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3. NEWTONsches Gesetz (Wechselwirkungsprinzip)
Grundwissen
- Kräfte wirken immer wechselseitig. Übt A eine Kraft auf B aus, so übt B eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus. Die beiden Kräfte nennt man in diesem Zusammenhang Wechselwirkungskräfte.
- Wechselwirkungskräfte greifen immer an zwei unterschiedlichen Körpern an.
- Wechselwirkungskräfte dürfen nicht mit einem Kräftegleichgewicht verwechselt werden.
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- Kräfte wirken immer wechselseitig. Übt A eine Kraft auf B aus, so übt B eine gleich große, entgegengesetzt gerichtete Kraft auf A aus. Die beiden Kräfte nennt man in diesem Zusammenhang Wechselwirkungskräfte.
- Wechselwirkungskräfte greifen immer an zwei unterschiedlichen Körpern an.
- Wechselwirkungskräfte dürfen nicht mit einem Kräftegleichgewicht verwechselt werden.
Gravitationsgesetz von NEWTON
Grundwissen
- Alle Körper üben aufgrund ihrer Massen aufeinander anziehende Kräfte aus, die man als Gravitationskräfte bezeichnet.
- Die Richtung dieser Kräfte verläuft auf der Verbindungslinie der Schwerpunkte der beiden Körper, der Betrag dieser Kräfte ist (wegen des Wechselwirkungsgesetzes) gleich groß.
- Der Betrag ist proportional zu den Massen der beiden Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes ihrer beiden Schwerpunkte. Die Proportionalitätskonstante bezeichnet man als Gravitationskonstante.
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- Alle Körper üben aufgrund ihrer Massen aufeinander anziehende Kräfte aus, die man als Gravitationskräfte bezeichnet.
- Die Richtung dieser Kräfte verläuft auf der Verbindungslinie der Schwerpunkte der beiden Körper, der Betrag dieser Kräfte ist (wegen des Wechselwirkungsgesetzes) gleich groß.
- Der Betrag ist proportional zu den Massen der beiden Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes ihrer beiden Schwerpunkte. Die Proportionalitätskonstante bezeichnet man als Gravitationskonstante.
Astronomische Daten unseres Sonnensystems
Grundwissen
- Zentrale Astronomische Daten wie Bahnradius, Masse, Radius und Fallbeschleunigung von den Planeten unseres Sonnensystems
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- Zentrale Astronomische Daten wie Bahnradius, Masse, Radius und Fallbeschleunigung von den Planeten unseres Sonnensystems
Schallgeschwindigkeit
Grundwissen
- Laufzeitmessungen sind eine einfache Methode zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.
- Die Schallgeschwindigkeit in Luft liegt im Bereich von \(c_{\rm{Schall}}=340\,\rm{\frac{m}{s}}\).
Grundwissen
- Laufzeitmessungen sind eine einfache Methode zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.
- Die Schallgeschwindigkeit in Luft liegt im Bereich von \(c_{\rm{Schall}}=340\,\rm{\frac{m}{s}}\).
Arbeit als Energietransfer
Grundwissen
- Energie, die mit Hilfe einer Kraft \(\vec F\) längs eines Weges \(\vec s\) zugeführt wird, heißt Arbeit \(W\).
- Wird an einem System Arbeit verrichtet, so ist \(W>0\), verrichtet ein System Arbeit, so ist \(W<0\).
- Wird Arbeit unter einem Winkel \(\alpha\) verrichtet, so gilt \(W = |\vec F| \cdot |\vec s| \cdot \cos \left( \alpha \right)\).
Grundwissen
- Energie, die mit Hilfe einer Kraft \(\vec F\) längs eines Weges \(\vec s\) zugeführt wird, heißt Arbeit \(W\).
- Wird an einem System Arbeit verrichtet, so ist \(W>0\), verrichtet ein System Arbeit, so ist \(W<0\).
