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Mechanik, klassische

Synonym: Newtonsche Mechanik. Nach der klassischen Mechanik wird die Bewegung von Körpern unter dem Einfluss von Kräften von drei Gesetzen bestimmt, den Newtonschen Axiomen. Erstens: Körper, auf die keine Kraft wirkt, bleiben in Ruhe oder bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit entlang gerader Bahnen im Raum (Trägheitsgesetz). Zweitens: Für die Kraft, die auf einen Körper wirkt, für seine Masse und für die Beschleunigung, die er aufgrund der Krafteinwirkung erfährt, gilt: Kraft gleich Masse mal Beschleunigung. Drittens: Übt ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft aus, so erfährt er seinerseits vom Körper B eine Kraft gleicher Stärke, aber in umgekehrter Richtung („actio gleich reaction“).

Eine Alternativformulierung des zweiten Gesetzes verwendet den Begriff des Impulses: Die Änderung des Impulses eines Körpers mit der Zeit ist gleich der Kraft, die auf ihn wirkt.

Definitioner

Trägheitsgesetz

Grundgesetz der Mechanik, gilt in der klassischen Mechanik ebenso wie in der Speziellen Relativitätstheorie: Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen. In der geometrischen Sprache der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich das umformulieren zu: Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich auf Raumzeitgeraden.

Strenggenommen gilt dieses Gesetz nur in bestimmten Bezugssystemen. Man kann es daher etwas allgemeiner formulieren als: Es ist immer möglich, ein Bezugssystem zu finden, in dem sich Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, mit konstanter Geschwindigkeit auf geraden Bahnen bewegen. Solche Bezugssysteme heißen Inertialsysteme.

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gilt das Trägheitsgesetz in leicht abgewandelter Form. Körper, auf die keine äußeren Kräfte wirken, bewegen sich dort im allgemeinen nicht mehr auf Raumzeitgeraden, aber auf den geradestmöglichen Raumzeitlinien, so genannten Geodäten.

Raum

Im engeren Sinne: Der Raum, wie wir ihn aus dem Alltag kennen - die Gesamtheit aller Orte, an denen sich Objekte befinden können, ein Gebilde mit drei Dimensionen. Im allgemeineren Sinne sind in der Mathematik auch allgemeinere Punktmengen Räume - eine Linie beispielsweise, eine Punktmenge mit nur einer Dimension, oder eine zweidimensionale Fläche, aber auch höherdimensionale Räume. In solchen Räumen muss zudem nicht zwangsweise die Euklidische Geometrie gelten, wie sie in den Schulen gelehrt wird, es kann sich auch um allgemeinere, verzerrte Gebilde handeln, etwa um Räume mit Krümmung.

Zeit

Dass in unserer Welt nicht alles auf ein Mal passiert, sondern dass gewisse Ereignisse in bestimmter Reihenfolge nacheinander stattfinden, ist eine Alltagserfahrung. Die Zeitkoordinate (kurz: Zeit), so, wie sie die Physiker definieren, ist eine Vorschrift, jedem Ereignis einen Zahlenwert zuzuordnen, der diese Reihenfolge wiedergibt. Der erste Schritt ist die Konstruktion einer Uhr: Dazu wird ein bestimmter einfacher Vorgang gewählt, der sich regelmäßig wiederholt. (Was dabei "regelmäßig" heißt, ist wieder eine Sache der Konvention, doch scheint die Natur so eingerichtet sein, dass alle einfachen Vorgänge, vom Hin- und Herschwingen eines Pendels bis zu den Schwingungsvorgängen von Atomen oder von elektronischen Schwingkreisen auf denselben Begriff der Regelmäßigkeit führen.) Dann wird ein Zählwerk konstruiert, das den Zählerstand der Zeitkoordinate bei jeder Wiederholung des gewählten einfachen Vorgangs erhöht. Damit lässt sich zumindest Ereignissen, die nahe der Uhr stattfinden, eine Zeit zuordnen, nämlich den Zählerstand der Uhr. Findet Ereignis B nach Ereignis A statt, so entspricht Ereignis B auch ein höherer Zählerstand. Um Ereignissen eine Zeit zuzuordnen, die nicht direkt am Ort der Uhr stattfinden, ist zudem eine Definition der Gleichzeitigkeit vonnöten - dass ein fernes Ereignis A zum Zeitpunkt 12:00 Uhr stattfindet heißt schließlich gerade, dass das Ereignis A und die 12:00 Uhr-Anzeige der Uhr gleichzeitig stattfinden. Dass es notwendig ist, hier eine Definition zu treffen ist ein zentraler Baustein der Speziellen Relativitätstheorie und samt Einsteinscher Gleichzeitigkeitsdefinition Inhalt eines eigenen Vertiefungsthemas Die Unselbstverständlichkeit des Jetzt. Sind all diese Vorbereitungen getroffen können die Physiker im Prinzip jedem Ereignis einen Zeitkoordinatenwert ("eine Zeit") zuordnen und genauer beschreiben, wie schnell oder langsam beobachtbare Prozesse oder Entwicklungen relativ zu der gewählten Zeitkoordinate stattfinden. Zur Umsetzung solcher Verfahren zur Zeit(koordinaten)bestimmung siehe das Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen - von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

Mechanik

Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung der Körper und damit beschäftigt, wie sie auf die Einwirkung von Kräften reagieren. Je nachdem, in welchem Rahmen die Bewegungsgesetze formuliert sind, handelt es sich um klassische Mechanik, relativistische Mechanik oder Quantenmechanik.

