Mechanik

KRAFT

Um einen Gegenstand zu bewegen z.B. beschleunigen, bremsen, eindrücken und spannen zu können benötigt man Kraft.

Isaac Newton entdeckte als erstes die Kraft und die stellte 3 Grundlagen zu seiner Theorie auf:

  • Wirkt auf einen Körper keine Kraft so bewegt sich dieser gradlinig und gleichförmig (ohne Abweichungen) durch den Raum.

Wirkt eine Kraft F (engl. Force) so ruft diese eine Beschleunigung a (Physikalische Abkürzung für Beschleunigung) hervor. Dadurch folgt eine Änderung des Bewegungszustandes. Dies führt zu einem gleichen Kraftverhältnis der Beschleunigung a sowie auch der proportionalen Kraft F.

  • Übt ein Körper A auf einen andern Körper B eine Kraft FAB aus so kommt es rückwertig von dem Körper B auf den Körper A zurück. Als Beispiel das Newtonpendel oder auch Kugelstoßpendel genannt.

In der Physik steht die Variable F für die Kraft und die Einheit der Kraft ist N für Newton.

Isaac Newton stellte ebenfalls eine Formel für die Berechnung der Kraft auf sie lautet: F= m (=Masse) mal a (Beschleunigung)

2004 erkannte man, dass in der Natur nur 4 wahre Kräfte existieren: die elektromagnetische Kraft, die Gravitation und die starke und leichte Wechselspannung. Alle Materie (auf der Welt bisher bekannt) ist diesen vier Kräften ausgesetzt

Hier ein paar Beispiele:

  1. Muskelkraft= treten beim Fahrrad
  2. Zugkraft= spannen eines Bogens
  3. Druckkraft= das Herausdrücken eines Kugelschreibers
  4. Auftriebskraft= während dem Schwimmen

Quellen: http://derstandard.at/1814849

https://astro.uni-bonn.de/~deboer/pdm/pdmkrafttxt.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Kraft

ARBEIT

Unter Arbeit versteht man jede körperliche(oder geistige) Anstrengung mit nachfolgender Erschöpfung( Achtung- Arbeit hat vielerlei Bedeutungen. So auch in der Philosophie oder Betriebswirtschaftslehre und vielen mehr)

Definition in der Physik:

Arbeit kann nur mit Energie verrichtet werden. Gespeicherte Arbeit kann wieder abgegeben werden => z. B. gespannte Feder

Grafisch mit Hilfe eines Kraft-Weg-Diagramm(F-s-Diagramm) kann Arbeit dargestellt werden.

Arbeit-1

Bedeutung der Arbeit in der Physik:

Überwinden einer Kraft entlang eines Weges

Formel:

Arbeit = Kraft * Weg ( W = F * s)

Arbeit wird in Joule(bekannt nach James Prescott Joule) gemessen.

1 Joule = jene Energie, die benötigt wird um einen Körper mit der Masse 0,102 Kilogramm – das entspricht etwa einer Tafel Schokolade – um einen Meter anzuheben (1 Newtonmeter).

Beispiel:

Etwas wird mit einer Kraft von 20 Newton eine Strecke von 100 Meter geschoben. Wie viel Arbeit wird dabei verrichtet? F = 20 N; s = 100 m; W = ?

W = F * s

W = 20N * 100m

W = 2000Nm

Arten:

Es gibt verschiedene Arten von Arbeit

Beschleunigungsarbeit: mit dem Auto losfahren

Hubarbeit: Flaschenzug

Reibungsarbeit: mit den Radiergummi etwas ausradieren

Verformungsarbeit: Coladose zerdrücken

Arbeit-2

Arbeit-2

“ENERGIE“

Was ist Energie?

Energie E ist die Fähigkeit eines Körpers Arbeit zu verrichten
Einheit: [E] = J (Joule)

Energie kann von einem Körper (das kann ein Auto sein, ein Fahrrad oder auch wir) aufgenommen, gespeichtert und wieder abgegeben werden.

Energie kann weder vermehrt noch vermindert werden – Energie wird umgewandelt. (Energieerhaltungssatz).

