Kinematik
Unter der Kinematik versteht man die Lehre von Bewegungen und deren Gesetzen, ohne dass dabei die Ursachen beachtet werden, die diese Bewegungen hervorrufen oder beeinflussen.
Es gibt verschiedene Arten von Bewegungen, die in der Regel folgendermaßen unterschieden bzw. eingeteilt werden:
Geradlinige Bewegung (Translation)
Ein Körper bewegt sich geradlinig in eine Richtung und entfernt sich dabei immer weiter vom Startpunkt.
Dabei kann die Geschwindigkeit gleichbleibend sein (gleichförmige Bewegung) oder sich ändern (ungleichförmige Bewegung).
Beispiele:
- Eisenbahnzug
- Fallender Stein
- Rollende Kugel
- Anheben einer Last
Kreisbewegung oder Drehbewegung (Rotation)
Ein Körper bewegt sich auf einer geschlossenen Bahn (Kreisbahn) und kehrt immer wieder an einen bestimmten Ort zurück. Er durchläuft jeden Punkt seiner Bahn jeweils einmal im gleichen Sinn.
Beispiele:
- Rad eines Autos
- Karussell
- Kreissäge
- Ventilator
Schwingung (Oszillation)
Ein Körper bewegt sich zwischen zwei Umkehrpunkten auf derselben Bahn hin und her. Er durchläuft dabei jeden Punkt der Bahn zweimal in entgegengesetzte Richtung.
Beispiele:
- Schaukel
- Pendel einer Uhr
- Saite einer Gitarre
- Gewicht an einer Schraubenfeder
Einen Vorgang, bei dem ein bestimmter Zustand nach gleichen Zeitspannen wiederkehrt, bezeichnet man als periodischen Vorgang.
Eine Bewegung, bei der ein Körper den gleichen Weg immer wieder durchschreitet und dabei immer wieder zu seinem Ausgangspunkt zurückkehrt, nennt man periodische Bewegung.
Bei Kreisbewegungen und Schwingungen handelt es sich also um periodische Bewegungen.
Was ist überhaupt eine Bewegung?
Auch wenn die Beantwortung dieser Frage zunächst banal erscheint, so ist es dennoch nicht möglich, eine objektive Aussage darüber zu treffen, ob sich ein Körper bewegt oder nicht.
Man könnte Bewegung definieren als Orts- oder Lageänderung eines Körpers.
Doch wer soll dies beurteilen?
Folgende Fragen verdeutlichen, dass die Aussage, ob ein Körper in Ruhe oder in Bewegung ist, objektiv nicht beantwortet werden kann:
1) Du fährst mit einem Zug, Deine Tasche steht neben Dir.
Ist die Tasche in Bewegung oder in Ruhe?
2) Du läufst auf einem Laufband und hast eine Geschwindigkeit von 12 km/h eingestellt.
Bist Du in Bewegung oder in Ruhe?
Offensichtlich hängt die Beantwortung dieser Fragen davon ab, von welchem Bezugspunkt aus der Vorgang betrachtet wird.
Sitzt Du selbst im Zug, so würdest Du die Tasche in Ruhe sehen. Wird der gleiche Vorgang jedoch von jemandem auf dem Bahnsteig aus beobachtet, so wird er behaupten, die Tasche sei in Bewegung.
Für einen Betrachter von außen bleibst Du auf dem Laufband in Ruhe, obwohl Du Dich relativ zum Band mit der eingestellten Geschwindigkeit bewegst.
Eine genauere Definition von Bewegung könnte also lauten:
Bewegung ist eine Orts- oder Lageänderung eines Körpers gegenüber anderen Körpern bzw. einem Bezugssystem.
Bezugssysteme
Ein Bezugssystem ist ein Koordinatensystem, das an einen Bezugskörper gebunden ist und damit einen Bezugspunkt festlegt. Außerdem benötigt man eine Uhr, um den zeitlichen Ablauf z.B. einer Bewegung zu beschreiben.
Die Wahl des Bezugskörpers ist willkürlich. Häufig wird die Erdoberfläche als Bezugskörper gewählt.
Die Tasche aus obigem Beispiel ist vom Bezugssystem “Erdoberfläche” in Bewegung, während sie vom Bezugssystem “Zug” aus betrachtet in Ruhe ist.
Ruhe und Bewegung sind somit relativ und vom gewählten Bezugssystem abhängig. Man spricht daher von der Relativität der Bewegung.
Die Antwort auf die Frage, ob ein Körper in Ruhe ist oder sich bewegt, hängt somit von der Wahl des Bezugssystems ab.
Alle Bezugssysteme, die sich gleichförmig und geradlinig zueinander bewegen, sind gleichberechtigt. Es gibt kein absolutes Bezugssystem. In allen unbeschleunigten Bezugssystemen gelten die gleichen physikalischen Gesetze, insbesondere auch das Trägheitsgesetz.
Man bezeichnet solche Bezugssysteme daher als Inertialsysteme (abgeleitet vom lateinischen “inertia” = Trägheit).