Bewegung (Physik): Definition, Relativität, Geschwindigkeit & Kräfte
Bewegung in der Physik erklärt: Definition, Relativität, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kräfte verständlich erklärt – mit Praxisbeispielen und anschaulichen Erklärungen.
Bewegung ist der Zustand, in dem sich die Position von etwas ändert, also darin, dass sich ändert, wo etwas ist. Ein fliegender Vogel oder eine gehende Person bewegen sich, weil sie von einem Ort zum anderen wechseln. Zu Bewegung gehören neben der reinen Ortsänderung viele messbare Größen und physikalische Ursachen.
Position und Relativität
Dank der Arbeit von Wissenschaftlern wie Galileo Galilei und AlbertEinstein, wissen wir, dass sowohl Position als auch Bewegung relativ sind. Das heißt: Die Lage eines Objekts hat immer Bezug zu anderen Objekten oder zu einem gewählten Bezugsrahmen. Ein Ball kann gleichzeitig einen Meter von einer Kiste, einen Meter von einem Stuhl und einen Fuß von einem Tisch entfernt sein – seine Position wird also durch Entfernungen zu anderen Objekten beschrieben. Wie schnell und in welche Richtung sich ein Objekt bewegt, hängt davon ab, von welchem Beobachter und mit welchem Bezugssystem man misst.
Grundgrößen der Bewegung
Bei der Beschreibung von Bewegung treten vor allem folgende Größen auf:
- Geschwindigkeit (Vektor): Gibt die Richtung und die Änderungsrate der Position an. Mathematisch: v = ds/dt.
- Geschwindigkeit (oft auch im Alltag als „Schnelligkeit“ verstanden): In der Physik wird zwischen Betrag (Geschwindigkeitssumme, Skalar) und Richtung unterschieden — im Deutschen ist dafür manchmal der Begriff „Schnelligkeit“ üblich.
- Beschleunigung: Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit, a = dv/dt.
- Schwerkraft und andere Kräfte: Ursachen, die Bewegungen ändern oder erzeugen.
- magnetische Anziehung und Abstoßung
- Reibung: wirkt der Bewegung entgegen und wandelt kinetische Energie in Wärme um.
- Trägheit: die Eigenschaft eines Körpers, seinen Bewegungszustand beizubehalten, wenn keine resultierende Kraft wirkt.
Kräfte, Arbeit und Energie
Bewegung entsteht oder ändert sich, wenn Kräfte auf einen Körper wirken. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist die Wirkung einer Kraft F auf einen Körper mit Masse m durch F = m·a beschrieben. Um Bewegung zu erzeugen oder zu verändern, ist in der Regel Arbeit notwendig — Arbeit ist das Produkt aus Kraft entlang eines Weges und dem zurückgelegten Weg. Energieerhaltung spielt bei allen mechanischen Vorgängen eine zentrale Rolle: kinetische Energie, potenzielle Energie und Wärme werden umgewandelt, aber in einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie erhalten.
Bewegungsarten und Beispiele
- Gleichförmige Translation: konstante Geschwindigkeit in eine Richtung.
- Beschleunigte Bewegung: z. B. ein Auto, das anfährt (positive Beschleunigung) oder abbremst (negative Beschleunigung).
- Kreisbewegung: Geschwindigkeit ändert Richtung, Beschleunigung zeigt zum Kreismittelpunkt (Zentripetalbeschleunigung).
- Schwingungen: z. B. Feder-Masse-System oder Pendel (periodische Bewegung).
- Freier Fall: unter dem Einfluss der Schwerkraft beschleunigt ein Körper, falls Luftwiderstand vernachlässigbar ist.
Relativität und Grenzen der klassischen Beschreibung
Die klassische Mechanik (Galileo, Newton) beschreibt Bewegungen sehr gut bei gewöhnlichen Geschwindigkeiten und Massen. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit gelten die Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie von AlbertEinstein, die z. B. Zeitdilatation und Längenkontraktion vorhersagt und die klassische Addition von Geschwindigkeiten ersetzt. Auf sehr kleinen Skalen (Atom- und Subatomarebene) sind zusätzlich quantenmechanische Effekte wichtig.
Praktische Größen und Werte
Ein wichtiges physikalisches Limit ist die Lichtgeschwindigkeit: Licht bewegt sich mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde (genauer: ungefähr 299.792 km/s bzw. 186.282 Meilen pro Sekunde). In Alltagssituationen werden Geschwindigkeit und Beschleunigung in Einheiten wie Meter pro Sekunde (m/s) bzw. Meter pro Sekunde zum Quadrat (m/s²) angegeben.
Bewegung ist damit ein zentrales Konzept der Physik, das vom einfachen Gehen bis zu Planetenbahnen, elektromagnetischen Wechselwirkungen und relativistischen Effekten reicht. Durch das Messen von Positionen, Geschwindigkeiten und Kräften lassen sich Bewegungen vorhersagen, analysieren und technisch nutzen.
Ein Käfer, der sich durch die Luft bewegt
Tierbewegung
Bei Tieren wird die Bewegung durch das Nervensystem, insbesondere Gehirn und Rückenmark, gesteuert.