Das heißt: auch in einem Kraftwerk wird Energie nicht erzeugt sondern umgewandelt (in Erdöl gespeicherte Sonnenenergie wird verbrannt, die Energie aus Wasserkraft wird in elektrische Energie umgewandelt  etc.

Energie gibt es in verschiedenen Varianten also in verschiedenen Energieformen.

Jede Energieform kann in eine andere Energieformen umgewandelt werden. Z.B. kann Chemische Energie in kinetische Energie umgewandelt werden. Dabei geht geht Energie für uns „verloren“ (auch wenn diese Energie natürlich noch da ist. Etwa ist Wärmeenergie, die durch Reiung entsteht für uns meist nicht nutzbar. Viele Kraftwerke nutzen heute aber diese Wärmeenergie für Fernwärme. (Krafft-Wärme-Kopplung).

Potenzielle Energie:    

E=Fa*h=m*g*h

Dazu zählt zum Beispiel die Gravitation also die Energie der Schwerkraft (Die Energie die gespeichert wird wenn man etwas fallen lässt oder aufhebt.) Diese wird zum Beispiel bei einem Speicher-Kraftwerk angewendet und wird auch Lageenergie genannt).

Potenzielle Energie wird in Joule angegeben.

Kinetische Energie:    

E=1/2mv2

auch Bewegungs Energie(=abhängend von Masse und Geschwindigkeit) genannt. Die Energie die bei einer Bewegung ausgesetzt wird.

Sie wird in Joule angegeben.

Z.B. bei fahrenden Autos das abbremsen oder die Energie die bei einer Kollision ausgesetzt wird.

Potenzielle Energie und Kinetische Energie kann man als mechanische Energie zusammenfassen.

 Chemische Energie. 

E=m*C

Dies ist die Energie welche in Brennstoffen und anderen Energieträgern gespeichert wird.

Man findet sie oft in der Verwendung bei Fossilen Energieträgern Z.B. der Angabe von Heizwerten.

Aber sie dient auch für die Angabe über den Nährwert also der Speicherstoffe von Lebewesen.

 Elastische Energie:

die Energie die in verformten Materien gespeichert wird. Wie der Name schon sagt es handelt sich um Spannung. Sie ist eine Form der potentiellen Energie.

Diese Energieform wird sehr häufig benutzt hier sind ein paar Beispiele:

  • in der Technik(bei bestimmten Bremssystemen)
  • in der Natur(in der Tektonik)
  • bei Sportgeräten(bei Spannungen wie beim Trampolin oder im Bogen)

Elektrische Energie:

Elektrische Energie bezeichnet man Energie, die mit der Elektrizität übertragen wird.

Strom= fliesende Elektronen in einem Leiter.

 Wärmeenergie:

Wird auch thermische Energie genannt. Sie zeichnet sich dadurch aus das alle anderen Energieformen in sie umgewandelt werden können und sie auch bei jeder Umwandlung vorkommen muss damit diese funktioniert. Jedoch kann man die nur recht schwer wieder in eine andere Energie umwandeln. Sie ist die Energieform die bei der Sonneneinstrahlung oder im Erdinneren „entsteht“.

weitere Energieformen:

  • magnetische Energie,
  • Strahlungsenergie,
  • Kernenergie

LEISTUNG

Wir erklären die Leistung als Arbeitsanteil pro Zeiteinheit. Bei Leistung definiert man, dass zwei Personen die gleiche Arbeit verrichten, dennoch unterschiedliche Leistung erbringen. Dies hängt davon ab, dass jeder Mensch unterschiedlich gebaut ist und deswegen unterschiedliche Leistung erbringt. Es gibt auch noch den Unterschied von der Leistung der Maschine zur Leistung vom Menschen.Formel: P= W/tDie alte Einheit der Leistung, ist PS (= Pferdestärke), jetzt wird sie in Watt angegeben.

NEWTON´SCHE AXIOME (=GESETZE)

  1. Newton´sche Gesetz= Trägheitsprinzip:

Das erste Gesetz von Newton wurde eigentlich schon von Galileo Galilei beschrieben . Es lautet:

Ein Körper bleibt in Ruhe oder in gleichförmiger geradliniger Bewegung, solange die Summe der auf ihn wirkenden Kräfte Null ist.

