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Gleichmäßige Bewegung
Bewegung kann als fortwährende Positions- oder Ortsänderung definiert werden oder als Prozess, bei dem ein Körper eine Verschiebung erfährt. Wenn sich ein Objekt zu unterschiedlichen Zeiten an verschiedenen Punkten im Raum befindet, wird dieses Objekt als in Bewegung bezeichnet, und wenn die Entfernung, die sich das Objekt bewegt, für einen bestimmten Zeitraum gleich bleibt, kann die Bewegung als gleichförmig beschrieben werden. Ein gleichförmig bewegtes Objekt hat also immer eine konstante Geschwindigkeit.
Geschwindigkeit und Geschwindigkeit
In alltäglichen Gesprächen werden Schnelligkeit und Geschwindigkeit oft so verwendet, als ob sie dasselbe bedeuten würden. In der Physik haben sie bestimmte und unterschiedliche Bedeutungen. Geschwindigkeit bezieht sich darauf, wie schnell sich ein Objekt bewegt oder wie weit sich das Objekt in einer bestimmten Zeit bewegt. Die Geschwindigkeit eines Objekts sagt nichts über die Richtung aus, in die sich ein Objekt bewegt. Wenn zum Beispiel die Information geliefert wird, dass ein Flugzeug New York City verlässt und 8 Stunden mit einer Geschwindigkeit von 150 mph fliegt, sagt diese Information nichts über die Richtung aus, in die sich das Flugzeug bewegt. Nach 8 Stunden könnte es in Kansas City sein, oder wenn es auf einer kreisförmigen Route reiste, könnte es zurück in New York City sein.
Geschwindigkeit ist die Größe in der Physik, die sowohl die Geschwindigkeit eines Objekts als auch die Richtung angibt, in die sich das Objekt bewegt. Geschwindigkeit kann als Bewegungsrate in eine bestimmte Richtung definiert werden. Die Geschwindigkeit wird auch als Vektorgröße beschrieben, wobei ein Vektor eine Linie bestimmter Länge ist, die an einem Ende einen Pfeil hat. Die Länge der Linie gibt den Zahlenwert an und der Pfeil gibt die Richtung an, in die diese Zahl wirkt.
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| Abbildung 1. Vektoranalyse für Flugzeuggeschwindigkeit und Windgeschwindigkeit |
Stellen Sie sich vor, ein Flugzeug fliegt mit konstanter Geschwindigkeit in einem kreisförmigen Muster. Das Flugzeug ändert aufgrund des kreisförmigen Musters ständig die Richtung, was bedeutet, dass das Flugzeug ständig die Geschwindigkeit ändert. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass die Geschwindigkeit die Richtung beinhaltet.
Um die Geschwindigkeit eines Objekts zu berechnen, wird die zurückgelegte Strecke durch die verstrichene Zeit geteilt. Wenn die Entfernung in Meilen und die Zeit in Stunden gemessen wird, sind die Geschwindigkeitseinheiten Meilen pro Stunde (mph). Wenn die Entfernung in Fuß und die Zeit in Sekunden gemessen wird, ist die Einheit der Geschwindigkeit Fuß pro Sekunde (fps). Um mph in fps umzurechnen, teilen Sie durch 1,467. Die Geschwindigkeit wird auf die gleiche Weise berechnet, der einzige Unterschied besteht darin, dass sie bei jeder Richtungsänderung neu berechnet werden muss.
Beschleunigung
Beschleunigung ist definiert als die Änderungsrate der Geschwindigkeit. Wenn die Geschwindigkeit eines Objekts von 20 mph auf 30 mph erhöht wird, wurde das Objekt beschleunigt. Wenn die Geschwindigkeitszunahme 10 mph in 5 Sekunden beträgt, beträgt die Geschwindigkeitsänderungsrate 10 mph in 5 Sekunden oder 2 mph pro Sekunde. Wenn dies mit 1,467 multipliziert würde, könnte es auch als Beschleunigung von 2,93 Fuß pro Sekunde pro Sekunde (fps/s) ausgedrückt werden. Zum Vergleich: Die Erdbeschleunigung beträgt 32,2 fps/s.
Zur Berechnung der Beschleunigung wird die folgende Formel verwendet.
A = Vf Vi
T
A = 1200 400
20
A = 40 mphs oder multipliziert mit 1,467, 58,7 fpss
In dem gerade gezeigten Beispiel wurde eine Beschleunigung von 58,7 fps/s ermittelt. Da 32,2 fps/s der Erdbeschleunigung entsprechen, dividieren Sie die Beschleunigung des F-15 durch 32,2, um herauszufinden, wie viele G-Kräfte der Pilot erfährt. In diesem Fall wären es 1,82 Gs.
Newtons Bewegungsgesetz
Erstes Gesetz
Wenn ein Zauberer eine Tischdecke von einem Tisch reißt und ein volles Geschirr ungestört lässt, zeigt er keine mystische Kunst; er demonstriert tatsächlich das Trägheitsprinzip. Trägheit ist verantwortlich für das Unbehagen, das empfunden wird, wenn ein Flugzeug auf dem Parkplatz plötzlich zum Stehen gebracht wird und die Passagiere in ihren Sitzen nach vorne geschleudert werden. Trägheit ist eine Eigenschaft der Materie. Diese Eigenschaft der Materie wird durch Newtons erstes Bewegungsgesetz beschrieben, das besagt:
Ruhende Objekte neigen dazu, in Ruhe zu bleiben, und bewegte Objekte neigen dazu, mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung in Bewegung zu bleiben, sofern nicht eine äußere Kraft auf sie einwirkt.