Die Muskeln, die das Auge steuern, werden durch den Sehnervenkopf im Mittelhirn angetrieben. Alle willkürlichen Muskeln im Körper werden von motorischen Neuronen im Rückenmark und im Hinterhirn angetrieben. Die motorischen Neuronen der Wirbelsäule werden von den Nervenschaltkreisen des Rückenmarks und von Eingängen aus dem Gehirn gesteuert. Die spinalen Schaltkreise führen viele Reflexreaktionen aus und führen auch rhythmische Bewegungen wie Gehen oder Schwimmen aus. Die absteigenden Verbindungen vom Gehirn ermöglichen eine anspruchsvollere Steuerung.
Das Gehirn verfügt über mehrere motorische Areale, die direkt auf das Rückenmark projizieren. Auf der höchsten Ebene befindet sich der primäre motorische Kortex, ein Gewebestreifen am hinteren Rand des Frontallappens. Dieses Gewebe sendet über die Pyramidenbahn eine massive Projektion direkt an das Rückenmark. Dies ermöglicht eine präzise willentliche Kontrolle der feinen Details der Bewegungen. Es gibt weitere Hirnareale, die die Bewegung beeinflussen. Zu den wichtigsten sekundären Arealen gehören der prämotorische Kortex, die Basalganglien und das Kleinhirn.
| Hauptbereiche der Bewegungskontrolle | ||
| Bereich | Standort | Funktion |
| Ventral-Horn | Rückenmark | Enthält Motoneuronen, die Muskeln direkt aktivieren |
| Okulomotorische Kerne | Mittelhirn | Enthält Motoneuronen, die direkt die Augenmuskeln aktivieren |
| Kleinhirn | Hinterhirn | Kalibriert die Präzision und das Timing von Bewegungen |
| Vorderhirn | Aktionsauswahl auf der Grundlage der Motivation | |
| Motorischer Kortex | Stirnlappen | Direkte kortikale Aktivierung der spinalen motorischen Schaltkreise |
| Prämotorischer Kortex | Stirnlappen | Gruppiert elementare Bewegungen in koordinierte Muster |
| Zusätzlicher motorischer Bereich | Stirnlappen | Sequenziert Bewegungen in zeitliche Muster |
| Stirnlappen | Planung und andere ausführende Funktionen | |
Darüber hinaus enthalten Gehirn und Rückenmark umfangreiche Schaltkreise zur Steuerung des autonomen Nervensystems, das durch die Ausschüttung von Hormonen und die Modulation der "glatten" Muskeln des Darms funktioniert. Das autonome Nervensystem beeinflusst die Herzfrequenz, die Verdauung, die Atemfrequenz, den Speichelfluss, das Schwitzen, das Wasserlassen, die sexuelle Erregung und verschiedene andere Prozesse. Die meisten seiner Funktionen stehen nicht unter direkter freiwilliger Kontrolle.
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Fragen und Antworten
F: Was ist Bewegung?
A: Bewegung ist der Zustand, in dem sich die Position von etwas ändert oder in dem sich etwas befindet.
F: Wer sind Galilei und Newton?
A: Galilei und Newton waren Wissenschaftler, die sich mit Bewegung beschäftigten. Ihre Arbeit half uns zu verstehen, dass die Position relativ ist, d.h. die Position eines Objekts hängt davon ab, wo es sich im Verhältnis zu anderen Objekten befindet.
F: Was wird in der Kinematik untersucht?
A: Die Kinematik untersucht die Bewegung eines Objekts, ohne die Ursache zu berücksichtigen. Sie befasst sich mit Begriffen wie Geschwindigkeit, Tempo und Beschleunigung.
F: Was wird in der Dynamik untersucht?
A: Die Dynamik untersucht die Ursachen und Auswirkungen von Bewegungen. Sie befasst sich mit Kraft, Trägheit, Arbeit, Energie und Schwung.
F: Wie helfen Referenzpunkte bei der Definition der Position eines Objekts?
A: Referenzpunkte helfen dabei, die Position eines Objekts zu bestimmen, indem sie einen Bezugsrahmen für die Beobachtung bieten. Wenn Sie zum Beispiel jemandem sagen, wie weit ein Ball von anderen Objekten wie einer Kiste, einem Stuhl oder einem Tisch entfernt ist, kann er seine relative Position im Verhältnis zu diesen Objekten bestimmen.
F: Wie kann eine Bewegung je nach Bezugsrahmen unterschiedlich beobachtet werden?
A: Je nachdem, welchen Bezugsrahmen Sie bei der Beobachtung verwenden, kann eine Bewegung unterschiedlich wahrgenommen werden. Wenn z.B. zwei Züge in die gleiche Richtung fahren, aber der eine sich rückwärts bewegt, während der andere stehen bleibt, dann sieht es aus dem Inneren von Zug A so aus, als ob sie sich auf Zug B zubewegen, obwohl sie sich in Wirklichkeit gar nicht bewegt haben - das kann man nur sehen, wenn es einen anderen Bezugspunkt gibt, wie z.B. einen Mast neben den beiden Zügen, der zeigt, dass Zug A stehen geblieben ist, während sich Zug B rückwärts bewegt hat.
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