Mechanik: Unterschied zwischen den Versionen

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Die '''Mechanik''' (von {{grcS|μηxανικὴ τέxνη|mechané|de=Maschine, Kunstgriff, Wirkungsweise}})<ref name="Motz2013">{{cite book |author=Heinz Dieter Motz |title=Ingenieur-Mechanik: Technische Mechanik für Studium und Praxis |url=http://books.google.com/books?id=ivanBgAAQBAJ&pg=PA1 |date=8. März 2013 |publisher=Springer-Verlag |isbn=978-3-642-95761-1 |pages=1}}</ref><ref name="Mittelstraß2014">{{cite book |author=Jürgen Mittelstraß |title=Die griechische Denkform: Von der Entstehung der Philosophie aus dem Geiste der Geometrie |url=http://books.google.com/books?id=dA7pBQAAQBAJ&pg=PT29 |date=1. April 2014 |publisher=De Gruyter |isbn=978-3-11-037062-1 |pages=29}}</ref> ist in den [[Naturwissenschaften]] und den [[Ingenieurwissenschaften]] die Lehre von der Bewegung von [[Körper (Physik)|Körpern]] sowie den dabei wirkenden [[Kraft|Kräften]]. In der [[Physik]] wird unter Mechanik meist die [[klassische Mechanik]] verstanden. Im Teilgebiet der [[Theoretische Physik|theoretischen Physik]] wird der Begriff oft abkürzend für die [[theoretische Mechanik]] verwendet. In den Ingenieurwissenschaften versteht man darunter meist die [[Technische Mechanik]], die Methoden und Grundlagen der klassischen Mechanik nutzt zur Berechnung von Maschinen oder Bauwerken.
Die '''Mechanik''' (von {{grcS|μηχανικὴ τέχνη|mechané|de=Maschine, Kunstgriff, Wirkungsweise}})<ref name="Motz2013">{{cite book |author=Heinz Dieter Motz |title=Ingenieur-Mechanik: Technische Mechanik für Studium und Praxis |url=https://books.google.de/books?id=ivanBgAAQBAJ&pg=PA1&hl=de |date=8. März 2013 |publisher=Springer-Verlag |isbn=978-3-642-95761-1 |pages=1}}</ref><ref name="Mittelstraß2014">{{cite book |author=Jürgen Mittelstraß |title=Die griechische Denkform: Von der Entstehung der Philosophie aus dem Geiste der Geometrie |url=https://books.google.de/books?id=dA7pBQAAQBAJ&pg=PT29&hl=de |date=2014 |publisher=De Gruyter |isbn=978-3-11-037062-1 |pages=29}}</ref> ist in den [[Naturwissenschaften]] und den [[Ingenieurwissenschaften]] die Lehre von der Bewegung und Verformung von [[Körper (Physik)|Körpern]] sowie den dabei wirkenden [[Kraft|Kräften]]. In der [[Physik]] wird unter Mechanik meist die [[klassische Mechanik]] verstanden. Im Teilgebiet der [[Theoretische Physik|theoretischen Physik]] wird der Begriff oft abkürzend für die [[theoretische Mechanik]] verwendet. In den Ingenieurwissenschaften versteht man darunter meist die [[Technische Mechanik]], die Methoden und Grundlagen der klassischen Mechanik zur Berechnung von Maschinen oder Bauwerken nutzt.