- Wird Arbeit unter einem Winkel \(\alpha\) verrichtet, so gilt \(W = |\vec F| \cdot |\vec s| \cdot \cos \left( \alpha \right)\).
Stöße
Grundwissen
- Mit Hilfe der Energie- und Impulserhaltung kannst du Ergebnisse von Stößen vorhersagen.
- Man unterscheidet gerade und schiefe Stöße.
- Beim elastischen Stoß ist die Gesamtenergie erhalten, beim unelastischen Stoß nicht.
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- Mit Hilfe der Energie- und Impulserhaltung kannst du Ergebnisse von Stößen vorhersagen.
- Man unterscheidet gerade und schiefe Stöße.
- Beim elastischen Stoß ist die Gesamtenergie erhalten, beim unelastischen Stoß nicht.
Zentraler elastischer Stoß
Grundwissen
- Bei einem elastischen Stoß sind der Impuls und die Energie erhalten.
- Aus den beiden unabhängigen Gleichungen können zwei unbekannte Größen bestimmt werden.
- Häufig werden Spezialfälle betrachtet, die den Rechenaufwand reduzieren.
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- Bei einem elastischen Stoß sind der Impuls und die Energie erhalten.
- Aus den beiden unabhängigen Gleichungen können zwei unbekannte Größen bestimmt werden.
- Häufig werden Spezialfälle betrachtet, die den Rechenaufwand reduzieren.
Zentraler vollkommen unelastischer Stoß
Grundwissen
- Beim vollkommen unelastischen Stoß bewegen sich die Stoßpartner nach dem Stoß mit gleicher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung.
- Für die Geschwindigkeit nach dem Stoß gilt: \(v^\prime = \frac{{{m_1} \cdot {v_1} + {m_2} \cdot {v_2}}}{{{m_1} + {m_2}}}\)
Grundwissen
- Beim vollkommen unelastischen Stoß bewegen sich die Stoßpartner nach dem Stoß mit gleicher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung.
- Für die Geschwindigkeit nach dem Stoß gilt: \(v^\prime = \frac{{{m_1} \cdot {v_1} + {m_2} \cdot {v_2}}}{{{m_1} + {m_2}}}\)
Energie und Energieerhaltungssatz
Grundwissen
- In einem abgeschlossenen System bleibt bei Reibungsfreiheit die gesamte mechanische Energie erhalten.
- Verschiedenen Energieformen können lediglich ineinander umgewandelt werden (z.B. potentielle Energie, kinetische Energie, Spannenergie).
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- In einem abgeschlossenen System bleibt bei Reibungsfreiheit die gesamte mechanische Energie erhalten.
- Verschiedenen Energieformen können lediglich ineinander umgewandelt werden (z.B. potentielle Energie, kinetische Energie, Spannenergie).
Kraftstoß
Grundwissen
- Ein äußerer Kraftstoß \(F\cdot \Delta t\) ändert den Impuls \(p\) eines Systems.
- Dabei gilt: \(\vec{F}\cdot \Delta t=\Delta \vec{p}\)
Grundwissen
- Ein äußerer Kraftstoß \(F\cdot \Delta t\) ändert den Impuls \(p\) eines Systems.
- Dabei gilt: \(\vec{F}\cdot \Delta t=\Delta \vec{p}\)
Gleichförmige Bewegung
Grundwissen
- Bei gleichförmiger Bewegung ist die Geschwindigkeit konstant.
- Bei einer gleichförmigen Bewegung ändert sich die Richtung der Bewegung nicht.
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- Bei gleichförmiger Bewegung ist die Geschwindigkeit konstant.
- Bei einer gleichförmigen Bewegung ändert sich die Richtung der Bewegung nicht.
Drehmoment
Grundwissen
- Das Drehmoment \(M\) ist das Produkt aus Hebelarm \(a\) und Kraft \(F\): \(M=a\cdot F\)
- Der Hebelarm \(a\) ist dabei der Abstand des Drehpunkts von der Wirkungslinie der Kraft.