Zweites Gesetz
Körper in Bewegung haben die Eigenschaft, die Impuls genannt wird. Ein Körper mit großem Schwung hat eine starke Tendenz, in Bewegung zu bleiben und ist daher schwer zu stoppen. Beispielsweise ist ein selbst mit geringer Geschwindigkeit fahrender Zug aufgrund seiner großen Masse schwer anzuhalten. Für diese Eigenschaft gilt das zweite Newtonsche Gesetz. Es sagt aus:
Wenn eine Kraft auf einen Körper einwirkt, ändert sich der Impuls dieses Körpers. Die Impulsänderungsrate ist proportional zur aufgebrachten Kraft. Basierend auf dem zweiten Newtonschen Gesetz wird die Formel zur Berechnung des Schubs abgeleitet, die besagt, dass Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist (F = MA). Weiter oben auf dieser Seite wurde festgestellt, dass Masse gleich Gewicht geteilt durch Gravitation ist und Beschleunigung gleich Endgeschwindigkeit minus Anfangsgeschwindigkeit geteilt durch Zeit. Wenn man all diese Konzepte zusammenfasst, lautet die Schubformel:
F = W (Vf Vi)
Gt
F = 50 (1200 100)
32.2(1)
F = 5.124 lb Schub
Drittes Gesetz
Newtons drittes Bewegungsgesetz wird oft als Gesetz von Aktion und Reaktion bezeichnet. Es besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Dies bedeutet, dass, wenn eine Kraft auf ein Objekt ausgeübt wird, das Objekt eine Widerstandskraft liefert, die genau gleich und in der entgegengesetzten Richtung der ausgeübten Kraft ist. Es ist leicht einzusehen, wie dies für ruhende Objekte gelten könnte. Wenn ein Mann in der Anwendung auf dem Boden steht, übt der Boden eine Kraft gegen seine Füße aus, die genau gleich seinem Gewicht ist. Dieses Gesetz gilt auch, wenn eine Kraft auf ein sich bewegendes Objekt ausgeübt wird.
Kräfte treten immer paarweise auf. Der Begriff Wirkkraft bedeutet die Kraft, die ein Körper auf einen zweiten Körper ausübt, und Reaktionskraft bedeutet die Kraft, die der zweite Körper auf den ersten ausübt. Wenn ein Flugzeugpropeller einen Luftstrom mit einer Kraft von 500 lb nach hinten drückt, drückt die Luft die Blätter mit einer Kraft von 500 lb nach vorne. Diese Vorwärtskraft bewirkt, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Ein Turbofan-Triebwerk übt eine Kraft auf die Luft aus, die in den Einlasskanal eintritt, wodurch sie aus dem Lüfterkanal und dem Endrohr beschleunigt wird. Die nach hinten beschleunigte Luft ist die Aktion, und die Kraft innerhalb des Motors, die dies bewirkt, ist die Reaktion, auch Schub genannt.
Kreisbewegung
Kreisbewegung ist die Bewegung eines Objekts entlang einer gekrümmten Bahn mit konstantem Radius. Wird zum Beispiel ein Ende einer Schnur an einem Objekt befestigt und das andere Ende in der Hand gehalten, lässt sich das Objekt im Kreis schwingen. Das Objekt wird durch die auf die Schnur ausgeübte Zugkraft ständig von einer geraden (linearen) Bahn abgelenkt, wie in Abbildung 2 gezeigt. Wenn sich das Gewicht an Punkt A befindet, möchte es sich aufgrund der Trägheit in einer geraden Linie weiterbewegen und endet bei Punkt B. Aufgrund der auf die Saite ausgeübten Kraft wird sie gezwungen, sich auf einer Kreisbahn zu bewegen und am Punkt C zu landen.
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| Abbildung 2. Kreisbewegung |
Die Saite übt eine Zentripetalkraft auf das Objekt aus, und das Objekt übt eine gleiche, aber entgegengesetzte Kraft auf die Saite aus, was dem dritten Newtonschen Bewegungsgesetz gehorcht. Die Kraft, die gleich der Zentripetalkraft ist, aber in eine entgegengesetzte Richtung wirkt, wird Zentrifugalkraft genannt.
Die Zentripetalkraft ist immer direkt proportional zur Masse des Objekts in Kreisbewegung. Wenn also die Masse des Objekts in Abbildung 2 verdoppelt wird, muss der Zug an der Schnur verdoppelt werden, um das Objekt auf seiner kreisförmigen Bahn zu halten, vorausgesetzt, die Geschwindigkeit des Objekts bleibt konstant.
Zentripetalkraft = Masse (Geschwindigkeit2) Radius
Für die obige Formel würde die Masse normalerweise in Gewicht geteilt durch die Schwerkraft umgewandelt, die Geschwindigkeit in Fuß pro Sekunde und der Radius in Fuß angegeben.
Beispiel: Wie groß wäre die Zentripetalkraft, wenn sich ein 10-Pfund-Gewicht mit einer Geschwindigkeit von 500 fps auf einer kreisförmigen Bahn mit einem Radius von 3 Fuß bewegt?
Zentripetalkraft = Masse (Geschwindigkeit2) Radius
Zentripetalkraft = 10 (5002) 32,2 (3)
= 25.880 Pfund
In dem im Beispiel identifizierten Zustand verhält sich das Objekt so, als würde es 2.588-mal mehr wiegen, als es tatsächlich ist. Man kann auch sagen, dass das Objekt 2.588 Gs oder Schwerkraft erfährt. Die Fanschaufeln in einem großen Turbofan-Triebwerk erfahren aus dem gleichen Grund viele tausend G, wenn das Triebwerk mit maximaler Drehzahl läuft.
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