige y-Geschwindigkeit

viy ist die beginnende oder anfängliche y-Geschwindigkeit

ay ist die y-Komponente des Beschleunigungsvektors

t ist die Zeit

  1. Die dritte y-Richtungsgleichung findet die in y-Richtung bewegte Strecke unter Verwendung der durchschnittlichen y-Geschwindigkeit und der Zeit. (Benötigt keine Erdbeschleunigung oder externe Beschleunigung)

Gleichung: X y = ( ( ( V f y + V i y ) / 2 ) t {\Anzeigeart X_{y}=((V_{f}y+V_{i}y)/2)t} {\displaystyle X_{y}=((V_{f}y+V_{i}y)/2)t}

Xy ist die in y-Richtung bewegte Strecke

Vfy ist die endgültige y-Geschwindigkeit

viy ist die beginnende oder anfängliche y-Geschwindigkeit

t ist die Zeit

  1. Die vierte Gleichung für die y-Richtung befasst sich mit der Entfernung, die sich in y-Richtung bewegt, während sie von der Schwerkraft beeinflusst wird. (Benötigt keine endgültige y-Geschwindigkeit)

Gleichung: X f y = X i y + v i y - ( 1 / 2 ) g t 2 {\darstellungsart X_{f}y=X_{i}y+v_{i}y-(1/2)gt^{2}} {\displaystyle X_{f}y=X_{i}y+v_{i}y-(1/2)gt^{2}}

X f y {\Anzeigestil X_{f}y}{\displaystyle X_{f}y} ist die in y-Richtung bewegte Endstrecke

xiy ist der Start- oder Anfangsabstand in der y-Richtung

viy ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit in y-Richtung

g ist die Erdbeschleunigung, die 9,8 m / s 2 {\Displaystyle m/s^{2}}{\displaystyle m/s^{2}} oder 32 f t / s 2 {\Displaystyle ft/s^{2}} beträgt {\displaystyle ft/s^{2}}

t ist Zeit

  1. Die fünfte Gleichung für die y-Richtung befasst sich mit der Entfernung, die in y-Richtung bewegt wird, während sie von einer anderen Beschleunigung als der Schwerkraft beeinflusst wird. (Benötigt keine endgültige y-Geschwindigkeit)

Gleichung: X f y = X i y + v i y + ( 1 / 2 ) a y t 2 {\Anzeigeart X_{f}y=X_{i}y+v_{i}y+(1/2)a_{y}t^{2}}} {\displaystyle X_{f}y=X_{i}y+v_{i}y+(1/2)a_{y}t^{2}}

X f y {\Anzeigestil X_{f}y}{\displaystyle X_{f}y} ist die in y-Richtung bewegte Endstrecke

xiy ist der Start- oder Anfangsabstand in der y-Richtung

viy ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit in y-Richtung

ay ist die y-Komponente des Beschleunigungsvektors

t ist Zeit

  1. Die sechste y-Richtungsgleichung findet die endgültige y-Geschwindigkeit, während sie über eine bestimmte Strecke von der Schwerkraft beeinflusst wird. (Braucht keine Zeit)

Gleichung: V f y 2 = V i y 2 - 2 g x y {\Anzeigeart V_{f}y^{2}=V_{i}y^{2}-2gx_{y}}} {\displaystyle V_{f}y^{2}=V_{i}y^{2}-2gx_{y}}

Vfy ist die Endgeschwindigkeit in y-Richtung

Viy ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit in y-Richtung

g ist die Erdbeschleunigung, die 9,8 m / s 2 {\Displaystyle m/s^{2}}{\displaystyle m/s^{2}} oder 32 f t / s 2 {\Displaystyle ft/s^{2}} beträgt {\displaystyle ft/s^{2}}

xy ist die Gesamtstrecke, die in der y-Richtung bewegt wird

  1. Die siebte y-Richtungsgleichung findet die endgültige y-Geschwindigkeit, während sie von einer anderen Beschleunigung als der Schwerkraft über eine bestimmte Strecke beeinflusst wird. (Braucht keine Zeit)

Gleichung: V f y 2 = V i y 2 + 2 a y x y {\darstellungsstil V_{f}y^{2}=V_{i}y^{2}+2a_{y}x_{y}}} {\displaystyle V_{f}y^{2}=V_{i}y^{2}+2a_{y}x_{y}}

Vfy ist die Endgeschwindigkeit in y-Richtung

Viy ist die Start- oder Anfangsgeschwindigkeit in y-Richtung

ay ist die y-Komponente des Beschleunigungsvektors

xy ist die Gesamtstrecke, die in der y-Richtung bewegt wird

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  • Newtons Bewegungsgesetze

Fragen und Antworten

F: Was ist klassische Mechanik?


A: Die klassische Mechanik ist der Teil der Physik, der beschreibt, wie sich alltägliche Dinge bewegen und wie sich ihre Bewegung aufgrund von Kräften verändert.

F: Wie kann die klassische Mechanik verwendet werden?


A: Mit Hilfe der klassischen Mechanik kann man vorhersagen, wie sich Dinge wie Planeten und Raketen bewegen, wie sie sich in Zukunft bewegen werden und wie sie sich in der Vergangenheit bewegt haben.

F: Wann ist die klassische Mechanik nicht genau?


A: Die klassische Mechanik ist nicht genau, wenn Dinge die Größe von Atomen oder kleiner haben oder wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.

F: Was verwenden wir anstelle der klassischen Mechanik für kleine Objekte?


A: Für kleine Objekte wie Atome verwenden wir die Quantenmechanik anstelle der klassischen Mechanik.

F: Was verwenden wir anstelle der klassischen Mechanik für sich schnell bewegende Objekte?


A: Für sich schnell bewegende Objekte, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, verwenden wir die spezielle Relativitätstheorie anstelle der klassischen Mechanik.
F: Gibt es Überschneidungen zwischen diesen verschiedenen Formen der Physik? A: Ja, es kann gewisse Überschneidungen zwischen den verschiedenen Formen der Physik geben, je nachdem, welche Art von Bewegung untersucht wird.

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