- Eigentlich sind viele Größen wie das Drehmoment oder die Kraft hier Vektoren, deren Richtung eine wichtige Rolle spielt.
- Die Richtung des Drehmomentvektors kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand ermitteln.
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- Das Drehmoment \(M\) ist das Produkt aus Hebelarm \(a\) und Kraft \(F\): \(M=a\cdot F\)
- Der Hebelarm \(a\) ist dabei der Abstand des Drehpunkts von der Wirkungslinie der Kraft.
- Eigentlich sind viele Größen wie das Drehmoment oder die Kraft hier Vektoren, deren Richtung eine wichtige Rolle spielt.
- Die Richtung des Drehmomentvektors kannst du mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand ermitteln.
Rotationsenergie
Grundwissen
- In rotierenden Systemen steckt Rotationsenergie.
- Für die Rotationsenergie gilt \({E_\rm{Rot}} = \frac{1}{2} \cdot J \cdot {\omega ^2}\) wobei \(J\) das Trägheitsmoment ist.
- Das Trägheitsmoment \(J\)hängt vom Körper und seiner Rotationsachse ab.
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- In rotierenden Systemen steckt Rotationsenergie.
- Für die Rotationsenergie gilt \({E_\rm{Rot}} = \frac{1}{2} \cdot J \cdot {\omega ^2}\) wobei \(J\) das Trägheitsmoment ist.
- Das Trägheitsmoment \(J\)hängt vom Körper und seiner Rotationsachse ab.
Analogie zwischen Linearer und Drehbewegung
Grundwissen
- Zwischen linearen Bewegungen und Drehbewegungen lassen sich viele Analogien finden. Für viele Größen der linearen Bewegung existiert eine vergleichbare Größe bei Drehbewegungen.
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- Zwischen linearen Bewegungen und Drehbewegungen lassen sich viele Analogien finden. Für viele Größen der linearen Bewegung existiert eine vergleichbare Größe bei Drehbewegungen.
Drehimpuls
Grundwissen
- Der Drehimpuls \(\vec{L}\) eines Körpers ist \(\vec{L}=J\cdot\vec{\omega}\) mit Trägheitsmoment \(J\) und Winkelgeschwindigkeit \(\vec{\omega}\).
- Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße: In einem abgeschlossenen System bleibt der Gesamtdrehimpuls konstant, wenn kein äußeres Drehmoment wirkt.
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- Der Drehimpuls \(\vec{L}\) eines Körpers ist \(\vec{L}=J\cdot\vec{\omega}\) mit Trägheitsmoment \(J\) und Winkelgeschwindigkeit \(\vec{\omega}\).
- Der Drehimpuls ist eine Erhaltungsgröße: In einem abgeschlossenen System bleibt der Gesamtdrehimpuls konstant, wenn kein äußeres Drehmoment wirkt.
Bewegungsgesetz der gleichförmigen Bewegung
Grundwissen
- Bei der gleichförmigen Bewegung gilt \(v=\rm{konstant}\)
- Das Zeit-Weg-Gesetz der gleichförmigen Bewegung lautet \(s=v\cdot t\)
- Dabei hat der Körper zu \(t=0\,\rm{s}\) noch keine Strecke zurückgelegt
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- Bei der gleichförmigen Bewegung gilt \(v=\rm{konstant}\)
- Das Zeit-Weg-Gesetz der gleichförmigen Bewegung lautet \(s=v\cdot t\)
- Dabei hat der Körper zu \(t=0\,\rm{s}\) noch keine Strecke zurückgelegt
Umrechnen von Geschwindigkeitseinheiten
Grundwissen
- Maßeinheiten der Geschwindigkeit wie \(\rm{\frac{km}{h}}\) oder \(\rm{\frac{m}{s}}\) kannst du ineinander umrechnen.
