Physik · Klasse 7–10 · aktualisiert
Mechanik: Bewegung, Kräfte und Energie verstehen
Ein Überblick über Bewegung, Kräfte, Gleichgewicht, Arbeit und Energie mit den passenden Fragen und Grundformeln.
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Kurz gesagt
Mechanik untersucht die Bewegung von Körpern, ihre Ursachen und das Gleichgewicht von Kräften. Die Kinematik beschreibt die Bewegung, die Dynamik erklärt Änderungen durch Kräfte und die Statik untersucht Kräftegleichgewichte. Arbeit und Energie beschreiben weitere Wirkungen.
Die Mechanik untersucht, wie sich Körper bewegen, wodurch sich ihre Bewegung ändert und wann Kräfte im Gleichgewicht sind. Sie verbindet beobachtbare Vorgänge mit Größen wie Strecke, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit und Energie. Auf dieser Seite lernst du die Grundstruktur der Mechanik kennen. So kannst du entscheiden, welche Größen und Gesetze zu einer Situation passen.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
Ein Fahrrad fährt erst gleichmäßig, wird dann schneller und bremst. Die Mechanik fragt nach dem Ablauf und den Ursachen. Jede physikalische Größe braucht eine Zahl und eine Einheit: 5\,\mathrm{m} bezeichnet eine Strecke; die Zahl 5 allein nicht.
Eine Bewegung hängt vom Bezugssystem ab. Ein Zugsitz ruht für Mitfahrende und bewegt sich für Menschen am Bahnsteig.
Die Kinematik beschreibt Ort, Strecke und Zeit. Das Durchschnittstempo ist Gesamtstrecke durch Gesamtzeit. Bei geradliniger Bewegung ohne Richtungswechsel und konstantem Tempo gilt v=s/t.
Beschleunigung bedeutet, dass sich Tempo oder Richtung ändert. Auf einer geraden Achse berechnest du ihre mittlere Größe mit a=\Delta v/\Delta t. Ihre Einheit ist \mathrm{m/s^2}. Auch eine Kreisfahrt mit konstantem Tempo ist beschleunigt, weil sich die Richtung ändert.
Bei geradliniger Bewegung mit gleichbleibender Beschleunigung wächst oder sinkt die Geschwindigkeit in gleichen Zeiten um gleiche Beträge. Die Dynamik fragt nach Kräften als Ursachen der Bewegungsänderung. Die Statik betrachtet ruhende Körper und Kräftegleichgewichte, etwa an einer Brücke.
Definition
Kinematik
Die Kinematik beschreibt eine Bewegung mithilfe von Ort, Strecke, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Sie fragt noch nicht nach den wirkenden Kräften.
Merke: Die Kinematik fragt, wie sich etwas bewegt. Die Dynamik fragt nach Kräften hinter einer Bewegungsänderung. Die Statik fragt nach dem Kräftegleichgewicht eines ruhenden Körpers.
Beispiel: Durchschnittstempo eines Autos
- 1Ein Auto legt in 2\,\mathrm{h} eine Strecke von 100\,\mathrm{km} zurück.
- 2Gesucht ist das Durchschnittstempo.
- 3Strecke und Zeit stehen bereits in zusammenpassenden Einheiten.
- 4Einsetzen ergibt:
- 5v=\frac{100\,\mathrm{km}}{2\,\mathrm h}=50\,\mathrm{km/h}
- 6Das Auto fährt im Mittel 50 km/h. Daraus folgt nicht, dass sein Tachowert während der gesamten Fahrt genau 50 km/h beträgt.
Teste dich
Eine Kraft kann beschleunigen, bremsen, umlenken oder verformen. Sie hat Betrag und Richtung und wird in Newton (\mathrm{N}) gemessen. Die Kräfte auf denselben Körper ergeben zusammen die resultierende Kraft. Für einen Körper der Masse m gilt das zweite Newtonsche Gesetz:
F_\mathrm{res}=m\cdot a
Beim Kräftegleichgewicht ist diese Summe null; der Körper kann ruhen oder sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Ein Wechselwirkungspaar ist etwas anderes: Seine gleich großen, entgegengesetzten Kräfte wirken auf zwei verschiedene Körper.
Beispiel
- 1Auf einen Wagen mit der Masse 20 kg wirkt eine resultierende Kraft. Seine Beschleunigung beträgt 1{,}5\,\mathrm{m/s^2}.
