Mechanik-Dynamik
Inhaltsübersicht
Was meint Dynamik eigentlich?
Die Mechanik ist das älteste Teilgebiet der Physik und findet ihren Ursprung in den Experimenten des italienischen Universalgelehrten Galileo Galileis. Sie befasst sich in einem wissenschaftlichen Rahmen mit Körpern und darauf einwirkende Kräfte. In der technischen Mechanik beziehungsweise Mechatronik, welche in den Ingenieurwissenschaften eine große Rolle spielt, wird der Begriff Dynamik zur Bezeichnung der Kraft als Ursache für eine Bewegung genutzt. Er wird simultan mit dem Begriff Kinetik verwendet. Eng mit diesem Thema verbunden ist die Kinematik als Beschreibung der Bewegung. Weitere Teilbereiche der technischen Mechanik sind die Statik, die Festigkeitslehre und die Strömungsmechanik.
Wichtige Parameter in der Dynamik sind die physikalischen Größen: Masse, Kraft und Beschleunigung. Deren Zusammenhänge werden analysiert und auf Versuche angewandt; so soll der Grund hinter der Bewegung eines Körpers untersucht werden. In der Praxis stellen die Ingenieur*innen Bewegungsgleichungen auf und erarbeiten deren Lösungen. Im Grunde genommen wird daher das Thema Energie behandelt.
Grundlage der Anwendung dynamischer Theorien sind die Newtonschen Axiome:
Newtonsches Axiom: Trägheitssatz
Jeder Körper behält seinen Bewegungszustand bei, solange keine Kraft auf ihn einwirkt oder die Resultierende der angreifenden Kräfte gleich Null ist.
Der Satz bildet die Grundlage für die Axiome und definiert ein System.
Newtonsches Axiom: Grundgleichung der Dynamik/Aktionsprinzip
Definition der Kraft= Masse x Beschleunigung. Die Kraft kennzeichnet die Wechselwirkung zwischen Körpern (Anziehung oder Abstoßung), die eine beschleunigte Bewegung frei beweglicher Körper zur Folge hat.
Dadurch entsteht ein Zusammenhang zwischen Krafteinwirkung und Bewegungsänderung
Newtonsches Axiom: Wechselwirkungsprinzip (Aktion – Reaktion)
Kräfte treten immer paarweise als Wechselwirkungskräfte auf, die an verschiedenen Körpern angreifen; sie sind dem Betrag nach gleich und der Richtung nach entgegengesetzt.
Damit sagt er aus, dass Kräfte nicht einzeln auftreten; es wirkt immer ein Körper auf einen anderen; Voraussetzung ist die gleichzeitige Wahrnehmung der Kräfte
Anwendung findet die Dynamik vor allem in der industriellen Produktion und Entwicklung. Sie wird beispielsweise benötigt, um Simulationen zu erstellen, welche das Unfallverhalten eines Autos analysieren oder die Rissbildung in Verbundwerkstoffen des Bauwesens vorhersagen. So können neu entwickelte Stoffe getestet sowie eine Weiterentwicklung und große technische Fortschritte ermöglicht werden.
Kann ich das studieren?
Wie bereits zu Anfang erwähnt, liegen die Bereiche Dynamik und Kinematik eng beieinander und werden somit häufig innerhalb desselben Moduls behandelt.
Thematisiert wird dieser Teil der Mechanik in Ingenieur-Studiengängen wie zum Beispiel im Maschinenbau oder der Mechatronik, aber auch im Bauingenieurwesen triffst du auf Module der Dynamik, nämlich in der Tragwerkslehre. Zusätzlich zu den Grundlagenfächern kann die Kinetik mit spezielleren Bezügen später im Studium auf dich zukommen, dann beispielsweise unter den Namen Maschinendynamik, technische Thermodynamik oder Dynamik von Kraftfahrzeugen.