- Um von \(\rm{\frac{m}{s}}\) in \(\rm{\frac{km}{h}}\) umzurechnen, multiplizierst du die Maßzahl mit \(3{,}6\) und änderst die Maßeinheit.
- Um von \(\rm{\frac{km}{h}}\) in \(\rm{\frac{m}{s}}\) umzurechnen, dividierst du die Maßzahl durch \(3{,}6\) und änderst die Maßeinheit.
Grundwissen
- Maßeinheiten der Geschwindigkeit wie \(\rm{\frac{km}{h}}\) oder \(\rm{\frac{m}{s}}\) kannst du ineinander umrechnen.
- Um von \(\rm{\frac{m}{s}}\) in \(\rm{\frac{km}{h}}\) umzurechnen, multiplizierst du die Maßzahl mit \(3{,}6\) und änderst die Maßeinheit.
- Um von \(\rm{\frac{km}{h}}\) in \(\rm{\frac{m}{s}}\) umzurechnen, dividierst du die Maßzahl durch \(3{,}6\) und änderst die Maßeinheit.
Scheinbare Sternhelligkeit
Grundwissen
- Die scheinbare Helligkeit eines Sternes gibt an, wie hell ein Beobachter auf der Erde den Stern wahrnimmt.
- Die scheinbare Helligkeit wird in \(\rm{mag}\) (für Magnituden) angegeben. Sterne mit kleineren \(\rm{mag}\)-Werten werden dabei als heller wahrgenommen als Sterne mit größeren \(\rm{mag}\)-Werten.
- Die Skala der scheinbaren Helligkeiten basiert auf einem logarithmischen Zusammenhang. Als Nullpunkt dient die scheinbare Helligkeit des Sterns Wega.
Grundwissen
- Die scheinbare Helligkeit eines Sternes gibt an, wie hell ein Beobachter auf der Erde den Stern wahrnimmt.
- Die scheinbare Helligkeit wird in \(\rm{mag}\) (für Magnituden) angegeben. Sterne mit kleineren \(\rm{mag}\)-Werten werden dabei als heller wahrgenommen als Sterne mit größeren \(\rm{mag}\)-Werten.
- Die Skala der scheinbaren Helligkeiten basiert auf einem logarithmischen Zusammenhang. Als Nullpunkt dient die scheinbare Helligkeit des Sterns Wega.
Masse-Leuchtkraft-Beziehung
Grundwissen
- Für Hauptreihensterne beobachtet man eine direkte Beziehung zwischen Sternmasse \(M\) und Leuchtkraft \(L\).
- In erster Näherung gilt: \(L\sim M^3\)
Grundwissen
- Für Hauptreihensterne beobachtet man eine direkte Beziehung zwischen Sternmasse \(M\) und Leuchtkraft \(L\).
- In erster Näherung gilt: \(L\sim M^3\)
Hauptreihenstadium
Grundwissen
- Im Hauptreihenstadium befinden sich Sterne während des stabilen Wasserstoffbrennens, das etwa \(90\,\%\) der Lebenszeit ausmacht.
- Mit Wissen über die Masse sowie der Leuchtkraft eines Sterns und der empirischen Masse-Leuchtkraftbeziehung gilt für die Hauptreihenzeit eines Sterns \(t_{\rm{h}}\sim\frac{1}{m^2}\).
Grundwissen
- Im Hauptreihenstadium befinden sich Sterne während des stabilen Wasserstoffbrennens, das etwa \(90\,\%\) der Lebenszeit ausmacht.
- Mit Wissen über die Masse sowie der Leuchtkraft eines Sterns und der empirischen Masse-Leuchtkraftbeziehung gilt für die Hauptreihenzeit eines Sterns \(t_{\rm{h}}\sim\frac{1}{m^2}\).
Sterngeburt
Grundwissen
- Gas-, Staub- und Molekülwolken an den Rändern der Spiralarme der Galaxis sind Gebiete der Sternentstehung, da hier interstellare Masse konzentriert ist.