Sowohl die [[Relativitätstheorie]] als auch die [[Quantenmechanik]] enthalten die klassische Mechanik als Spezialfall.
Sowohl die [[Relativitätstheorie]] als auch die [[Quantenmechanik]] enthalten die klassische Mechanik als Spezialfall.
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== Unterteilung ==
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! Strukturierung der Mechanik im [[Fachgebiet|Fachbereich]] [[Physik]]
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! Strukturierung der Mechanik <br>im [[Fachgebiet|Fachbereich]] [[Technische Mechanik]]
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Die Mechanik kann grob in verschiedene Teilgebiete untergliedert werden: Die [[Kinematik]] befasst sich mit der [[Bewegung (Physik)|Bewegung]] von Körpern und beschreibt vor allem die [[Bahnkurve]], [[Geschwindigkeit]] und [[Beschleunigung]] von Körpern, ohne dabei Masse oder Kräfte zu berücksichtigen. Die [[Dynamik (Physik)|Dynamik]] erweitert die Beschreibung der Bewegungen durch die [[Masse (Physik)|Masse]] und die wirkenden [[Kraft|Kräfte]]. Die Dynamik wird häufig unterteilt in die [[Statik (Mechanik)|Statik]] (Kräfte im Gleichgewicht) und die [[Kinetik (Technische Mechanik)|Kinetik]] (Kräfte nicht im Gleichgewicht). In der Technischen Mechanik<ref>Sayir, Kaufmann: ''Ingenieurmechanik.'' Springer, 2015, 2. Auflage, S. 9.</ref> teilt man sie dagegen auch ein in Kinematik und Kinetik und fasst sie als Teilgebiet auf, das neben der Statik steht.
Die Mechanik kann grob in verschiedene Teilgebiete untergliedert werden: Die [[Kinematik]] befasst sich mit der [[Bewegung (Physik)|Bewegung]] von Körpern und beschreibt vor allem die [[Bahnkurve]], [[Geschwindigkeit]] und [[Beschleunigung]] von Körpern, ohne dabei Masse oder Kräfte zu berücksichtigen. Die [[Dynamik (Physik)|Dynamik]] erweitert die Beschreibung der Bewegungen durch die [[Masse (Physik)|Masse]] und die wirkenden [[Kraft|Kräfte]]. Die Dynamik wird häufig unterteilt in die [[Statik (Mechanik)|Statik]] (Kräfte im Gleichgewicht) und die [[Kinetik (Technische Mechanik)|Kinetik]] (Kräfte nicht im Gleichgewicht). In der Technischen Mechanik<ref>Sayir, Kaufmann: ''Ingenieurmechanik.'' Springer, 2015, 2. Auflage, S. 9.</ref> teilt man sie dagegen auch ein in Kinematik und Kinetik und fasst sie als Teilgebiet auf, das neben der Statik steht.


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Eine Einteilung nach [[Aggregatzustand]] sieht wie folgt aus:
Eine Einteilung nach [[Aggregatzustand]] sieht wie folgt aus:
* Mechanik fester Körper ([[Festkörpermechanik]])
* Mechanik fester Körper ([[Festkörpermechanik]])
** [[Mechanik starrer Körper]]: Massepunkte und unverformbare Körper
** [[Mechanik starrer Körper]] oder Stereomechanik<ref name="hamel">{{Literatur
| Autor=[[Georg Hamel]]
| Titel=Elementare Mechanik
| TitelErg=Ein Lehrbuch
| Verlag=B. G. Teubner
| Ort=Leipzig und Berlin
| Jahr=1912
| Seiten=74
| Online=https://archive.org/details/elementaremecha00hamegoog/
| Zugriff=2020-02-26}}</ref>: Systeme von diskreten Massenpunkten und unverformbare Körper. Sie teilt sich auf in die [[Punktmechanik]], die von Eigendrehungen der Körper absieht, und die [[Kreiseltheorie]], die sich auf die Eigendrehungen konzentriert.
** Mechanik elastischer Körper: Die [[Elastizitätstheorie]] behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die [[Elastostatik]] für unbewegte Körper.
** Mechanik elastischer Körper: Die [[Elastizitätstheorie]] behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die [[Elastostatik]] für unbewegte Körper.
** Mechanik plastischer Körper: Die [[Plastizitätstheorie]] behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden, wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
** Mechanik plastischer Körper: Die [[Plastizitätstheorie]] behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden, wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
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* [[Theoretische Mechanik]] (auch „Analytische Mechanik“ genannt). Neben der Unterteilung in Kinematik und Dynamik kann auch nach dem Formalismus unterteilt werden in:<ref>Wolfgang Nolting: ''Grundkurs Theoretische Physik 2. Analytische Mechanik.'' 9. Auflage, S. IX, 105 f.</ref><ref>Honerkamp, Römer: ''Klassische Theoretische Physik.'' 4. Auflage, Vorwort und S. 69.</ref>
* [[Theoretische Mechanik]] (auch „Analytische Mechanik“ genannt). Neben der Unterteilung in Kinematik und Dynamik kann auch nach dem Formalismus unterteilt werden in:<ref>Wolfgang Nolting: ''Grundkurs Theoretische Physik 2. Analytische Mechanik.'' 9. Auflage, S. IX, 105 f.</ref><ref>Honerkamp, Römer: ''Klassische Theoretische Physik.'' 4. Auflage, Vorwort und S. 69.</ref>
** [[Newtonsche Mechanik]]: Die älteste Darstellungsweise, die auf [[Isaac Newton]] zurückgeht. Sie gilt in unbeschleunigten [[Bezugssystem]]en ([[Inertialsystem]]e). Die Lösung konkreter Problemstellungen mit eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten kann sehr aufwendig sein.
** [[Newtonsche Mechanik]]: Die älteste Darstellungsweise, die auf [[Isaac Newton]] zurückgeht. Sie gilt in unbeschleunigten [[Bezugssystem]]en ([[Inertialsystem]]e). Die Lösung konkreter Problemstellungen mit eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten kann sehr aufwendig sein.
** [[Lagrange-Formalismus]]: Eine Darstellungsweise, die auf [[Joseph-Louis Lagrange]] zurückgeht und auch in beschleunigten Bezugssystemen gilt. Sie verwendet verallgemeinerte Koordinaten und gestattet eine deutlich einfachere Lösung vieler Probleme, z.&nbsp;B. bei Systemen mit mehr als zwei Körpern oder mit Bewegungseinschränkungen.  
** [[Lagrange-Formalismus]]: Eine Darstellungsweise, die auf [[Joseph-Louis Lagrange]] zurückgeht und auch in beschleunigten Bezugssystemen gilt. Sie verwendet verallgemeinerte Koordinaten und gestattet eine deutlich einfachere Lösung vieler Probleme, z.&nbsp;B. bei Systemen mit mehr als zwei Körpern oder mit Bewegungseinschränkungen.
** [[Hamiltonsche Mechanik]]: Eine sehr allgemeine Darstellung von [[William Rowan Hamilton]], die in der Himmelsmechanik Vorteile hat und sich im Theoriengebäude der Physik für den Anschluss der [[Quantenmechanik]] eignet.
** [[Hamiltonsche Mechanik]]: Eine sehr allgemeine Darstellung von [[William Rowan Hamilton]], die in der Himmelsmechanik Vorteile hat und sich im Theoriengebäude der Physik für den Anschluss der [[Quantenmechanik]] eignet.
* [[Technische Mechanik]]. Meist eingeteilt in:
* [[Technische Mechanik]]. Meist eingeteilt in:
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** [[Dynamik (Physik)|Dynamik]]: Bewegte Körper
** [[Dynamik (Physik)|Dynamik]]: Bewegte Körper