Im Alltag kennt jeder dieses Gesetz aus eigener (schmerzlichen) Erfahrung: man fährt mit dem Bus, als dieser plötzlich eine Notbremsung macht. Den Gesetzen der Trägheit folgend stoppen die Körper der Fahrgäste aber nicht mit dem Bus und wer sich nicht gut festhält, landet schmerzhaft am Boden.

2. Newton´sche Gesetz= Aktionsprinzip:

Wirkt auf einen Körper eine Kraft, so wird er in Richtung der Kraft beschleunigt.

Die Beschleunigung ist der Kraft direkt, der Masse des Körpers umgekehrt proportional.  ( F = ma ).

Kraft ist Masse x Beschleunigung. Wo im Alltag erleben wir das? Stellen wir uns vor, wir wollen einen kleinen Einkaufswagen anschieben- ihn beschleunigen. Wenn er leer ist, macht das wenig Mühe. Wenn wir nun einen Großeinkauf für eine Party machen und im Einkaufswagen befinden sich eine Kiste Mineralwasser, einige Kartons Orangensaft und der restkliche Einkauf für die Woche, so erfordert die  Beschleunigung des Einkaufswagens nun einen größeren Kraftaufwand. Sobald der Einkaufswagen rollt, brauchen wir nur noch seine Bewegungen zu kontrollieren (der Wagen folgt der Trägheit- Trägheitsprinzip), bis wir ihn spätestens vor der Kassa wieder stoppen müssen. Diese erneute Beschleunigung (auch das Bremsen ist im physikalischen Sinn eine Beschleunigung) kostet uns wieder enorm viel Kraft!

3. Newton´sche Gesetz= Reaktionsprinzip (actio=reactio):

Besteht zwischen zwei Körpern A und B eine Kraftwirkung, so ist die Kraft, welche von A auf B ausgeübt wird, der Kraft , die B auf A ausübt entgegengesetzt gleich.

Probiere es aus: Leihe Dir von Deinem Lehrer/Deiner Lehrerin zwei Kraftmesser aus. Hake die Kraftmesser ineinander. Halte einen Kraftmesser fest und bitte eine/n Mitschüler/in am anderen anzuziehen (eine Kraft auszuüben. Was passiert?

Genau: Egal wie fest Du ziehst oder Dein Gegenüber oder wenn nur eine/r zieht, beide Kraftmesser zeigen immer den selben Wert an! Kraft und Gegenkraft sind genau gleich!

GRAVITATION

Ein Pest-Ausbruch in Cambridge zwang 1665 den englischen Naturforscher Isaac Newton zu einem Heimaturlaub. Der Legende nach soll Newton unter einem Apfelbaum im Anwesen seiner Eltern gelegen haben, als ihm ein Apfel auf den Kopf fiel. Glaubt man anderen Erzählungen, so soll Newton darüber philosophiert haben, warum der Apfel nach unten hängen würde und nicht nach oben. Ob der Apfel nun der Auslöser war oder nicht nicht; fest steht, dass Isaac Newton während dieses Aufenthalts das Gravitationsgesetz aufstellte.

Isaac Newton stellte fest, dass alle Körper aufgrund ihrer Masse eine Anziehungskraft aufeinander ausüben. Diese Anziehungskraft stellte er im Gravitationsgesetz dar:

Das Gravitationgesetz beschreibt, mit welcher Kraft zwei Punktmassen m1 und m2 im Abstand r einander anziehen.

F Gravitation =

G.m1.m2

    r2

G (Gravitationskonstante)=6,67.10-11

  Die Gravitationskraft ist umso größer, je größer die Massen m1 und m2, bzw. Je größer das Produkt aus beiden Massen ist.

Die gegenseitige Anziehung nimmt mit größer werdendem Abstand ab!

Gravitationsfeld:

Ähnlich wie beim Magnetfeld stellt man das Gravitationsfeld durch Feldlinien dar. Beim Magnetfeld gibt die Richtung der Feldlinie die Kraftrichtung auf einen Nordpol an. Im Gravitationsfeld gibt die Feldlinienrichtung die Richtung der Gravitationskraft auf einen Körper (m1) im Feld eines anderen Körpers (m2; z.B. Erde) an.

