(Ph3) Massenpunkt und starrer Körper [Erklärung, Beispiele]

Im obigen Bild siehst du einen Fußballspieler, der einen Ball schießt. Durch den Schuss setzt sich der Ball in Bewegung. Wir können die Bewegung des Balls beschreiben, indem wir zum Beispiel bestimmen, mit welcher Geschwindigkeit sich der Ball zu einer bestimmten Zeit bewegt oder wie weit er fliegt und wie seine genaue Flugbahn aussieht. Wir beschreiben dabei innerhalb der Kinematik nur die Bewegung des Balls, nicht aber warum sich der Ball bewegt. Der Fußballspieler, welcher den Ball mit einem Schuss in Bewegung versetzt, wird also nicht betrachtet.

Ein Massenpunkt ist ein theoretisches Konzept in der Physik, das verwendet wird, um ein Objekt zu beschreiben, das eine Masse hat, aber vernachlässigbar kleine Abmessungen besitzt. Es wird angenommen, dass ein Massenpunkt keine Ausdehnung hat und in der Lage ist, sich frei im Raum zu bewegen. Die Bewegung eines Massenpunktes wird durch seine Masse und seine Geschwindigkeit bestimmt, und es können Kräfte auf ihn wirken, die seine Bewegung beeinflussen.

1. Pendel: Ein einfaches Pendel, bestehend aus einem masselosen Faden und einer massiven Kugel am Ende, kann als Annäherung an einen Massenpunkt betrachtet werden. Die Ausdehnung der Kugel wird vernachlässigt, und die Bewegung des Pendels wird nur durch die Masse der Kugel und ihre Geschwindigkeit bestimmt.

2. Billardkugel: Beim Billardspiel kann eine Kugel als Annäherung an einen Massenpunkt betrachtet werden. Obwohl eine Billardkugel eine endliche Ausdehnung hat, ist ihre Größe im Vergleich zur Größe des Billardtisches vernachlässigbar. Daher kann die Bewegung der Kugel unter Vernachlässigung von Rotationseffekten durch die Masse und die Geschwindigkeit des Massenpunktes beschrieben werden.

3. Auto auf gerader Strecke: Bei der Betrachtung eines Autos auf einer geraden Strecke kann das Auto als Massenpunkt angenommen werden, wenn wir uns nur für die Bewegung in eine Richtung interessieren. Die Größe des Autos wird vernachlässigt, und die Bewegung wird nur durch die Masse des Autos und seine Geschwindigkeit bestimmt.

Es ist wichtig zu beachten, dass dies vereinfachte Annäherungen sind und in vielen realen Situationen die Ausdehnung und Form eines Objekts berücksichtigt werden müssen, um die tatsächliche Bewegung korrekt zu beschreiben.

Ein starrer Körper ist ein physikalisches Objekt, das eine endliche Ausdehnung hat und bei dem die relativen Positionen seiner einzelnen Teile konstant bleiben. Die Teile eines starren Körpers können sich zwar bewegen, aber die Abstände zwischen ihnen bleiben während der Bewegung konstant. Im Gegensatz zum Massenpunkt hat ein starrer Körper eine Ausdehnung und eine Form.

Um die Bewegung eines starren Körpers zu beschreiben, werden oft Konzepte wie Drehachsen, Drehmomente und Trägheitsmomente verwendet. Diese Konzepte berücksichtigen die Massenverteilung und die Trägheit des Körpers, um seine Drehbewegungen zu beschreiben.

1. Tür: Eine Tür kann als Beispiel für einen starren Körper betrachtet werden. Die Tür hat eine feste Form und ihre einzelnen Teile bleiben in einer festen Anordnung zueinander. Wenn wir die Tür öffnen oder schließen, bewegt sie sich als Ganzes, ohne dass sich die relativen Positionen ihrer Teile ändern.

2. Buch: Ein Buch ist ein weiteres Beispiel für einen starren Körper. Die Seiten des Buches sind fest miteinander verbunden und behalten ihre Positionen bei. Wenn wir das Buch auf einen Tisch legen oder es in die Hand nehmen, bleibt seine Form unverändert.

3. Fahrrad: Ein Fahrrad kann als starres Körpermodell betrachtet werden, wenn wir uns auf seine Bewegung in gerader Linie konzentrieren. Während der Fahrt bleiben die einzelnen Teile des Fahrrads in einer festen Anordnung zueinander, und das Fahrrad bewegt sich als Einheit vorwärts.

4. Stuhl: Ein Stuhl kann als starres Körpermodell betrachtet werden. Die Sitzfläche, die Beine und die Rückenlehne bleiben in einer festen Anordnung zueinander. Wenn wir uns auf den Stuhl setzen, bewegt er sich nicht und behält seine Form bei.

5. Auto: Ein Auto kann ebenfalls als Beispiel für einen starren Körper dienen. Die Karosserie des Autos behält ihre Form und ihre Teile bleiben in einer festen Anordnung zueinander. Wenn wir das Auto fahren, bewegt es sich als Ganzes, ohne dass sich die relative Position seiner Teile ändert.

Diese Beispiele verdeutlichen, wie wir im Alltag häufig mit starren Körpern interagieren, bei denen die Form und die relativen Positionen der Teile während der Bewegung konstant bleiben.

Ein Thema, das dir innerhalb dieses Kurses begegnen wird, ist der freie Fall. Beim freien Fall ist es nicht immer sinnvoll das Modell eines Massenpunktes zu wählen, da die Abmessungen des Körpers beim freien Fall relevant sind. Je mehr Fläche ein Körper aufweist, desto größer ist der Luftwiderstand. Betrachten wir zum Beispiel ein im freien Fall befindliches Auto, so können wir hier nicht das Modell des Massenpunktes anwenden, weil der Luftwiderstand hier nicht vernachlässigt werden kann. Deswegen betrachten wir beim freien Fall in der Regel Körper, die kaum Volumen aufweisen, wie zum Beispiel Bälle oder Kugeln. Hier ist der Luftwiderstand nahezu vernachlässigbar und deswegen kann hier das Modell des Massenpunktes angewandt werden.

In der nachfolgenden Lerneinheit betrachten wir die unterschiedlichen Bewegungsarten, die ein Körper aufweisen kann.