Außerdem gibt es noch die
Eine Einteilung nach der Art der [[Idealisierung (Physik)|Idealisierung]] führt auf:
* [[Kontinuumsmechanik]] – kontinuierlich ausgedehnte, verformbare Körper, mit der Unterteilung:
* [[Punktmechanik]]: Sie wurde von Isaac Newton begründet und benutzt die höchstmögliche Idealisierung von realen Körpern als [[Massenpunkt]].
* [[Mechanik starrer Körper]] oder Stereomechanik<ref name="hamel"/>: unverformbare Körper und Systeme von [[Massenpunkt]]en mit sechs [[Freiheitsgrad]]en mit dem Teilgebiet [[Kreiseltheorie]], die sich auf die Drehbewegungen mit drei Freiheitsgraden konzentriert.
* [[Kontinuumsmechanik]]: kontinuierlich ausgedehnte, verformbare Körper, mit der Unterteilung:
** Mechanik elastischer Körper: Die [[Elastizitätstheorie]] behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die [[Elastostatik]] für unbewegte Körper.
** Mechanik elastischer Körper: Die [[Elastizitätstheorie]] behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die [[Elastostatik]] für unbewegte Körper.
** Mechanik plastischer Körper: Die [[Plastizitätstheorie]] behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
** Mechanik plastischer Körper: Die [[Plastizitätstheorie]] behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
** [[Strömungsmechanik]] (Fluidmechanik) – [[Flüssigkeit]]en, [[Gas]]e und [[Plasma (Physik)|Plasmen]]
** [[Strömungsmechanik]] und [[Gasdynamik]] (Fluidmechanik): [[Flüssigkeit]]en, [[Gas]]e und [[Plasma (Physik)|Plasmen]]
* [[Statistische Mechanik]] (auch Statistische Thermodynamik) – statistische Wechselwirkung vieler Massenpunkte, mit Bezügen insbesondere zur [[Thermodynamik]]. Die statistische Mechanik ist ein Teilgebiet der [[Statistische Physik|Statistischen Physik]].
* [[Statistische Mechanik]] (auch Statistische Thermodynamik): statistische Wechselwirkung vieler Massenpunkte, mit Bezügen insbesondere zur [[Thermodynamik]]. Die statistische Mechanik ist ein Teilgebiet der [[Statistische Physik|Statistischen Physik]].


