Mechanik - Statik
Inhaltsübersicht
Was bedeutet Statik eigentlich?
Die technische Mechanik ist eine Teildisziplin der Physik und bildet eine der wichtigsten Wissensgrundlagen der Ingenieurwissenschaften. Sie geht Sachverhalten wie Bewegung und Gleichgewicht auf den Grund und befasst sich mit den Kräften dahinter. Ihr Ursprung liegt in der Erforschung der Naturgesetze im 16. Jahrhundert. In der Lehre steht am Anfang der technischen Mechanik häufig die Statik, denn sie legt den Grundstein für die anderen Disziplinen wie die Kinematik. Sie ist neben der Kinetik der Dynamik untergeordnet.
Sie beschäftigt sich mit den Sonderfällen des allgemeinen Bewegungsverhalten; dem Gleichgewicht von Körpern. Dieser wird in Abgrenzung zur Festigkeitslehre als starr, also unbewegt oder in einer konstanten Geschwindigkeit geradlinig bewegend, angenommen. Statiker*innen untersuchen die Kräfte, die jenen Körper angreifen und dafür sorgen, dass sich der Bewegungszustand dessen nicht ändert. Für dieses Gleichgewicht eines Körpers ist es notwendig, dass alle angreifenden Kräfte und Momente sich in der Summe aufheben. Das heißt zum Beispiel, eine Last wie die Verkehrslast auf einer Brücke muss vom Baugrund aufgenommen werden, damit die Materialien der Brücke den Kräften standhalten und ein Einsturz sicher ausgeschlossen werden kann.
Wie alle Teilbereiche der Mechanik basieren die Berechnungen in der Statik auf den grundlegenden Überlegungen der Newtonschen Axiome:
Newtonsches Axiom: Trägheitssatz
Jeder Körper behält seinen Bewegungszustand bei, solange keine Kraft auf ihn einwirkt oder die Resultierende der angreifenden Kräfte Null ist.
Dieser Satz bildet die Grundlage für die Axiome und definiert ein Rahmensystem.
Newtonsches Axiom: Grundgleichung der Dynamik/Aktionsprinzip
Definition der Kraft= Masse mal Beschleunigung. Die Kraft kennzeichnet die Wechselwirkung zwischen Körpern (Anziehung oder Abstoßung), die eine beschleunigte Bewegung frei beweglicher Körper zur Folge hat.
Durch diesen Satz wird ein Zusammenhang zwischen Krafteinwirkung und Bewegungsänderung gezogen.
Newtonsches Axiom: Wechselwirkungsprinzip (Aktion – Reaktion)
Kräfte treten immer paarweise als Wechselwirkungskräfte auf, die an verschiedenen Körpern angreifen; sie sind dem Betrag nach gleich, aber der Richtung nach entgegengesetzt.
Damit sagt dieses Axiom aus, dass Kräfte nicht einzeln auftreten; es wirkt immer ein Körper auf einen anderen; Voraussetzung ist gleichzeitige Wahrnehmung der Kräfte
Das Ziel statischer Berechnungen ist es, ob grafisch oder zeichnerisch, Lasten in Konstruktionen zu berechnen. Auf diese Weise lässt sich die optimale Ausführung zum stabilsten Endprodukt ermöglichen. Dazu ermittelt man Kraftmittelpunkte, Schwerpunkte, Schnittgrößen, Verformungen und Reibung.
Kann ich das studieren?
Wie schon erwähnt ist die Statik in der technischen Mechanik in den Ingenieurswissenschaften angesiedelt. So wirst du in allen Studiengängen des Ingenieurwesens auf ein Modul dieses Themas treffen. Solche Fachbereiche sind zum Beispiel Bauingenieurwesen und der Maschinenbau, sowie die Mechatronik und die Informatik aber auch im Wirtschaftsingenieurwesen spielt die Statik eine Rolle.
An der Hochschule Osnabrück wird das Modul Statik zum Beispiel in folgenden Studiengängen angeboten:
- Aircraft and Flight Engineering (B.Sc.)
- Fahrzeugtechnik (B.Sc.)
- Maschinenbau (B.Sc.)
- Maschinenbau im Praxisverbund (B.Sc.)
- Bioverfahrenstechnik in Agrar- und Lebensmittelwirtschaft (B.Sc.)
- Berufliche Bildung - Teilstudiengang Metalltechnik (B.Sc.)
- Energie-, Umwelt- und Verfahrenstechnik (B.Sc.)
- Kunststofftechnik (B.Sc.)
- Kunststofftechnik im Praxisverbund (B.Sc.)
- Werkstofftechnik (B.Sc.)
- Mechatronik (B.Sc.)
- Dentaltechnologie (B.Sc.)
Die Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg integriert das Thema in einem technischen Anwendungsfach für Studierende des Studiengangs Computational Engineering unter dem Namen „Festkörpermechanik und Dynamik“. Studierst du Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften an der Universität der Bundeswehr in München begegnen dir Fächer der Statik in deinem Bachelorstudium in allen Trimestern und im Masterstudiengang werden dann vertiefende Inhalte dieses Gebiets vermittelt. An anderen Hochschulen wird die Statik als erstes Modul der Technischen Mechanik am Anfang des Bachelorstudiums unter Namen wie Technische Mechanik A (Universität Siegen) oder Technische Mechanik Statik - Teil 1 (Karlsruher Institut für Technologie) angeboten.
Welche Inhalte erwarten mich, wenn ich ein Modul zum Thema Statik belege?
Nach der Einführung der statischen Grundbegriffe und -prinzipien werden die Berechnungen zur Kraftübertragung eingeführt. Bezieht man sich auf die Stereostatik, also die Statik starrer Körper, nimmt man als nächstes die Gleichgewichtsbedingungen von Systemen in den Blick und geht von dort aus über die Betrachtung und Berechnung von Schwerpunkten. Ein wichtiges und besonderes System, welches dabei betrachtet wird, ist das Fachwerk.
In einem Modul mit der Spezialisierung Elastostatik werden die Beanspruchungen elastischer Körper in Bezug auf ihre Verformung beleuchtet und über Spannung und Verzerrung erklärt. Dabei spielen die Begriffe Zug Torsion und Biegung eine Rolle. Schließlich führt man dich zu Belangen der Energie. Allerdings werden beide Themenbereiche manchmal auch zu einer Vorlesung zusammengefasst. Diese Vorlesungen werden häufig durch eine Übung ergänzt, um die theoretischen Überlegungen auf praktische Vorgänge zu übertragen.
Weiterführende Veranstaltungen beziehen das zuvor Gelernte aus der Ebene in den dreidimensionalen Raum. Hierbei ist der Bezug auf reelle Beispiele von entsprechender Bedeutung, noch mehr als zuvor.
Nach dem erfolgreichen Abschuss eines Statik-Moduls kannst du Schnittkräfte für Teil- sowie Gesamtsysteme berechnen, Gleichgewichtsbedingungen benennen und auftretende Kräfte und Drehmomente bestimmen. Manche Hochschulen wie zum Beispiel die Hochschule Osnabrück und die Universität Siegen haben zusätzlich Reibungsphänomene in ihre Lehrpläne integriert.
Eine hilfreiche und vollständige Übersicht zu den Inhalten findet man zum Beispiel auf der Website der Brandenburgischen Technischen Universität:
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 spezifischeren 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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