Mechanik

Die Mechanik (von griechisch mechané (μηxανικὴ τέxνη), Maschine, Kunstgriff, Wirkungsweise) ist in den Naturwissenschaften und der Technik die Lehre von der Bewegung von Körpern sowie den dabei wirkenden Kräften. Sie ist ein Teilgebiet der Physik und der historische Ursprung aller anderen physikalisch-technischen Disziplinen. In der theoretischen Physik wird der Begriff oft abkürzend für die klassische Mechanik verwendet, die die mathematisch-theoretischen Grundlagen der Mechanik behandelt. In den Ingenieurwissenschaften hingegen wird der Begriff oft abkürzend für die technische Mechanik benutzt.

Unterteilung

Strukturierung der Mechanik nach den grundlegenden physikalischen Vorgängen.

Die Mechanik kann grob in verschiedene Teilgebiete untergliedert werden: Die Kinematik befasst sich unter Definition der Begriffe Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung mit der Bewegung von Körpern in Raum und Zeit. Die Dynamik erweitert die Beschreibung der Bewegungen durch die Masse und den wirkenden Kräften. Die Dynamik wiederum kann unterteilt werden in die Statik (Kräfte im Gleichgewicht) und die Kinetik (Kräfte nicht im Gleichgewicht).

Viele moderne physikalische Theorien haben ihren Ursprung in der Mechanik, zählen jedoch meist nicht als Teilgebiet dieser. Für sehr hohe Geschwindigkeiten oder sehr große Massen muss die Mechanik um die spezielle bzw. die allgemeine Relativitätstheorie erweitert werden. Für sehr kleine Teilchen wird die Mechanik zur Quantenmechanik verallgemeinert. Sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik enthalten die klassische Mechanik als Spezialfall.

Zudem lassen sich spezielle Teilgebiete der Mechanik bzgl. der grundlegenden Eigenschaften der betrachteten Körper abgrenzen:

Grenzen

Es gibt aber Phänomene, die mit der klassischen Mechanik nicht mehr erklärt oder nicht mehr in Einklang gebracht werden können. In diesen Fällen wird die klassische Mechanik durch genauere Theorien ersetzt, wie z. B. durch die spezielle Relativitätstheorie oder die Quantenmechanik. Diese Theorien enthalten die klassische Mechanik als Grenzfall. Bekannte klassisch nicht erklärbare Effekte sind Photoeffekt, Comptonstreuung und Hohlraumstrahler.

Anders als in der Relativitätstheorie gibt es in der klassischen Mechanik keine Maximalgeschwindigkeit, mit der sich Signale ausbreiten können. So ist es in einem klassischen Universum möglich, alle Uhren mit einem unendlich schnellen Signal zu synchronisieren. Dadurch ist eine absolute, in jedem Inertialsystem gültige Zeit denkbar.

Geschichte

Als Beginn der Klassischen Mechanik wird Isaac Newtons Buch "Mathematische Prinzipen der Naturphilosophie" von 1687 angesehen. Darin werden Bewegungen von Körpern, insbesondere die beschleunigten Bewegungen, mithilfe eines eigens hierfür geschaffenen neuen Kraftbegriffs umfassend analysiert. Newton wies nach, dass alle Beobachtungen und Messungen an Bewegungen von Körpern sich durch ein Gerüst weniger Grundannahmen erklären lassen. Er zeigte das, mittels der ebenfalls neuen mathematischen Technik der Infinitesimalrechnung, in mathematischer Strenge für die Beobachtungsergebnisse von Galilei zum freien Fall und die von Johannes Kepler zu den Planetenbewegungen, wie auch auch für zahlreiche eigene Beobachtungen und Messungen an bewegten Körpern.

Dass die Gültigkeit der klassischen Mechanik ihre Grenzen hat, wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Erkenntnisse der Elektrodynamik führten zu Problemen, die Albert Einstein im Rahmen seiner Speziellen Relativitätstheorie und Allgemeinen Relativitätstheorie mit einer Revision der klassischen Annahmen über Raum, Zeit und Masse löste. Danach bleibt die Newtonsche Mechanik näherungsweise gültig für die Bewegung von Körpern, deren Geschwindigkeiten gegenüber der Lichtgeschwindigkeit und deren Gravitationsenergie gegenüber ihrer Ruheenergie vernachlässigt werden können. Eine andere Gültigkeitsgrenze der klassischen Mechanik ergab sich aus den Erkenntnissen der Atomphysik, die - nach ersten Erfolgen von Niels Bohr und Arnold Sommerfeld - erst in der durch Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger entwickelten Quantenmechanik erklärt werden konnten. Aus der Quantenmechanik ergibt sich, dass die klassische Mechanik für solche Vorgänge näherungsweise gültig ist, bei denen die de-Broglie-Wellenlänge der Körper vernachlässigbar klein gegenüber den maßgebenden räumlichen Abständen sind.



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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 17.09. 2017