== Studium ==
== Studium ==
Mechanik wird einerseits als Teil des [[Physikstudium]]s gelehrt andererseits als Teil einer Ingenieursausbildung gelehrt, beispielsweise im [[Studium Maschinenbau|Studium des Maschinenbaus]] oder des [[Bauingenieurwesen#Studium|Bauingenieurwesens]]. Daneben gibt es noch vereinzelt spezielle Studiengänge der Mechanik, zum Teil unter der Bezeichnung '''Angewandte Mechanik'''<!--Weiterleitung hierher fett gemäß [[WP:WL]]-->:
Die Mechanik wird einerseits als Teil des [[Physikstudium]]s, andererseits als Teil einer Ingenieursausbildung gelehrt, beispielsweise im [[Studium Maschinenbau|Studium des Maschinenbaus]] oder des [[Bauingenieurwesen#Studium|Bauingenieurwesens]]. Daneben gibt es noch vereinzelt spezielle Studiengänge der Mechanik, zum Teil unter der Bezeichnung '''Angewandte Mechanik'''<!--Weiterleitung hierher fett gemäß [[WP:WL]]-->:


*[[Master|Master of Science]] (MSc) Mechanik an der [[Ecole Polytechnique]], Frankreich
* [[Master|Master of Science]] (MSc) Mechanik an der [[Ecole Polytechnique]], Frankreich
*MSc Mechanik an der [[Universite Paris-Saclay]], Frankreich
* MSc Mechanik an der [[Universite Paris-Saclay]], Frankreich
*MSc Angewandte Mechanik an der [[TU Chalmers]], Schweden
* MSc Angewandte Mechanik an der [[TU Chalmers]], Schweden
*Studienbereich Mechanik mit [[Bachelor| Bachelor of Science]] (BSc) Angewandte Mechanik und MSc Mechanik an der [[TU Darmstadt]]
* Studienbereich Mechanik mit [[Bachelor|Bachelor of Science]] (BSc) Angewandte Mechanik und MSc Mechanik an der [[TU Darmstadt]]
*MSc Computational Mechanics an der [[Universität Duisburg-Essen]]
* MSc Computational Mechanics an der [[Universität Duisburg-Essen]]
*MSc Computational Mechanics an der [[TU München]]
* MSc Computational Mechanics an der [[TU München]]
* BSc und MSc Maschinenbau mit Vertiefung Angewandte Mechanik an der [[Ruhr-Universität Bochum]]


== Verbindungen zu angrenzenden wissenschaftlichen Disziplinen ==
== Verbindungen zu angrenzenden wissenschaftlichen Disziplinen ==
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Im Theoriengebäude der Physik ergeben sich vielfältige Verbindungen: Die [[Hamilton-Mechanik]] ist eine sehr allgemeine Formulierung der Klassischen Mechanik die als Spezialfälle sowohl die newtonsche Mechanik als auch die [[Quantenmechanik]] enthält. Systeme die aus sehr vielen Körpern bestehen, können theoretisch beschrieben werden durch die Bewegungen der einzelnen Körper. Praktisch ist die Lösung der zahlreichen Gleichungen die dazu benötigt werden ab einer gewissen Anzahl an Körpern nicht mehr möglich; die [[Statistische Mechanik]] befasst sich dann mit Aussagen zu solchen [[Vielteilchensystem]]en. Ab einer Größenordnung von etwa 10<sup>23</sup> Teilchen, stimmen die Voraussagen der statistischen Mechanik sehr gut mit jenen der [[Thermodynamik]] überein. Die [[Relativitätstheorie]] enthält für kleine Geschwindigkeiten die klassische Mechanik als Spezialfall.
Im Theoriengebäude der Physik ergeben sich vielfältige Verbindungen: Die [[Hamilton-Mechanik]] ist eine sehr allgemeine Formulierung der Klassischen Mechanik die als Spezialfälle sowohl die newtonsche Mechanik als auch die [[Quantenmechanik]] enthält. Systeme die aus sehr vielen Körpern bestehen, können theoretisch beschrieben werden durch die Bewegungen der einzelnen Körper. Praktisch ist die Lösung der zahlreichen Gleichungen die dazu benötigt werden ab einer gewissen Anzahl an Körpern nicht mehr möglich; die [[Statistische Mechanik]] befasst sich dann mit Aussagen zu solchen [[Vielteilchensystem]]en. Ab einer Größenordnung von etwa 10<sup>23</sup> Teilchen, stimmen die Voraussagen der statistischen Mechanik sehr gut mit jenen der [[Thermodynamik]] überein. Die [[Relativitätstheorie]] enthält für kleine Geschwindigkeiten die klassische Mechanik als Spezialfall.


