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Mechanik

Lehre der Bewegung von Körpern und den dabei wirkenden Kräften
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Die Mechanik (von altgriechisch μηχανικὴ τέχνη mechané, deutsch ‚Maschine, Kunstgriff, Wirkungsweise‘)[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:

Die Einteilung nach Anwendungsgebiet führt zu:

Eine Einteilung nach der Art der Idealisierung führt auf:

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:

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.

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Einzelnachweise

  1. ↑ Heinz Dieter Motz: Ingenieur-Mechanik: Technische Mechanik für Studium und Praxis. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-95761-1, S. 1 (google.com).
  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 (google.com).
  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. ↑ a b 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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