Die Größe der Fallbeschleunigung (Gravitationsbeschleunigung) ist ein Maß für die Stärke eines Gravitationsfeldes. Man bezeichnet sie daher als Gravitationsfeldstärke.

http://www.biologie-schule.de/isaac-newton.php

MECHANISCHE WELLEN

Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum.

Stell Dir vor. Du knotest eine lange Perlenkette. Die Perlen sind die Teilchen, die miteinander gekoppelt sind, wie etwa Wassermoleküle, die aufeinander zwischenmolekulare Kräfte ausüben.

Wenn man nun die Perlenkette flach auf den Boden legt und an einem Ende zu schwingen beginnt, wird sich die Schwingung über die ganze Kette ausbreiten. Probiere es mit einem Seil aus!

Zu den mechanischen Wellen gehören z.B. Wasserwellen, Schallwellen und Erdbebenwellen. Wasserwellen oder die „Welle“ in unserer Perlenschnur sind Querwellen (Transversalwellen). Hierbei erfolgt die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Schallwellen unterscheiden sich von Wasserwellen oder den Wellen unserer Perlenkette, da es sich bei Schallwellen um Längswellen (Longitudinalwellen) und bei Wasserwellen wie oben beschrieben, um Transversalwellen) handelt.

Was bedeutet das?

Stell Dir die Luft bildlich vor: Luft besteht aus vielen Gasmolekülen: Stickstoffmoleküle, Sauerstoffmoleküle, ein paar Kohlenstoffdioxidmoleküle und andere Gasmoleküle schwirren umher.

Wenn man nun einen Ton erzeugt, werden einiger dieser Moleküle zusammengedrückt. Gleichzeitig wird damit ein Unterdruck ausgelöst, es entstehen Verdichtungen und Verdünnungen in Längsrichtung, eben Longitudinalwellen.

Man kann sich das vorstellen, wie wenn man eine lange Feder nimmt und der Länge nach hin und her schüttelt- auch da kann man diese Verdichtungen und Verdünnungen beobachten.

Eine Welle (z.B. eine Wasserwelle) breitet sich in einer bestimmten Richtung aus, der Wellenberg steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wenn auf der Welle ein Boot schaukelt, so wird das Boot nur nach oben und unten „geschaukelt“, nicht aber von der Welle mitgenommen. Man sagt „Eine Welle ist eine zeitlich und räumlich periodische Änderung physikalischer Größen“.

 

Will man eine Welle beschreiben oder berechnen, so benötigt man einige Größen:

Physikalische Größe Physikalische Bedeutung Formel-zeichen Ein-heit Messgerät
Elongation Größe der momentanen Auslenkung des Schwingers 1 m  Lineal
Amplitude Maximale Auslenkung der Schwingung ymax 1 m  Lineal
Schwingungsdauer (Periode) Zeit, die für eine vollständige Schwingung benötigt wird 1 s  Uhr
Frequenz Anzahl der Schwingungen pro Sekunde 1 Hz = 1/s Berechnung: f = 1 / T
Ausbreitungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit, mit der sich die Welle im Raum ausbreitet v oder c  1 m/s 1 km/h Berechnung:
v = s / t
Wellenlänge Abstand zwischen zwei Wellenbergen l 1 m  Lineal

hier die Skizze einer Welle:
 

 

Text (Energie): Isolde Berger und Helena Rausch 1HMB, 2014

Text und Bild (Arbeit): Jennifer Petersen und Lara Nedeltchev, 1HMB, 2014

Text (Kraft): Grois Alexander, 1HMB, HLMW9, 2014

Text (Leistung): Julia Lambürger und Beatric Hauser, 1HMB, HLMW9, 2014

Arbeit-2

Arbeit-2

Arbeits-Quiz:

Was ist Arbeit aus physikalischer Sicht

 
 
 
 

Wie lautet die Formel für Arbeit?

 
 
 
 

Die Einheit für Arbeit ist

 
 
 
 

Was ist ein Joule?

 
 
 

Etwas wird mit einer Kraft von 500 Newton eine Strecke von 10 Meter geschoben. Wie viel Arbeit wird dabei verrichtet?  W = ?

 
 
 

Question 1 of 5

Energie-Quiz:

findet sich auf der Seite http://nawi.naturundbildung.at/wp/?page_id=442 (ganz unten)

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