- 2F_\mathrm{res}=20\,\mathrm{kg}\cdot1{,}5\,\mathrm{m/s^2}=30\,\mathrm N
- 3Die resultierende Kraft beträgt 30 N. Bei gleicher Masse würde eine doppelt so große resultierende Kraft die doppelte Beschleunigung erzeugen.
Merke: Eine resultierende Kraft von null bedeutet keine Beschleunigung. Der Körper kann ruhen oder sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegen.
Beispiel: Die drei Newtonschen Gesetze ordnen grundlegende Kraftwirkungen
- 1Trägheitsprinzip: Ohne resultierende Kraft bleibt ein Körper in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit.
- 2Aktionsprinzip: Die resultierende Kraft erzeugt nach F_\mathrm{res}=ma eine Beschleunigung.
- 3Wechselwirkungsprinzip: Übt Körper A eine Kraft auf Körper B aus, übt B eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus.
Teste dich
Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Körper entlang eines Weges verschiebt. Für eine konstante Kraft parallel zum Weg gilt:
W=F\cdot s
Die Einheit ist Joule: 1\,\mathrm{J}=1\,\mathrm{N}\cdot1\,\mathrm{m}. Zeigt die Kraft schräg zum Weg, zählt nur ihr Anteil in Wegrichtung. Ohne Verschiebung ist die Arbeit dieser Kraft am Körper null, auch wenn das Halten anstrengt.
Arbeit der resultierenden Kraft kann die Bewegungsenergie eines Körpers ändern. Wird er durch diese Kraft schneller, wächst sie. Ein bewegter Körper besitzt Bewegungsenergie. In höheren Klassen berechnest du sie mit Masse m und Tempo v:
E_\mathrm{kin}=\frac12m\cdot v^2
Bei gleicher Masse führt doppeltes Tempo zur vierfachen Bewegungsenergie. Hebel, Rollen, schiefe Ebenen und Flaschenzüge können die nötige Kraft verkleinern. Im idealisierten Fall wird dafür der Kraftweg länger; mechanische Arbeit wird dadurch nicht eingespart. Die Seiten „Arbeit“ und „Bewegungsenergie“ erklären die Rechnungen genauer.
Beispiel
- 1Eine Kiste wird mit einer konstanten Kraft von 50 N über eine Strecke von 3 m in Kraftrichtung geschoben.
- 2W=50\,\mathrm N\cdot3\,\mathrm m=150\,\mathrm J
- 3An der Kiste werden 150 J mechanische Arbeit verrichtet.
Beispiel: Bewegungsenergie eines Körpers
- 1Ein Körper mit 2\,\mathrm{kg} Masse bewegt sich mit 3\,\mathrm{m/s}.
- 2E_\mathrm{kin}=\frac12\cdot2\,\mathrm{kg}\cdot(3\,\mathrm{m/s})^2
- 3E_\mathrm{kin}=9\,\mathrm{J}
- 4Seine Bewegungsenergie beträgt 9 J. Bei gleicher Masse vervierfacht doppeltes Tempo die Bewegungsenergie.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Mechanik
Bewegung
Ort, Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung
Ursachen
Kräfte und Newtonsche Gesetze
Gleichgewicht
resultierende Kraft gleich null
Wechselwirkung
Kräftepaar an zwei Körpern
Arbeit
Kraft wirkt entlang eines Weges; einfache Maschinen tauschen Kraft gegen Weg
Energie
Bewegung besitzt kinetische Energie
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Von Kräften zur Beschleunigung
- 1Ein Wagen mit 5\,\mathrm{kg} Masse wird geradlinig mit 21\,\mathrm{N} nach vorn gezogen. Eine Reibungskraft von 6\,\mathrm{N} wirkt nach hinten.
- 2Vorwärts ist die positive Richtung. Die resultierende Kraft ist F_\mathrm{res}=21\,\mathrm{N}-6\,\mathrm{N}=15\,\mathrm{N}.
- 3Nach F_\mathrm{res}=m\cdot a folgt a=15\,\mathrm{N}:5\,\mathrm{kg}=3\,\mathrm{m/s^2}.
- 4Der Wagen beschleunigt nach vorn; die Reibung verringert die resultierende Kraft.
Fehler finden
Welche Folgerung aus dem Kräftegleichgewicht ist falsch? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3a=0\,\mathrm{m/s^2} bedeutet konstante Geschwindigkeit. Der Wagen rollt im Modell geradeaus mit 4\,\mathrm{m/s} weiter.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Bei einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung bleibt die konstant. Ändert sich der Betrag oder die Richtung der Geschwindigkeit, liegt eine vor. Die Einheit der Beschleunigung ist .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback