Inhaltsverzeichnis
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Bewegung
Geschwindigkeit
Bei einer gleichförmigen Bewegung sind die zurückgelegte Strecke s und die dafür benötigte Zeit t direkt proportional zueinander. Dabei gilt für die Geschwindigkeit v:
$$ v = \frac{s}{t} $$
Die Einheit wirdin der Regel in Metern pro Sekunde oder in Kilometern pro Stunde angegeben. Dabei gilt:
$$ \mathrm{1\,\frac{m}{s} = 3{,}6\,\frac{km}{h}} $$
Durch Umformungen kann man ermitteln, in welcher Zeit man eine gewisse Strecke zurücklegt oder wie weit man kommt, wenn man sich eine gewisse Zeit lang mit einer Geschwindigkeit bewegt:
$t = \frac{s}{v}\quad$
und
$\quad s = v \cdot t$
Beschleunigung
Bewegungen mit Geschwindigkeitsänderung heißen beschleunigte Bewegungen. Die Beschleunigung a ist der Quotient aus der Geschwindigkeitsveränderung Δv = v2 – v1 und der dafür benötigten Zeit Δt = t2 – t1:
$$ a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1} $$
Die Beschleunigung wird in der Regel mit Metern pro Sekundenquadrat angegeben:
$$ \mathrm{1\,\frac{m}{s^2}} $$
Kraft
Durch Krafteinwirkung können Körper verformt oder deren Geschwindigkeit in Größe oder Richtung geändert werden. Eine Kraft ist gekennzeichnet durch Angriffspunkt, Richtung und Betrag. Kräfte werden durch Kraftpfeile dargestellt. Die Einheit ist
1 Newton bzw. 1 N.
Zur Kraftmessung wird die Verformung einer Schraubenfeder genutzt, wobei die Kraft F und die Verlängerung s direkt proportional zueinander sind.
Masse
Die Masse m wird zum Festlegen einer Stoffmenge benutzt. Durch sie ist ein Körper träge und schwer. Massen sind ortsunabhängig und werden mithilfe von Balkenwaagen und einem Wägesatz bestimmt.
Einheit: 1 Kilogramm bzw. 1 kg
Gewichtskraft
Die Gewichtskraft G gibt an, wie stark ein Körper in Richtung Erdmittelpunkt gezogen wird. Zwischen der Gewichtskraft G und der Masse m gibt es folgenden Zusammenhang:
$$ G = m \cdot g $$
Dabei ist g ortsabhängig und heißt deshalb Ortsfaktor. In Mitteleuropa beträgt er $g = \mathrm{9,81\,\frac{m}{s^2}}$. Am Äquator ist der Wert um circa 0,3 kleiner und an den Polen ungefähr 0,2 größer.
Alle Körper ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehung nennt man Gravitation.
Trägheitssatz
Jeder Körper ist aufgrund seiner Masse träge, d.h. wenn keine Kraft wirkt, behält ein Körper seinen Zustand bei. Deshalb sind Kräfte notwendig, um zu beschleunigen und zum Ändern der Richtung, in die die Kraft wirkt.
Wechselwirkung von Kräften
Übt ein Körper auf einen zweiten eine Kraft F1 aus, so wirkt vom zweiten auf den ersten eine Kraft F2, die gleich groß, aber entgegengesetzt ist. Die Wechselwirkung ist die Ursache für den Rückstoß, der z.B. beim Werfen auftritt. Man spricht deshalb auch von „actio und reactio“.
Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften
Zusammensetzen
Erste Möglichkeit
Gehen F1 und F2 in die gleiche Richtung, ist der Betrag der Ersatzkraft F so groß wie die Summe der Teilkräfte.
Zweite Möglichkeit
Gehen F1 und F2 in verschiedene Richtungen, ist die Ersatzkraft F die Diagonale des Kräfteparallelogramms, das durch die zwei Kräfte aufgespannt wird. Damit ist der Betrag der Ersatzkraft kleiner.
Zerlegen
Eine Kraft kann in zwei Teilkräfte zerlegt werden, indem man ein Kräfteparallelogramm zeichnet:
Schiefe Ebene
Dabei ist FH die Hangabtriebskraft und FN die Normalkraft. Es gilt
$$ \frac{F_H}{G} = \frac{h}{l} \;\Rightarrow \; F_H = \frac{h}{l} \cdot G $$
Reibungskräfte
Bei jeder Art von Bewegung sind Reibungskräfte vorhanden. Man unterscheidet Haftreibung, wenn z.B. ein Rad rollt, und Gleitreibung, wenn dieses blockiert. Dabei ist die Haftreigung größer.
Die Reibungskräfte können durch rauere Flächen vergrößert und durch Ölen oder durch Kugellager verringert werden. Für die Größe der Reibungskraft ist bei waagrechter Unterlage die Größe der Gewichtskraft entscheidend, bei einer schiefen Ebene die Größe der Normalkraft. Es gilt:
$$ F_R = f \cdot F_N $$
Dabei ist f die Reibungszahl. Beispielsweise besitzt trockener Asphalt eine Reibungszahl f = 0,6.