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Die Mechanik beschreibt die Bewegung von Körpern (Kinematik) und die wirkenden Kräfte (Dynamik), wobei zwischen Translation und Rotation unterschieden wird. Zentrale Prinzipien sind die Newton'schen Gesetze und die Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Drehimpuls.
Die Mechanik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung von Körpern und den dabei wirkenden Kräften befasst. In der Medizin ist dies die Grundlage, um etwa den Blutfluss oder die Biomechanik des Bewegungsapparates zu verstehen.
Die Mechanik wird oft in die Teilgebiete Statik (Kräfte im Gleichgewicht, ruhende Körper) und Dynamik (Kräfte verändern den Bewegungszustand) unterteilt. Die Dynamik gliedert sich wiederum in Kinematik (Beschreibung von Bewegungen ohne Berücksichtigung der Kräfte) und Kinetik (Wirkung von Kräften auf die Bewegung).
Die einfachste Form der Bewegung ist die Translation (Fortbewegung). Hierbei bewegen sich alle Punkte eines Körpers auf parallelen Bahnen. Stell dir einen Schlitten vor, der einen Hang hinuntergleitet: Jeder Teil des Schlittens legt denselben Weg in derselben Zeit zurück.
Im Gegensatz dazu steht die Rotation (Drehbewegung). Hier bewegen sich die Punkte eines Körpers auf Kreisbahnen um eine gemeinsame Achse. Ein Beispiel ist das Kniegelenk bei einer Beugung, wobei der Unterschenkel um die Gelenkachse rotiert.
Um Bewegung zu beschreiben, benötigen wir die Zeit (t, gemessen in Sekunden) und den Weg (s, gemessen in Metern). Die Geschwindigkeit (v) gibt an, wie schnell sich der Ort eines Körpers ändert (v = Δs / Δt). Sie ist eine gerichtete Größe, ein sogenannter Vektor.
Die drei SI-Grundgrößen der Mechanik sind Weg (Meter, m), Masse (Kilogramm, kg) und Zeit (Sekunde, s). Alle weiteren Größen lassen sich daraus ableiten: Die Geschwindigkeit hat die Einheit m/s, die Beschleunigung m/s², die Kraft Newton (N = kg·m/s²), die Energie Joule (J = kg·m²/s²), die Leistung Watt (W = kg·m²/s³) und der Impuls Newtonsekunde (N·s = kg·m/s).
Ändert sich die Geschwindigkeit eines Körpers, sprechen wir von Beschleunigung (a). Sie ist definiert als die Geschwindigkeitsänderung pro Zeitspanne (a = Δv / Δt). Auch die Beschleunigung ist ein Vektor und hat die Einheit m/s².
Die Masse (m, Einheit: Kilogramm) ist eine fundamentale Eigenschaft der Materie. Sie ist ein Maß für die Trägheit, also den Widerstand eines Körpers gegen eine Änderung seines Bewegungszustandes. Je massereicher ein Körper ist, desto mehr Kraft wird benötigt, um ihn zu bewegen.
Die Kraft (F, Einheit: Newton) ist die Ursache für eine Beschleunigung oder Verformung. Das zweite Newton’sche Gesetz besagt: F = m * a. Eine Kraft von einem Newton (1 N) beschleunigt eine Masse von 1 kg um 1 m/s². Eine Kraft kann einen Körper auch in Drehung versetzen, wenn sie nicht an seinem Schwerpunkt angreift, und sie kann seine Bewegungsrichtung ändern.
Das erste Newton'sche Gesetz (Trägheitsprinzip) besagt: Ein Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit, solange keine äußere Kraft auf ihn wirkt. Das dritte Newton'sche Gesetz (Wechselwirkungsprinzip, Actio = Reactio) besagt: Übt Körper A eine Kraft auf Körper B aus, so übt B eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus. Ein Beispiel: Drückst du mit 100 N gegen eine Wand, drückt die Wand mit 100 N zurück.
Der Impuls (p) beschreibt den 'Wuchtzustand' eines bewegten Körpers und berechnet sich aus Masse mal Geschwindigkeit (p = m * v). Er ist eine Erhaltungsgröße, was bedeutet, dass der Gesamtimpuls in einem abgeschlossenen System ohne äußere Einflüsse konstant bleibt. Für zwei Körper gilt: m1 * v1_vorher + m2 * v2_vorher = m1 * v1_nachher + m2 * v2_nachher. Bei einem inelastischen Stoß wird ein Teil der kinetischen Energie in Verformung oder Wärme umgewandelt, der Impuls bleibt jedoch erhalten.
Der Energieerhaltungssatz ist ein weiteres fundamentales Prinzip. In einem reibungsfreien System bleibt die Summe aus potentieller Energie (E_pot = m * g * h) und kinetischer Energie (E_kin = 1/2 * m * v²) konstant. Die Erdbeschleunigung g beträgt etwa 9,81 m/s². Fällt ein Körper aus einer Höhe, wandelt sich die potentielle Energie vollständig in kinetische um – daraus lässt sich die Aufprallgeschwindigkeit berechnen (m * g * h = 1/2 * m * v²).
Ein dritter Erhaltungssatz ist der Drehimpulserhaltungssatz. Der Drehimpuls L eines rotierenden Körpers bleibt erhalten, wenn kein äußeres Drehmoment wirkt. Für eine Punktmasse im Abstand r von der Drehachse gilt: L = m * v * r = m * ω * r², wobei ω die Winkelgeschwindigkeit ist. Ein klassisches Beispiel ist die Pirouette einer Eiskunstläuferin: Zieht sie die Arme an, verringert sich r, und die Drehgeschwindigkeit ω nimmt zu.
In der Mechanik unterscheiden wir zwischen Skalaren (Größen mit nur einem Wert, z.B. Masse oder Zeit) und Vektoren (Größen mit Betrag und Richtung, z.B. Kraft oder Geschwindigkeit).
Ein Spezialfall ist die gleichförmige Bewegung, bei der die Geschwindigkeit konstant bleibt (a = 0). Bei der gleichmäßig beschleunigten Bewegung hingegen bleibt die Beschleunigung konstant, während die Geschwindigkeit linear zu- oder abnimmt.
Wichtig ist das Konzept des Inertialsystems: ein Bezugssystem, in dem sich ein kräftefreier Körper geradlinig-gleichförmig bewegt oder ruht. In der klassischen Mechanik betrachtet man üblicherweise Inertialsysteme. Im Gegensatz dazu steht das offene System, bei dem nicht alle Wechselwirkungen berücksichtigt werden und die Erhaltungssätze nicht zwingend gelten.