Die RWTH in Aachen bietet den Kurs „Mechanik III – Dynamik“ als Pflichtmodul samt Vorlesung und Übung innerhalb des Bachelorstudiengangs Maschinenbau an. Im Maschinenbaustudium und zusätzlich noch im Studiengang Fahrzeugtechnik gibt es an der Hochschule in Ulm zudem das festgeschriebene Modul „Dynamik“. An der Hochschule Bochum ist das Fach „Dynamik – Kinematik und Kinetik“ ebenfalls als Vorlesung und Übung, diesmal sogar mit dazugehörigem Praktikum, im dritten oder im fünften Semester des Bachelor-Mechatronik-Studiums integriert. Studierst du Bauingenieurwesen im Bachelor an der Leibniz-Universität in Hannover wirst du dich mit dem Modul „Tragwerksdynamik“ auseinandersetzen müssen und im Studiengang „Computational Engineering“ an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ist „Festkörpermechanik und Dynamik“ ein technisches Anwendungsfach.
Welche Inhalte erwarten mich in diesem Fach?
Belegst du ein Modul mit dem Thema Dynamik, befasst du dich mit der Herleitung von Bewegungsgleichungen auf der Grundlage der oben genannten Newtonschen Axiome. Du lernst den Impulssatz und den Drehimpulssatz kennen und leitest daraus Integralgleichungen ab. Diese wendest du dann auf dynamische Systeme an. Weiterhin werden impulsive Veränderungen, wie Stoßvorgänge oder kontinuierliche Schwingungen angeschaut. Dir werden dazu physikalische Grundlagen und -begriffe näher gebracht wie Arbeit, Energie und Leistung. Die theoretischen Auseinandersetzungen werden an den meisten Hochschulen beziehungsweise Universitäten durch praktische Anwendungen in Form von Übungen, Laborversuchen oder Praktika unterstützt, um das physikalische Verständnis zu verbessern und die Anwendung des Gelernten zu schulen. Im Studium des Bauingenieurwesens sind solche Praxisbeispiele unter anderem Gebäude unter hoher Windlast wie Türme. Während des Bachelorstudiums wird die Dynamik hauptsächlich auf starre Körper sowie Massenpunkte und Massenpunktsysteme bezogen.
Die TU Berlin nennt auf ihrer Homepage unter den Veranstaltungsinformationen zum Modul „Kinematik und Dynamik“ zum Unterpunkt Dynamik folgende Stichpunkte zum Inhalt: (Quelle: https://www.reibungsphysik.tu-berlin.de/menue/studium_und_lehre/archiv_lehre/sose_2019/kinematik_und_dynamik)
Newtonsche Axiome, Scheinkräfte, Widerstandskräfte, Impuls, Drehimpuls, Arbeit, kinetische und potentielle Energie, Stöße, Kreiselgleichungen und Schwingungen
Ein Modul der Dynamik/ Kinetik bereitet dich während deines Bachelorstudiums darauf vor, dynamische Systeme zu berechnen und zu analysieren. Am Ende des Semesters sollst du für Bewegungsabläufe die Geschwindigkeit, Beschleunigung und den dazugehörigen Vektor ausrechnen können. Dann kannst du mechanische Grundgesetze und Formeln auf dynamische Systeme anwenden und den Zusammenhang von Bewegung und Kräften untersuchen. Für schwingungsfähige Systeme wird dir ebenfalls beigebracht, Bewegungsgleichungen aufzustellen. Entsprechend wird von dir erwartet, die jeweiligen Ergebnisse deiner Berechnungen auf reelle Beispiele anwenden zu können.
Tipps & Fazit
Falls dich durch diesen kurzen Einblick angesprochen fühlst, dann findest du auf den Websites der Universitäten weitere Informationen dazu, welche Schwerpunkte sie in den einzelnen Modulen legen oder ob es einen Tag der offenen Tür gibt, bei dem du dich vor Ort oder digital umschauen kannst. Viele Hochschulen führen zudem auf, welche Professor*innen für das jeweilige Modul verantwortlich sind, so kannst du bei spezifischen Fragen auch direkt den jeweiligen Dozierenden kontaktieren. Für Tipps aus erster Hand kannst du dich zusätzlich bei Studierenden umhören, welche Erfahrungen sie bereits mit dem jeweiligen Modul gemacht haben.
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