=== Verbindungen in den Ingenieurswissenschaften ===
=== Verbindungen in den Ingenieurwissenschaften ===
Die Technische Mechanik stellt grundsätzlich allgemeine Berechnungsverfahren zur Verfügung, ohne dabei auf spezielle Konstruktionswerkstoffe einzugehen (nur Kenngrößen wie Festigkeit und Elastizität werden berücksichtigt, aber nicht, ob es sich um Holz oder Stahl handelt) und behandelt auch nicht spezielle Bauteile.
Die Technische Mechanik stellt grundsätzlich allgemeine Berechnungsverfahren zur Verfügung, ohne dabei auf spezielle Konstruktionswerkstoffe einzugehen (nur Kenngrößen wie Festigkeit und Elastizität werden berücksichtigt, aber nicht, ob es sich um Holz oder Stahl handelt) und behandelt auch nicht spezielle Bauteile.


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Im Maschinenbau weist das Fachgebiet der [[Maschinenelement]]e (Schrauben, Zahnräder etc.) eine große Nähe zur Mechanik auf. Für die jeweiligen Maschinenelemente gibt es spezielle Gleichungen zur Berechnung der nötigen Maße. Die [[Fahrdynamik]] ist sowohl Teil der Dynamik als auch der [[Fahrzeugtechnik]]. Die [[Mechatronik]] stellt ein interdisziplinäres Gebiet dar, das aus Anteilen von Mechanik/Maschinenbau und Elektrotechnik besteht. Spezialgebiete der Technischen Mechanik im Maschinenbau sind die [[Maschinendynamik]] und die [[Rotordynamik]]. Bei [[Gasturbine]]n weist die [[Strömungsmechanik]] (Aerodynamik) eine so enge Verbindung zur Thermodynamik auf, dass teilweise von einer Aero-Thermodynamik<ref>Hans Rick: ''Gasturbinen und Flugantriebe.'' Springer, 2013, S. 35.</ref> die Rede ist.
Im Maschinenbau weist das Fachgebiet der [[Maschinenelement]]e (Schrauben, Zahnräder etc.) eine große Nähe zur Mechanik auf. Für die jeweiligen Maschinenelemente gibt es spezielle Gleichungen zur Berechnung der nötigen Maße. Die [[Fahrdynamik]] ist sowohl Teil der Dynamik als auch der [[Fahrzeugtechnik]]. Die [[Mechatronik]] stellt ein interdisziplinäres Gebiet dar, das aus Anteilen von Mechanik/Maschinenbau und Elektrotechnik besteht. Spezialgebiete der Technischen Mechanik im Maschinenbau sind die [[Maschinendynamik]] und die [[Rotordynamik]]. Bei [[Gasturbine]]n weist die [[Strömungsmechanik]] (Aerodynamik) eine so enge Verbindung zur Thermodynamik auf, dass teilweise von einer Aero-Thermodynamik<ref>Hans Rick: ''Gasturbinen und Flugantriebe.'' Springer, 2013, S. 35.</ref> die Rede ist.


Im Bauingenieurwesen weist eine besondere Nähe zur [[Baustatik]] der [[Konstruktiver Ingenieurbau|Konstruktive Ingenieurbau]] auf.<ref>Dinkler: ''Grundlagen der Baustatik.'' Springer, 4. Auflage, 2016, S. 3.</ref><ref>Peter Marti: ''Baustatik.'' Ernst & Sohn, 2012, S. 4.</ref> Dieser berücksichtigt die Besonderheiten spezieller Baustoffe und gliedert sich unter anderem in [[Holzbau]] und [[Stahlbau]], während die Baustatik Berechnungsverfahren bereitstellt, die von der Bauweise unabhängig sind.<ref>Peter Marti: ''Baustatik.'' Ernst & Sohn, 2012, S. 1.</ref> Weitere Gebiete sind die [[Bodenmechanik]], die [[Felsmechanik]] und die [[Baugrunddynamik]].
Im Bauingenieurwesen weist eine besondere Nähe zur [[Baustatik]] der [[Konstruktiver Ingenieurbau|Konstruktive Ingenieurbau]] auf.<ref>Dinkler: ''Grundlagen der Baustatik.'' 4. Auflage. Springer, 2016, S. 3.</ref><ref>[[Peter Marti (Bauingenieur)|Peter Marti]]: ''Baustatik.'' [[Ernst & Sohn]], 2012, S. 4.</ref> Dieser berücksichtigt die Besonderheiten spezieller Baustoffe und gliedert sich unter anderem in [[Holzbau]] und [[Stahlbau]] sowie Beton- und [[Stahlbeton]]bau, während die Baustatik Berechnungsverfahren schafft und bereitstellt, die von der Bauweise unabhängig sind<ref>Peter Marti: ''Baustatik.'' Ernst & Sohn, 2012, S. 1.</ref> und deshalb eine technikwissenschaftliche Grundlagendisziplin ist<ref>[[Karl-Eugen Kurrer]]: ''Geschichte der Baustatik. Auf der Suche nach dem Gleichgewicht''. Ernst & Sohn, 2016, S. 15</ref>. Weitere Gebiete sind die [[Bodenmechanik]], die [[Felsmechanik]] und die [[Baugrunddynamik]].


