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Formelsammlung Mechanik

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Dies ist eine Formelsammlung zu dem physikalischen Teilgebiet der klassischen Mechanik.

Bewegungen − Kinematik

v: Geschwindigkeit [m/s]
s: Strecke [m]
t: Zeit [s]
a: Beschleunigung [m/s²]

Geradlinige Bewegung

v=st

gleichförmige Bewegung (Durchschnittsgeschwindigkeit)

Δs: Strecke [m]
Δt: Zeit [s]
v¯=ΔsΔt

Momentangeschwindigkeit

v=limΔt→0ΔsΔt=dsdt

Beschleunigung

a=limΔt→0ΔvΔt=dvdt=d2sdt2

Gleichmäßig beschleunigte Bewegung

  • geradlinig:
s(t)=12at2+v0t+s0
v=at+v0
  • allgemein:
v→(t)=v→0+ta→
x→(t)=x→0+tv→0+12t2a→
v→(t)2=v→02+2a(x→(t)−x→0)

mit

x→(t): zeitabhängige Position
x→0: Anfangsposition
v→: zeitabhängige Geschwindigkeit
v→0: Anfangsgeschwindigkeit

beliebige Bewegung

s→=∫t1t2v→(t)dt+v→0⋅t+s→0
v→=∫t1t2a→(t)dt+v→0

Kreisbewegung

gleichförmige Kreisbewegung: v = konstant

b: Bogenlänge [m]
r: Kreisradius [m]
φ: Winkelkoordinate rad (dimensionslos)
φ=br
Winkelgeschwindigkeit ω=ΔφΔt=2πT
Drehfrequenz f=1T=ω2π
Kreisbahngeschwindigkeit v=rω=2πrT=2πrf
Umlaufdauer T=2πrv=2πω
Zentripetalbeschleunigung az=v2r=ω2r

gleichmäßig beschleunigte Kreisbewegung

φ=12α⋅t2=br=ω⋅t2
ω=vr=α⋅t
Winkelbeschleunigung α=ar=ωt=konstant

Rotation

beliebige Rotation

Winkel ϕ→=∫t1t2ω→(t)dt+ω→0⋅t+ϕ→0
Winkelgeschindigkeit ω→=∫t1t2α→(t)dt+ω→0=dϕ→dt
Winkelbeschleunigung α→=dω→dt=d2ϕ→dt2

gleichförmige Rotation

ϕ=ω⋅t+ϕ0
ω=ΔϕΔt=vr=2πT=2πn
α=0

gleichmäßig beschleunigte Rotation

ϕ=α2⋅t2+ω0⋅t+ϕ0
ω=α⋅t+ω0
α=ΔωΔt=konstant

Würfe, Freier Fall

Freier Fall

g: Erdbeschleunigung [m/s²]
h: Fallhöhe [m]

ohne Reibung

v=g⋅t=2gh
t=2hg
s=12gt2
mit Reibung
H: Anfangshöhe

Fall 1: Newton-Reibung

Momentanho¨he h(t)=H−mαln⁡[cosh⁡(αgm⋅t)]
v(t)=−mgαtanh⁡(αgm⋅t)
a(t)=−gcosh2(αgm⋅t)
Grenzgeschwindigkeit vg=−mgα

Im Newton-Fall ist α=12⋅cwρA, mit

cw: Strömungswiderstandskoeffizient
ρ: Luftdichte
A: Stirnfläche des fallenden Körpers

Fall 2: Stokes-Reibung

h(t)=H+mαg[mα(1−e−(α/m)t)−t]
v(t)=mαg(e−(α/m)t−1)
a(t)=−ge−αmt
vg=−mαg

Senkrechter Wurf

v0: Abwurfgeschwindigkeit

nach unten

v(t)=v0+gt=v02+2gh(t)
h(t)=v0t+g2t2

nach oben

v(t)=v0−gt=v02−2gh(t)
h(t)=v0t−g2t2
Steigzeit bis zum Umkehrpunkt [v=0]:tsteig=v0g
Steigho¨he hmax=v022g

Horizontaler Wurf

H: Abwurfhöhe
Wurfweite W=v0⋅2Hg
Wurfdauer T=2Hg

Schiefer Wurf

α(0∘<α<90∘): Abwurfwinkel zur Horizontalen
Wurfweite W=v02⋅sin⁡(2α)g
Steigho¨he H=v02⋅sin2α2g
Steigzeit = Fallzeit T=v0⋅sin⁡αg
Die Wurfweite ist maximal, wenn sin⁡2α=1, also bei einem Abschusswinkel von α=45∘.

Kraft

m: Masse [kg]
g: Fallbeschleunigung (Ortsfaktor) [m/s²]
F→: Kraft [N]
a→: Beschleunigung [m/s²]

Grundlegende Kräfte

Gewichtskraft FG=m⋅g
Federspannkraft FS=D⋅s
Auftriebskraft FA=ρ⋅V⋅g=Dichte⋅Volumen⋅Ortsfaktor
Druckkraft Fp=p⋅A=Druck⋅Auflagefla¨che

Zentrifugal-/-petalkraft

FZ=mv2r=mrω2=maz
siehe oben #Kreisbewegung

Newton’sche Gesetze

  • Erstes newtonsches Gesetz: Trägheitsgesetz
„Ein Körper verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Translation, sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird.“
∑F→a¨ussere=0→⇔v→=konstant
  • Zweites newtonsches Gesetz: Aktionsprinzip
F→=m⋅a→
  • Drittes newtonsches Gesetz: actio=reactio
F→A→B=−F→B→A