Geschwindigkeit

In der Physik hat Geschwindigkeit zwei Aspekte: Erstens, wie im Alltag: wie schnell ist ein Objekt? Zweitens, etwas ungewohnter: in welche Richtung bewegt es sich? Physiker fassen diese beiden Informationen in einer einzigen Größe zusammen, einer "gerichteten Größe" oder einem "Vektor", den sie die Geschwindigkeit des Objekts nennen. Im Alltag ist mit Geschwindigkeit oft nur die Schnelligkeit gemeint, und der physikalische Sprachgebrauch ist daher etwas gewöhnungsbedürftig: Ein Auto, das mit 100 Stundenkilometern um die Kurve fährt, ändert seine Bewegungsrichtung und damit im Sprachgebrauch der Physiker auch seine Geschwindigkeit – obwohl es während der Kurvenfahrt immer gleich schnell ist.

Beschleunigung

Jede Änderung einer Geschwindigkeit mit der Zeit ist eine Beschleunigung. Vom Alltagsgebrauch, wo Beschleunigung oft nur für das Schnellerwerden eines Objekts verwandt wird, weicht diese Definition in zweierlei Hinsicht ab: Auch ein Abbremsen ist eine Geschwindigkeitsänderung und damit eine ("negative") Beschleunigung. Zudem ist in der physikalische Definition auch die Bewegungsrichtung eines Objekts ein Aspekt seiner Geschwindigkeit, und auch der Umstand, dass ein Objekt zwar gleich schnell bleibt, aber seine Bewegungsrichtung ändert (etwa ein Auto, das ohne Abbremsen um die Kurve fährt) entspricht einer Beschleunigung.

Masse

In der klassischen Physik spielt die Masse eines Köpers drei Rollen gleichzeitig. Zum einen ist die Masse ein Maß dafür, wie leicht sich der Bewegungszustand eines Körpers ändern lässt ("träge Masse"). Fliegen an einem schwerelosen Raumfahrer ein Elefant und eine Maus vorbei, und gibt der Raumfahrer jedem der Tiere einen Schubs gleicher Stärke, dann ist der Umstand, dass die Maus ihre Flugrichtung und/oder Geschwindigkeit daraufhin sehr stark ändert, der Elefant dagegen kaum, sicheres Zeichen dafür, dass die Masse des Elefanten wesentlich größer ist als die der Maus. Zweitens ist die Masse ein Maß dafür, aus wieviel Materie ein Körper besteht. Atome ein und derselben Sorte haben dieselbe Masse, und die Gesamtmasse eines Körpers ergibt sich, indem man all die winzigen Massen seiner atomaren Bestandteile zusammenzählt. Drittens bestimmt die Masse gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz, wie stark ein Körper andere Körper über die Schwerkraft anzieht und wie stark andere Massen ihn anziehen ("schwere Masse"). Auch in der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich eine Masse definieren, die ein Maß dafür darstellt, wie stark sich der Körper Versuchen wiedersetzt, seinen Bewegungszustand zu ändern. Diese relativistische Masse ist allerdings davon abhängig, wie schnell sich der betreffende Körper gegenüber dem Beobachter bewegt (relativistische Massenzunahme). Ihren berühmtesten Auftritt hat diese Masse in der Formel E = mc² (Masse-Energie-Äquivalenz). Den kleinsten Wert hat die relativistische Masse eines gegebenen Körpers für einen Beobachter, der sich relativ zum Körper in Ruhe befindet. Dies ist die so genannte Ruhemasse des Körpers, und wenn etwa in der relativistischen Teilchenphysik von Masse die Rede ist, ist meist die Ruhemasse gemeint. Die Ruhemasse ist wie in der klassischen Physik eine Art Maß für den Materiegehalt des Körpers. Bei zusammengesetzten Körpern tragen nun aber beispielsweise die Energien der Bindungskräfte etwas zur letztendlichen Masse bei (wieder ein Beispiel für die Masse-Energie-Äquivalenz. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Masse nach wie vor ein Maß für die Gravitationswirkung, die von einem Körper ausgeht; zusätzlich zur Masse tragen hier allerdings auch Größen wie Energie, Impuls und innerer Druck bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr). Die Maßeinheit der Masse im internationalen Einheitensystem ist das Kilogramm. Mit der Definition von träger und schwerer Masse - Masse als Trägheitsmaß und "Gravitationsladung" - und mit dem Zusammenhang dieser Definitionen mit dem so genannten Äquivalenzprinzip, einem der Ausgangspunkte der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschäftigt sich das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Kraft

In der Mechanik: Einfluss, der auf einen Körper wirkt und ihm eine Beschleunigung zu erteilen sucht.

Allgemeiner: Art, wie Elementarteilchen oder zusammengesetzte Teilchen in Wechselwirkung treten können; Kraft und Wechselwirkung sind in diesem Sinne synonym. Das Standardmodell der Elementarteilchen umfasst drei Grundkräfte: Elektromagnetismus, Starke Kernkraft und Schwache Kernkraft, nicht aber die vierte grundlegende Wechselwirkung, die Gravitation.

Die Grundkräfte werden in der Physik als Auswirkung so genannter Felder beschrieben - wie Kraft und Feld zusammenhängen schildert das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld.

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