== Weblinks ==
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== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
<references />
<references />
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[[Kategorie:Klassische Mechanik| ]]
[[Kategorie:Klassische Mechanik| ]]
[[Kategorie:Biomechanik]]
[[Kategorie:Biomechanik]]

Aktuelle Version vom 12. Juli 2021, 07:43 Uhr

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Mechanik (Begriffsklärung) aufgeführt.

Die Mechanik (von {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:ISO15924:97: attempt to index field 'wikibase' (a nil value))[1][2] ist in den Naturwissenschaften und den Ingenieurwissenschaften die Lehre von der Bewegung und Verformung von Körpern sowie den dabei wirkenden Kräften. In der Physik wird unter Mechanik meist die klassische Mechanik verstanden. Im Teilgebiet der theoretischen Physik wird der Begriff oft abkürzend für die theoretische Mechanik verwendet. In den Ingenieurwissenschaften versteht man darunter meist die Technische Mechanik, die Methoden und Grundlagen der klassischen Mechanik zur Berechnung von Maschinen oder Bauwerken nutzt.

Sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik enthalten die klassische Mechanik als Spezialfall.

Die Klassische Mechanik wurde im 17. Jahrhundert im Wesentlichen durch die Arbeiten von Isaac Newton begründet und war damit die erste Naturwissenschaft im modernen Sinn (siehe Geschichte der Klassischen Mechanik).

Unterteilung

Strukturierung der Mechanik im Fachbereich Physik
 
 
Mechanik
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Kinematik
Bewegungsgesetze
ohne Kräfte
 
Dynamik
Wirkung von
Kräften
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Statik
Kräfte im Gleichgewicht
ruhender Körper
 
Kinetik
Kräfte verändern den
Bewegungszustand
Strukturierung der Mechanik
im Fachbereich Technische Mechanik
 
 
 
 
Technische Mechanik
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Statik
 
Dynamik
 
Festigkeitslehre
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Kinematik
 
Kinetik
 
 

Die Mechanik kann grob in verschiedene Teilgebiete untergliedert werden: Die Kinematik befasst sich mit der Bewegung von Körpern und beschreibt vor allem die Bahnkurve, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Körpern, ohne dabei Masse oder Kräfte zu berücksichtigen. Die Dynamik erweitert die Beschreibung der Bewegungen durch die Masse und die wirkenden Kräfte. Die Dynamik wird häufig unterteilt in die Statik (Kräfte im Gleichgewicht) und die Kinetik (Kräfte nicht im Gleichgewicht). In der Technischen Mechanik[3] teilt man sie dagegen auch ein in Kinematik und Kinetik und fasst sie als Teilgebiet auf, das neben der Statik steht.

Zudem lassen sich spezielle Teilgebiete der Mechanik nach vielen verschiedenen Kriterien einteilen.[4]

Die oben schon beschriebene Einteilung nach der Berücksichtigung von Kräften ergibt:

  • Kinematik – ohne Berücksichtigung von Kräften
  • Dynamik – mit Berücksichtigung von Kräften

Eine Einteilung nach Aggregatzustand sieht wie folgt aus:

  • Mechanik fester Körper (Festkörpermechanik)
    • Mechanik starrer Körper oder Stereomechanik[5]: Systeme von diskreten Massenpunkten und unverformbare Körper. Sie teilt sich auf in die Punktmechanik, die von Eigendrehungen der Körper absieht, und die Kreiseltheorie, die sich auf die Eigendrehungen konzentriert.
    • Mechanik elastischer Körper: Die Elastizitätstheorie behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Elastostatik für unbewegte Körper.
    • Mechanik plastischer Körper: Die Plastizitätstheorie behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden, wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
  • Fluidmechanik (Gase und Flüssigkeiten): Sie kann weiter unterteilt werden nach der inneren Reibung in Mechanik idealer Gase oder realer Gase und Mechanik reibfreier und viskoser Flüssigkeiten, sowie nach dem Fluid und nach der Bewegung in Statik (unbewegt, ruhend) und Dynamik (bewegt):

Die Einteilung nach Anwendungsgebiet führt zu:

  • Theoretische Mechanik (auch „Analytische Mechanik“ genannt). Neben der Unterteilung in Kinematik und Dynamik kann auch nach dem Formalismus unterteilt werden in:[6][7]
    • Newtonsche Mechanik: Die älteste Darstellungsweise, die auf Isaac Newton zurückgeht. Sie gilt in unbeschleunigten Bezugssystemen (Inertialsysteme). Die Lösung konkreter Problemstellungen mit eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten kann sehr aufwendig sein.
    • Lagrange-Formalismus: Eine Darstellungsweise, die auf Joseph-Louis Lagrange zurückgeht und auch in beschleunigten Bezugssystemen gilt. Sie verwendet verallgemeinerte Koordinaten und gestattet eine deutlich einfachere Lösung vieler Probleme, z. B. bei Systemen mit mehr als zwei Körpern oder mit Bewegungseinschränkungen.
    • Hamiltonsche Mechanik: Eine sehr allgemeine Darstellung von William Rowan Hamilton, die in der Himmelsmechanik Vorteile hat und sich im Theoriengebäude der Physik für den Anschluss der Quantenmechanik eignet.
  • Technische Mechanik. Meist eingeteilt in:
    • Statik: Ruhende starre Körper
    • Festigkeitslehre: Verformbare feste Körper
    • Dynamik: Bewegte Körper

Eine Einteilung nach der Art der Idealisierung führt auf:

  • Punktmechanik: Sie wurde von Isaac Newton begründet und benutzt die höchstmögliche Idealisierung von realen Körpern als Massenpunkt.
  • Mechanik starrer Körper oder Stereomechanik[5]: unverformbare Körper und Systeme von Massenpunkten mit sechs Freiheitsgraden mit dem Teilgebiet Kreiseltheorie, die sich auf die Drehbewegungen mit drei Freiheitsgraden konzentriert.
  • Kontinuumsmechanik: kontinuierlich ausgedehnte, verformbare Körper, mit der Unterteilung:
    • Mechanik elastischer Körper: Die Elastizitätstheorie behandelt elastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte zurückbilden wie bei einer Feder. Ein wichtiges Teilgebiet ist die Elastostatik für unbewegte Körper.
    • Mechanik plastischer Körper: Die Plastizitätstheorie behandelt plastische Verformungen, also Verformungen, die sich nach Rücknahme der verursachenden Kräfte nicht zurückbilden wie bei warmer Butter oder beim Schmieden.
    • Strömungsmechanik und Gasdynamik (Fluidmechanik): Flüssigkeiten, Gase und Plasmen
  • Statistische Mechanik (auch Statistische Thermodynamik): statistische Wechselwirkung vieler Massenpunkte, mit Bezügen insbesondere zur Thermodynamik. Die statistische Mechanik ist ein Teilgebiet der Statistischen Physik.

Studium

Die Mechanik wird einerseits als Teil des Physikstudiums, andererseits als Teil einer Ingenieursausbildung gelehrt, beispielsweise im Studium des Maschinenbaus oder des Bauingenieurwesens. Daneben gibt es noch vereinzelt spezielle Studiengänge der Mechanik, zum Teil unter der Bezeichnung Angewandte Mechanik:

  • Master of Science (MSc) Mechanik an der Ecole Polytechnique, Frankreich
  • MSc Mechanik an der Universite Paris-Saclay, Frankreich
  • MSc Angewandte Mechanik an der TU Chalmers, Schweden
  • Studienbereich Mechanik mit Bachelor of Science (BSc) Angewandte Mechanik und MSc Mechanik an der TU Darmstadt
  • MSc Computational Mechanics an der Universität Duisburg-Essen
  • MSc Computational Mechanics an der TU München
  • BSc und MSc Maschinenbau mit Vertiefung Angewandte Mechanik an der Ruhr-Universität Bochum

Verbindungen zu angrenzenden wissenschaftlichen Disziplinen

Verbindungen zu anderen wissenschaftlichen Disziplinen ergeben sich zwischen der klassischen Mechanik und einigen naturwissenschaftlichen Disziplinen, sowie zwischen der Technischen Mechanik und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen.

Verbindungen in den Naturwissenschaften

In der Biologie ist die Biomechanik eine spezielle Anwendung der Mechanik und in der Chemie die Reaktionskinetik, die sich mit kinetischen Energien von Reaktionspartnern und chemischen Reaktionen befasst.

Im Theoriengebäude der Physik ergeben sich vielfältige Verbindungen: Die Hamilton-Mechanik ist eine sehr allgemeine Formulierung der Klassischen Mechanik die als Spezialfälle sowohl die newtonsche Mechanik als auch die Quantenmechanik enthält. Systeme die aus sehr vielen Körpern bestehen, können theoretisch beschrieben werden durch die Bewegungen der einzelnen Körper. Praktisch ist die Lösung der zahlreichen Gleichungen die dazu benötigt werden ab einer gewissen Anzahl an Körpern nicht mehr möglich; die Statistische Mechanik befasst sich dann mit Aussagen zu solchen Vielteilchensystemen. Ab einer Größenordnung von etwa 1023 Teilchen, stimmen die Voraussagen der statistischen Mechanik sehr gut mit jenen der Thermodynamik überein. Die Relativitätstheorie enthält für kleine Geschwindigkeiten die klassische Mechanik als Spezialfall.