- Das JEANS-Kriterium besagt, dass eine Gaswolke kollabiert und ein Stern entstehen kann, wenn ihre Masse größer als die JEANS-Masse ist.
Grundwissen
- Gas-, Staub- und Molekülwolken an den Rändern der Spiralarme der Galaxis sind Gebiete der Sternentstehung, da hier interstellare Masse konzentriert ist.
- Das JEANS-Kriterium besagt, dass eine Gaswolke kollabiert und ein Stern entstehen kann, wenn ihre Masse größer als die JEANS-Masse ist.
Wirkungen von Kräften
Grundwissen
- Nicht alles, was du im Alltag als Kraft bezeichnest, ist auch im physikalischen Sinne eine Kraft.
- Physikalische Kräfte erkennst du an drei Wirkungen: Änderung des Geschwindigkeitsbetrags (Erhöhung oder Verringerung), Ändern der Geschwindigkeitsrichtung und Änderung der Form (Verformung).
Grundwissen
- Nicht alles, was du im Alltag als Kraft bezeichnest, ist auch im physikalischen Sinne eine Kraft.
- Physikalische Kräfte erkennst du an drei Wirkungen: Änderung des Geschwindigkeitsbetrags (Erhöhung oder Verringerung), Ändern der Geschwindigkeitsrichtung und Änderung der Form (Verformung).
Träge Masse
Grundwissen
- Zwei Körper haben die gleiche (träge) Masse, wenn die Körper durch eine gleiche Kraft gleich beschleunigt werden.
- Die Einheit der trägen Masse ist das Kilogramm.
- Träge und schwere Masse stimmen überein. Man redet daher meist einfach von der Masse \(m\).
Grundwissen
- Zwei Körper haben die gleiche (träge) Masse, wenn die Körper durch eine gleiche Kraft gleich beschleunigt werden.
- Die Einheit der trägen Masse ist das Kilogramm.
- Träge und schwere Masse stimmen überein. Man redet daher meist einfach von der Masse \(m\).
Gewichtskraft
Grundwissen
- Die Ursache der Gewichtskraft eines Körpers ist die Anziehung zwischen der Erde und dem Körper.
- Aufgrund seiner Gewichtskraft erfährt jeder Körper eine Beschleunigung in Richtung Erdboden, die sogenannte Fallbeschleunigung.
- Die Fallbeschleunigung hat auf der Erde den Wert \(g=9{,}81\,\rm{\frac{m}{s^2}}\), auf anderen Himmelskörpern andere Werte.
- Für die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) gilt \(\vec{F}_{\rm{G}}=m\cdot g\).
Grundwissen
- Die Ursache der Gewichtskraft eines Körpers ist die Anziehung zwischen der Erde und dem Körper.
- Aufgrund seiner Gewichtskraft erfährt jeder Körper eine Beschleunigung in Richtung Erdboden, die sogenannte Fallbeschleunigung.
- Die Fallbeschleunigung hat auf der Erde den Wert \(g=9{,}81\,\rm{\frac{m}{s^2}}\), auf anderen Himmelskörpern andere Werte.
- Für die Gewichtskraft \(\vec F_{\rm{G}}\) gilt \(\vec{F}_{\rm{G}}=m\cdot g\).
Statische Kraftmessung
Grundwissen
- Mithilfe eines statischen Kraftmessers wie einer Federwaage kannst du einfach die Massen unbekannter Körper bestimmen.
- Ein statischer Kraftmesser muss jedoch immer mit bekannten Massen kalibriert werden.
- Beim Messen mit dem Kraftmesser ist auf die Nullpunktkorrektur zu achten.
Grundwissen
- Mithilfe eines statischen Kraftmessers wie einer Federwaage kannst du einfach die Massen unbekannter Körper bestimmen.
- Ein statischer Kraftmesser muss jedoch immer mit bekannten Massen kalibriert werden.
- Beim Messen mit dem Kraftmesser ist auf die Nullpunktkorrektur zu achten.
