Dynamik – Die Bewegungslehre

Dynamik im Alltag

Die Mechanik gehört zu den am besten greifbaren und anschaulichsten Teilgebieten der Physik, da sie sich mit alltäglichen Problemen beschäftigt, die jeder schon einmal erlebt hat. Außerdem ist die Mechanik mathematisch noch nicht so anspruchsvoll, wie es andere Teilgebiete der Physik sind. Die Kombination aus Greifbarkeit und Einfachheit ist der Grund, warum die Mechanik auch recht früh im Physikunterricht an der Schule behandelt wird. Auf der Mechanik und insbesondere der Dynamik baut vieles auf und die Formeln der Dynamik sind immer wieder wichtig.

Doch was ist die Dynamik genau und was macht sie so alltäglich? Der Begriff Dynamik stammt vom altgriechischen Wort dynamis, das Kraft bedeutet. Ihrem Namen entsprechend ist die Dynamik die Lehre der Kraft und ihres Einflusses auf Bewegungen von Körpern. Für dich heißt dies: Fast alles, was sich bewegt, kann mit den Gesetzen der Dynamik berechnet werden: die drei Disziplinen der Bundesjugendspiele Laufen, Werfen, Springen, eine Fahrt mit dem Auto, eine perfekte Partie Billard oder Darts bis hin zu den Planeten, die um die Sonne kreisen.

Bewegung und Geschwindigkeit

Über die Jahre der Menschheitsgeschichte hinweg haben Menschen immer schnellere Fortbewegungsmittel entwickelt von der Pferdekutsche bis zur Rakete. Das Ziel war immer dasselbe: weitere Strecken in kürzerer Zeit zurücklegen. Dies lässt sich über den Zusammenhang von Bewegung und Geschwindigkeit beschreiben.

Wie du sicher weißt, kann eine Bewegung in den unterschiedlichsten Varianten vorkommen. Ein Zug fährt die meiste Zeit mit gleicher Geschwindigkeit. Man nennt dies eine gleichförmige Bewegung. Wohingegen du bei einer Autofahrt ständig bremsen und beschleunigen musst, dies nennt man eine beschleunigte Bewegung. Um diese Bewegungsformen zu vergleichen kannst du sie am besten in ein Bewegungsdiagramm eintragen.

Bewegung durch Kraft und Energie

Im einführenden Abschnitt hast du erfahren, dass die Dynamik die Lehre der Kraftwirkungen auf Bewegungszustände von Körpern ist. Genau darum soll es in den nächsten Themen gehen.

Begründer der Dynamik war der Physik Isaac Newton. Vielleicht hast du ja schon einmal die berühmte Geschichte vom Apfel gehört, der Newton auf den Kopf gefallen ist. Dieses Vorkommnis soll für Newton der Anstoß gewesen sein, sich mit Bewegungen durch Kraft und Energie zu beschäftigen. Durch seine Forschung fand er die drei Newton'schen Axiome, die noch heute Gültigkeit haben: Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip und Wechselwirkungsprinzip. Wenn du diese drei Gesetze beherrschst, kannst du im Prinzip jede Bewegung berechnen. Dazu benötigst du nur den Anfangspunkt und die Anfangsgeschwindigkeit eines Objekts und kannst damit sicher vorhersagen, wann das Objekt wo ist. Eine große Rolle für die Beschreibung dieser Bewegungen und wirkenden Kräfte spielen auch die Energieerhaltung und die Impulserhaltung.

Wurfbewegungen

Eine gute Anwendungsmöglichkeit für deine neu gewonnen Kenntnisse in Newton'scher Dynamik sind deine nächsten Bundesjugendspiele. Möglicherweise bist du im Werfen und Springen bisher nicht so gut gewesen, dafür aber in Physik. Wenn dem so ist, dann wendet sich jetzt das Blatt. Mit Hilfe der Newton'schen Axiome kannst du nämlich berechnen, wie die perfekte Wurfbewegung für maximale Reichweite aussieht. Diese hilft dir nicht nur beim Werfen sondern auch beim Weitsprung. Die Natur berücksichtigt diese Regeln fast immer, ohne darüber nachzudenken.

Für die Berechnung ist das Prinzip der Superposition wichtig. In der Dynamik bedeutet Superposition, dass du die Bewegung eines Objekts in drei Dimensionen aufteilen kannst: etwa in vor-zurück, rechts-links oder hoch-runter. Hilfreich ist es, wenn du Bewegungsgleichungen dabei mit Vektoren darstellst.

Analogien zu der Rotationsbewegung

Wie eingangs schon erwähnt, tauchen die Gesetze der Dynamik in der Physik immer wieder auf. Dies nennt man Analogie. Ein gutes Beispiel sind Rotationsbewegungen. Bisher hast du dich nur mit geradlinigen Bewegungen beschäftigt. Die Formeln, die du gelernt hast, funktionieren allerdings nicht, wenn du eine Kreisbewegung beschreiben möchtest. Eine Kreisbewegung führst du aus, wenn du mit dem Karussell fährst, aber auch Satelliten kreisen um die Erde. Sicher hast du bereits schon einmal festgestellt, dass du auf einem Karussell außen viel schneller als innen bist. Physikalisch ausgedrückt hast du außen eine höhere Bahngeschwindigkeit. Diese und weitere wichtige Begriffe bilden die Grundlagen der Rotationsbewegung.

Sobald du die Grundlagen verstanden hast, kannst du die Rotationsbewegungen mit Drehimpuls und Kraft noch genauer beschreiben. Diese Beschreibungen zeigen dir dann, das die Rotationsbewegung tatsächlich nur eine Analogie der geradlinigen Bewegung ist.

Fortführendes

Wenn du es bis hierhin geschafft hast, hast du es bereits weit gebracht. Aber wie immer in der Physik ist es auch in der Dynamik so, dass Sachverhalte immer schwieriger und komplexer werden, je genauer du dich mit ihnen beschäftigst. Du wirst schnell merken, dass die wenigsten Bewegungen gleichförmig oder gleichmäßig sind. Stattdessen verlaufen Bewegungen in der Realität oft willkürlich. Folglich müssen auch die Formeln verallgemeinert werden. Dies passiert, wenn du sie differential betrachtest.

Weiterhin kann es einen Unterschied machen, in welchem Bezugssystem du Bewegungen berechnest. Befindest du dich in einem fahrenden Zug, gibt es keinen nennenswerten Unterschiede im Vergleich zur Berechnung im Stand. Fährt der Zug aber plötzlich um die Kurve, so erscheinen die physikalischen Gesetze verändert. Das liegt daran, dass die Kurvenfahrt kein Inertialsystem beschreibt. Dies ist auch der Grund dafür, warum die Zentrifugalkraft, die du von jeder Autofahrt kennst, eigentlich gar nicht echt ist. Wo diese Kraft herkommt und andere fortgeschrittene Themen kannst du im Thema Translationsbewegungen, Trägheit und Bezugssystem lernen.