Gravitationskraft

Gravitationskraft FG=G⋅M⋅mr2
m1,m2: Masse des einen bzw. anderen Körpers [kg]
r: Entfernung der Schwerpunkte beider Körper voneinander [m]
G: Gravitationskonstante ≈6,6726⋅10−11Nm2kg2

Kraftumformende Einrichtungen

Drehmoment M→=l→×F→
F→: Kraft [N]
l→: Hebelarmlänge [m]
F1⋅l1=F2⋅l2
F1,F2: Kraft bzw. Last [N]
l1,l2: Kraft- bzw. Lastarmlänge [m]

Reibung

Reibungskraft FR=μ⋅FN=Reibungszahl⋅Normalkraft

Impuls

Impuls p→=m⋅v→
Ekinetisch=p→22m
Δp→=m⋅Δv→=∫t1t2F→(t)dt
dp→dt=F→
Impulse bleiben (in einem kräftemäßig abgeschlossenen System) in der Summe erhalten.

Kraftstoß

Kraftstoss I→=F→⋅Δtbei F→=konstant
I→=Δp→=∫F→(t)⋅dt

Drehimpuls

J: Trägheitsmoment
ω: Winkelgeschwindigkeit
M: Drehmoment
Drehimpuls L→=J⋅ω→
dL→dt=M→
Der Gesamtdrehimpuls eines isolierten physikalischen Systems bleibt unverändert.

Stoß

v1,v2: Geschwindigkeiten vor dem Stoß
u,u1,u2: Geschwindigkeiten nach dem Stoß

elastischer gerader zentraler (idealer) Stoß

Impulserhaltung:

m1v1+m2v2=m1u1+m2u2

Energieerhaltung:

12m1v12+12m2v22=12m1u12+12m2u22

Geschwindigkeiten nach dem Stoß:

u1=m1v1+m2(2v2−v1)m1+m2
u2=m2v2+m1(2v1−v2m1+m2

Spezialfall: bei gleichen Massen

u1=v2u2=v1

unelastischer (gerader zentraler) Stoß

Impulserhaltung:

m1v1+m2v2=(m1+m2)⋅u

Verringerung der kinetischen Energie (Verformungsenergie):

12(m1v12+m2v22)−12(m1+m2)u2

Geschwindigkeit u nach dem Stoß:

u=m1v1+m2v2m1+m2

teilelastischer Stoß

Änderung der Bewegungsenergie ("Verlust")

ΔE=(Ekin.vor−Ekin.nach)⋅(1−k2)=12⋅(1−k2)⋅m1m2m1+m2⋅(v1−v2)2
Stosszahl k=u2−u1v1−v2
u1=v1⋅(m1−km2)+v2⋅(1+k)m2m1+m2
u2=v2⋅(m2−km1)+v1⋅(1+k)m1m1+m2

Dichte und Druck

Dichte ρ=mV=MasseVolumen
Druck p=|F→⊥||A→|=senkrecht wirkende KraftFla¨che,Einheit: Pa (Pascal)
Schweredruck p=FGA=mgA=ρhg
Auftriebskraft FA=ρ⋅V⋅g

Mechanische Arbeit

W=F→⋅s→
W: Arbeit [Nm = J = Ws]
F→: Kraft [N]
s→: Weg [m]

allgemein

W=∫s1s2F→(s)ds→=ΔE

falls F = konstant und ∡(F→,s→)=α:

W=F⋅s⋅cos⁡α
Hubarbeit W=mgs
Beschleunigungsarbeit =mas
Federspannarbeit =12Ds2
Reibungsarbeit WR=μ⋅m⋅g⋅s⋅cos⁡α
Volumenarbeit (Ausdehnungsarbeit) W=−∫V1V2p(V)dV
Falls Druck p=konstant: W=−p⋅ΔV
V: Volumen

Mechanische Energie

Potentielle Energie

Epot=m⋅g⋅h
h: Hubhöhe [m]
Espann=12⋅D⋅s2
Federkonstante D=Fs,Einheit: Nm
s: Auslenkung der Feder aus der Ruhelage

Potentielle Energie in einem Gravitationsfeld

Epot=m⋅g⋅h⋅Rr=GMmR−GMmr
M: Masse des Himmelskörpers [kg]
R: Radius des Himmelskörpers [m]
r: Radius des Himmelskörpers + Hubhöhe (R+h) [m]
G: Gravitationskonstante

Maximale potentielle Energie in einem Gravitationsfeld

Epot.max=GMmR=mgR, mit GM=gR2

Kinetische Energie

Translation

Ekin=12⋅m⋅v2
m: Masse [kg]
v: Geschwindigkeit [m/s]

Rotation

Ekin=12⋅J⋅ω2
J: Trägheitsmoment
ω: Winkelgeschwindigkeit

Energieerhaltungssatz der Mechanik

In einen abgeschlossenen mechanischen System gilt:

Emech=Epot+Ekin=konstant

Leistung

Leistung P=Wt
P: Leistung [Nm/s = J/s = W (Watt)]
W: Arbeit [J]
t: Zeit [s]

Wirkungsgrad

η=WabgegebenWzugefu¨hrt⋅100%=EabgegebenEzugefu¨hrt⋅100%=PabgegebenPzugefu¨hrt⋅100%<1.
Gesamtwirkungsgrad ηges=η1⋅η2⋯ηn

Literatur und Weblinks



Init-Quelle

Entnommen aus der:

Erster Autor: 79.239.206.77 angelegt am 02.08.2011 um 09:03,
Alle Autoren: Bone1234, Christian1985, Michileo, Sch, Merlinor, Johnny Controletti, Controletti Johnny Controletti, 79.239.206.77


Andere Lexika

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