Entfernungsbestimmung mit Cepheiden
Grundwissen
- Cepheiden sind Pulsationsveränderliche - ihre Leuchtkraft bzw. Helligkeit verändert sich streng periodisch.
- Die Helligkeit hängt bei Cephiden mit der Länge ihrer Periode zusammen (Perioden-Leuchtkraft-Beziehung)
- Cepheiden dienen zur Entfernungsmessung im Kosmos: aus der Beobachtung der Periodendauer kann man direkt auf die absolute Helligkeit schließen. Durch die Messung der relativen Helligkeit dann mit dem Entfernungsmodul die Entfernung berechnen werden.
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- Cepheiden sind Pulsationsveränderliche - ihre Leuchtkraft bzw. Helligkeit verändert sich streng periodisch.
- Die Helligkeit hängt bei Cephiden mit der Länge ihrer Periode zusammen (Perioden-Leuchtkraft-Beziehung)
- Cepheiden dienen zur Entfernungsmessung im Kosmos: aus der Beobachtung der Periodendauer kann man direkt auf die absolute Helligkeit schließen. Durch die Messung der relativen Helligkeit dann mit dem Entfernungsmodul die Entfernung berechnen werden.
HUBBLE-Gesetz
Grundwissen
- Galaxien entfernen sich um so schneller von uns, je weiter die Galaxien von uns weg sind.
- Der HUBBLE-Parameter gibt die aktuelle Expansionsrate des Universums an und beträgt aktuell etwa \(H_0=70\,\rm{\frac{km}{s\cdot Mpc}}\).
- Die Expansionsrate des Universums hat aber im Laufe der Zeit zugenommen, sodass die lineare Beziehung \(z\cdot c=H_0\cdot D\) zwischen Rotverschiebung und Entfernung nur für Rotverschiebungen bis \(z\approx 0{,}1\) gilt.
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- Galaxien entfernen sich um so schneller von uns, je weiter die Galaxien von uns weg sind.
- Der HUBBLE-Parameter gibt die aktuelle Expansionsrate des Universums an und beträgt aktuell etwa \(H_0=70\,\rm{\frac{km}{s\cdot Mpc}}\).
- Die Expansionsrate des Universums hat aber im Laufe der Zeit zugenommen, sodass die lineare Beziehung \(z\cdot c=H_0\cdot D\) zwischen Rotverschiebung und Entfernung nur für Rotverschiebungen bis \(z\approx 0{,}1\) gilt.
1. Newtonsches Gesetz (Trägheitsgesetz)
Grundwissen
- Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
- Auch ein in in Bewegung befindlicher Körper bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
- Dieses Verhalten wird im 1. Newtonschen Gesetz beschrieben.
- Im Alltag wirken häufig Reibungskräfte als äußere Kräfte, die einen in Bewegung befindlichen Körper abbremsen.
Grundwissen
- Ein ruhender Körper bleibt in Ruhe, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
- Auch ein in in Bewegung befindlicher Körper bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, wenn keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken.
- Dieses Verhalten wird im 1. Newtonschen Gesetz beschrieben.
- Im Alltag wirken häufig Reibungskräfte als äußere Kräfte, die einen in Bewegung befindlichen Körper abbremsen.
Strategie beim Lösen von Bewegungsaufgaben
Grundwissen
- Die NEWTONschen Gesetze ermöglichen die Bewegung eines Körpers in der Zukunft vorherzusagen, wenn Anfangsbedingungen und wirkende Kräfte bekannt sind.
- Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Fällen der Beschleunigung \(\vec{a}\).
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- Die NEWTONschen Gesetze ermöglichen die Bewegung eines Körpers in der Zukunft vorherzusagen, wenn Anfangsbedingungen und wirkende Kräfte bekannt sind.
- Man unterscheidet zwischen drei verschiedenen Fällen der Beschleunigung \(\vec{a}\).
Haft-, Gleit- und Rollreibung
Grundwissen
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