Verbindungen in den Ingenieurwissenschaften

Die Technische Mechanik stellt grundsätzlich allgemeine Berechnungsverfahren zur Verfügung, ohne dabei auf spezielle Konstruktionswerkstoffe einzugehen (nur Kenngrößen wie Festigkeit und Elastizität werden berücksichtigt, aber nicht, ob es sich um Holz oder Stahl handelt) und behandelt auch nicht spezielle Bauteile.

Erkenntnisse der eigenständigen, ingenieurwissenschaftlichen Disziplin der Werkstofftechnik werden in der Festigkeitslehre integriert, die ein Gebiet der Technischen Mechanik ist.

Im Maschinenbau weist das Fachgebiet der Maschinenelemente (Schrauben, Zahnräder etc.) eine große Nähe zur Mechanik auf. Für die jeweiligen Maschinenelemente gibt es spezielle Gleichungen zur Berechnung der nötigen Maße. Die Fahrdynamik ist sowohl Teil der Dynamik als auch der Fahrzeugtechnik. Die Mechatronik stellt ein interdisziplinäres Gebiet dar, das aus Anteilen von Mechanik/Maschinenbau und Elektrotechnik besteht. Spezialgebiete der Technischen Mechanik im Maschinenbau sind die Maschinendynamik und die Rotordynamik. Bei Gasturbinen weist die Strömungsmechanik (Aerodynamik) eine so enge Verbindung zur Thermodynamik auf, dass teilweise von einer Aero-Thermodynamik[8] die Rede ist.

Im Bauingenieurwesen weist eine besondere Nähe zur Baustatik der Konstruktive Ingenieurbau auf.[9][10] Dieser berücksichtigt die Besonderheiten spezieller Baustoffe und gliedert sich unter anderem in Holzbau und Stahlbau sowie Beton- und Stahlbetonbau, während die Baustatik Berechnungsverfahren schafft und bereitstellt, die von der Bauweise unabhängig sind[11] und deshalb eine technikwissenschaftliche Grundlagendisziplin ist[12]. Weitere Gebiete sind die Bodenmechanik, die Felsmechanik und die Baugrunddynamik.

Weblinks

Wikibooks: Mechanik flüssiger und gasförmiger Körper – Lern- und Lehrmaterialien
Wikibooks: Mechanik realer Körper – Lern- und Lehrmaterialien
Wikibooks: Mechanik starrer Körper – Lern- und Lehrmaterialien
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Einzelnachweise

  1. ↑ Heinz Dieter Motz: Ingenieur-Mechanik: Technische Mechanik für Studium und Praxis.. Springer-Verlag, 8. März 2013, ISBN 978-3-642-95761-1, S. 1.
  2. ↑ Jürgen Mittelstraß: Die griechische Denkform: Von der Entstehung der Philosophie aus dem Geiste der Geometrie.. De Gruyter, 2014, ISBN 978-3-11-037062-1, S. 29.
  3. ↑ Sayir, Kaufmann: Ingenieurmechanik. Springer, 2015, 2. Auflage, S. 9.
  4. ↑ R. Mahnken: Lehrbuch der Technischen Mechanik. Band 1: Statik. Springer, 2012, S. 5.
  5. ↑ 5,0 5,1 Georg Hamel: Elementare Mechanik. Ein Lehrbuch. B. G. Teubner, Leipzig und Berlin 1912, S. 74 (archive.org [abgerufen am 26. Februar 2020]).
  6. ↑ Wolfgang Nolting: Grundkurs Theoretische Physik 2. Analytische Mechanik. 9. Auflage, S. IX, 105 f.
  7. ↑ Honerkamp, Römer: Klassische Theoretische Physik. 4. Auflage, Vorwort und S. 69.
  8. ↑ Hans Rick: Gasturbinen und Flugantriebe. Springer, 2013, S. 35.
  9. ↑ Dinkler: Grundlagen der Baustatik. 4. Auflage. Springer, 2016, S. 3.
  10. ↑ Peter Marti: Baustatik. Ernst & Sohn, 2012, S. 4.
  11. ↑ Peter Marti: Baustatik. Ernst & Sohn, 2012, S. 1.
  12. ↑ Karl-Eugen Kurrer: Geschichte der Baustatik. Auf der Suche nach dem Gleichgewicht. Ernst & Sohn, 2016, S. 15
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