Boyle’s Law

Ein Satz von drei physikalischen Gesetzen, die die Grundlage der klassischen Mechanik bilden. Das erste Gesetz (Trägheit) besagt, dass ein Objekt in Ruhe oder in gleichmäßiger Bewegung bleibt, solange keine äußere Kraft auf es einwirkt. Das zweite Gesetz quantifiziert die Kraft als Masse mal Beschleunigung, [latex]\vec{F} = m\vec{a}[/latex]. Das dritte Gesetz besagt, dass es für jede Aktion eine gleichwertige und entgegengesetzte Reaktion gibt.

Die Schubspannung einer Newtonschen Flüssigkeit ist direkt proportional zur Rate der Scherdehnung. Diese lineare Beziehung wird durch das Newtonsche Gesetz der Viskosität definiert: [latex]\tau = \mu \frac{du}{dy}[/latex], wobei [latex]\tau[/latex] die Schubspannung, [latex]\mu[/latex] die dynamische Viskosität (eine Proportionalitätskonstante) und [latex]\frac{du}{dy}[/latex] die Scherrate oder der Geschwindigkeitsgradient ist.

In der Kontinuumsmechanik besagt der Grundsatz der Massenerhaltung, dass die Masse eines geschlossenen Systems über die Zeit konstant bleiben muss. Für ein Fluid wird dies durch die Kontinuitätsgleichung ausgedrückt. In ihrer eulerschen Differentialform lautet sie [latex]\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0[/latex], wobei [latex]\rho[/latex] die Dichte und [latex]\mathbf{u}[/latex] das Geschwindigkeitsfeld ist.

Eine Neuformulierung der klassischen Mechanik auf der Grundlage des Prinzips der stationären Wirkung. Sie verwendet eine skalare Größe, die Lagrange genannt wird und als kinetische Energie minus potenzielle Energie definiert ist ([latex]L = T - V[/latex]). Die Bewegungsgleichungen werden aus der Euler-Lagrange-Gleichung abgeleitet, [latex]\frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) - \frac{\partial L}{\partial q_i} = 0[/latex] abgeleitet, wobei verallgemeinerte Koordinaten verwendet werden, was die Analyse komplexer Systeme mit Nebenbedingungen vereinfacht.

Das verallgemeinerte Hooke'sche Gesetz ist die konstitutive Gleichung für linear elastische Materialien, die besagt, dass der Spannungstensor linear proportional zum Dehnungstensor ist. Die Beziehung wird ausgedrückt als [latex]\sigma = C : \varepsilon[/latex], wobei [latex]\sigma[/latex] der Spannungstensor, [latex]\varepsilon[/latex] der Dehnungstensor und [latex]C[/latex] der Steifigkeitstensor vierter Ordnung ist, der die elastischen Konstanten des Materials enthält.

Dieses Gesetz besagt, dass jedes Teilchen jedes andere Teilchen im Universum mit einer Kraft anzieht, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihren Zentren ist. Die Formel lautet [latex]F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}[/latex], wobei [latex]G[/latex] die Gravitationskonstante ist. Sie vereinheitlicht die irdische und die himmlische Mechanik.

Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass bei einer nicht viskosen Strömung eine Zunahme der Geschwindigkeit eines Fluids gleichzeitig mit einer Abnahme des Drucks oder einer Abnahme der potenziellen Energie einhergeht. Es ist eine Aussage über die Erhaltung der Energie für ein sich bewegendes Fluid, die allgemein als [latex]p + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \text{constant}[/latex] entlang einer Stromlinie ausgedrückt wird.

Die Strömungsmechanik ist das Teilgebiet der angewandten Mechanik, das sich mit der Statik (ruhende Flüssigkeiten) und Dynamik (bewegte Flüssigkeiten) von Flüssigkeiten und Gasen befasst. Sie wendet grundlegende Prinzipien der Masse-, Impuls- und Energieerhaltung an, um das Verhalten von Flüssigkeiten zu analysieren und vorherzusagen. Die Anwendungsgebiete sind vielfältig und reichen von der Aerodynamik und Hydraulik bis hin zur Meteorologie und Ozeanographie.

Dies sind zwei Möglichkeiten, Bewegung in der Kontinuumsmechanik zu beschreiben:

• Die Lagrange-Spezifikation folgt einzelnen Materialpartikeln und verfolgt ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit, als würde man ein bestimmtes Auto im Verkehr beobachten
• Die Euler-Spezifikation konzentriert sich auf feste Punkte im Raum und beobachtet die Eigenschaften (Geschwindigkeit, Dichte) aller Teilchen, die diese Punkte passieren, wie eine Verkehrskamera, die eine feste Kreuzung beobachtet.

Die Festkörpermechanik ist ein Zweig der Kontinuumsmechanik, der sich mit dem Verhalten fester Materialien befasst, insbesondere mit ihrer Bewegung und Verformung unter Einwirkung von Kräften, Temperaturänderungen oder anderen äußeren Belastungen. Sie ist von grundlegender Bedeutung für die Konstruktion und Analyse von Strukturen im Ingenieurwesen. Wichtige Bereiche sind Elastizität (rückstellbare Verformung), Plastizität (bleibende Verformung) und Bruchmechanik (Rissentstehung und -ausbreitung).