Physik A Teil 1: Mechanik - Physik-Institut - Universität Zürich

Inhaltsverzeichnis
1 Kinematik des Massenpunktes 3
1.1 Ort und Bahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Die Geschwindigkeit eines Massenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Die Beschleunigung eines Massenpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Komponentendarstellung von Geschwindigkeit und Beschleunigung . . . . 6
1.4.1 Raumfestes kartesisches xyz-Koordinatensystem . . . . . . . . . . . 6
1.4.2 Normal- und Tangentialkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.3 Ebene Kreisbewegung ⃗v, ⃗a in Polarkoordinaten . . . . . . . . . . . 7
1.5 Die Winkelgeschwindigkeit als ein Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Berechnung von ⃗v und ⃗r aus ⃗a, ⃗r 0 und ⃗v 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Die Grundgesetze der Mechanik 11
2.1 Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Die Newtonschen Prinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Trägheitsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Bewegungs- oder Aktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Superpositionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 Reaktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Der Schwerpunkts- oder Impulssatz für Systeme von Massenpunkten . . . . 15
2.4 Die vier fundamentalen Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Die Gravitationskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Die Coulombkraft (elektromagnetische Wechselwirkung) . . . . . . 21
2.4.3 Die schwache Wechselwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Die starke Wechselwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Reibungskräfte, Oberflächenkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 Trockene Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Nasse Oberflächen und viskose Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Anwendungsbeispiele der Newtonschen Prinzipien 27
3.1 Freier, vertikaler Fall im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Die Atwoodsche Fallmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Der schiefe Wurf im Vakuum ohne Luftwiderstand . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Beispiele mit Haft- und Gleitreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.1 Klotz auf schiefer Ebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.2 Kind mit Schlitten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Vertikaler Fall in viskosem Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 Kreisbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6.1 Erdsatellit auf Kreisbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6.2 Ebenes mathematisches Pendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6.3 Kreispendel (konisches Pendel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.7 Prinzip des Raketenantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 Arbeit, Energie und Leistung; Energie- und Impulserhaltung 39
4.1 Definition von Arbeit, Leistung und kinetischer Energie . . . . . . . . . . . 39
4.2 Der Energiesatz der Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Konservative Kraftfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
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