Was ist der Unterschied zwischen "Kinematik" und "Dynamik"?

In der klassischen Mechanik bezieht sich "Kinematik" im Allgemeinen auf die Untersuchung von Bewegungseigenschaften - Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung usw. - ohne Rücksicht darauf, warum diese Größen die Werte haben, die sie haben. "Dynamik" bedeutet eine Untersuchung der Regeln, die die Wechselwirkungen dieser Teilchen regeln, wodurch Sie feststellen können, warum die Größen die Werte haben, die sie haben.

So werden beispielsweise Probleme der Bewegung mit konstanter Beschleunigung („Ein Auto startet aus dem Stand und beschleunigt mit 4 m/s/s. Wie lange braucht man für 100 m?“) als Kinematik bezeichnet, während Probleme mit Kräften („A 100 g Masse sind an einer Feder mit einer Federkonstante von 10 N/m befestigt und hängen senkrecht an einer Stütze. Wie stark dehnt sich die Feder?") werden als "Dynamik" klassifiziert.

Das ist zumindest eine Art operative Definition.

1. Statik : Untersuchung von Kräften im Gleichgewicht ohne Berücksichtigung zeitlicher Veränderungen.
2. Kinematik : Studium der Bewegungen (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung) und aller möglichen Konfigurationen eines Systems, das Einschränkungen unterliegt.
3. Kineto-Statik : Untersuchung von Kräften im Gleichgewicht, mit Hinzufügung von bewegungsbezogenen Kräften (wie Trägheitskräften über das D'Alembert-Prinzip ) zu einem Zeitpunkt. Ergebnisse aus einem Zeitrahmen wirken sich nicht auf die Ergebnisse des nächsten Zeitrahmens aus.
4. Dynamik : Vollständige Berücksichtigung zeitlich veränderlicher Phänomene in der Wechselwirkung zwischen Bewegungen, Kräften und Materialeigenschaften. Typischerweise gibt es einen Zeitintegrationsprozess, bei dem Ergebnisse aus einem Zeitrahmen die Ergebnisse des nächsten Zeitrahmens beeinflussen.

Was die Quelle der kinematischen und dynamischen Viskosität betrifft, bin ich mir nicht sicher, und ich habe mich das selbst gefragt. Vielleicht liegt es an den Testmethoden, mit denen jede Eigenschaft gemessen wird.

Da alle schon nette Antworten auf diese Frage gegeben haben, werde ich eine pragmatischere Antwort geben:

Mach dir keine Sorgen. Es ist eine willkürliche Unterscheidung, die von Menschen gemacht wird. Der Natur ist es egal, ob ein Phänomen rein kinematisch beschrieben/erklärt werden kann oder nicht. Es ist keine grundlegende Unterscheidung.

Andererseits ist es eine nützliche Unterscheidung. Ich bin sicher, Sie kennen den Unterschied irgendwie implizit, wenn Sie Probleme lösen.

Lassen Sie mich ein Beispiel aus der Mechanik geben: Sie schwingen ein Pendel in einer vertikalen Ebene, Sie schwingen so schnell, dass die Flugbahn ein Kreis ist. Wie groß ist die Spannung im Pendel, wenn es den tiefsten Punkt des Kreises passiert? Die Spannung ist eine dynamische Größe, weil sie eine Kraft ist. Nun, wenn Sie das Problem lösen, schreiben Sie nicht die vollständige Gleichung von Newton auf und lösen sie. Sie verwenden die kinematischen Informationen, die Sie über die Trajektorie haben: Es ist ein Kreis, im untersten Teil der Trajektorie gibt es keine tangentiale Beschleunigung, also ist die Beschleunigung radial nach innen gerichtet und ist$v^2/r$. Daraus können Sie die Spannung finden, indem Sie rein kinematische Überlegungen verwenden und niemals lösen$\vec{F}=m\vec{a}$als Differentialgleichung.

Ich denke, Sie haben verstanden, dass wir das in der Physik ständig tun. Sonst wären viele Probleme ohne den ständigen Rückgriff auf umfangreiche Computersimulationen nicht zu lösen. Bei den meisten Problemen, die wir betrachten, haben wir bereits eine Vorstellung von der Kinematik, die es erlaubt, den Raum akzeptabler Lösungen zu reduzieren. Manchmal so drastisch (das gilt aber nur für die einfachsten Probleme), dass wir sie durch rein kinematische Betrachtungen lösen können.

Sie sollten sich das so vorstellen, als würden Sie einen Computer programmieren, um das physikalische System zu simulieren. Kinematik ist die Datenstruktur, die Sie benötigen, um die allgemeine Situation zu simulieren, welche Variablen mit welchem ​​Wertebereich. Dynamics ist der eigentliche Algorithmus, der die Bewegung simuliert.

Bei der Kinematik geht es um den Bewegungsbereich oder die Veränderung, die ein System durchlaufen kann, oder um den Zustandsraum, in dem es agiert. Bei der Dynamik geht es um die Bewegung, die sie gemäß den Bewegungsgesetzen erfährt.

Beispielsweise beschreibt die Kinematik eines starren Körpers im Raum seine möglichen Koordinatenpositionen und -orientierungen und den Bereich von Geschwindigkeiten und Winkelgeschwindigkeiten etc. Die Dynamik beschreibt, wie sich diese unter dem Einfluss eines gegebenen Kräftesystems verändern würden.

Dies bedeutet, dass die Erhaltung von Energie und anderen Größen dynamisch ist, da sie nur gilt, wenn die Bewegungsgleichungen gelten.

Obwohl Kinematik und Dynamik in der klassischen Mechanik am häufigsten verwendet werden, können Sie die Idee auf die Quantenmechanik erweitern, wo die Kinematik durch den Phasenraum und Operatoren beschrieben wird, während die Dynamik die Entwicklung unter dem Einfluss eines bestimmten Hamilton-Operators ist.

Es ist traditionell, die Unterscheidung zwischen Kinematik und Dynamik als absolut klar zu betrachten, aber vielleicht ist das Wichtigste, was man darüber verstehen muss, dass dies nicht immer der Fall ist. Betrachten Sie als einfaches Beispiel den Fall eines Teilchens, das sich entlang einer festen Bahn bewegen kann. Man könnte die Einschränkung, die es auf der Spur hält, als kinematisch betrachten, und nur seine tatsächliche Bewegung entlang der Spur wäre Teil der Dynamik, aber wir wissen, dass das Partikel auf einer tieferen Ebene durch dynamische Kräfte auf der Spur gehalten wird.

Ein weiteres Beispiel könnte die Ladungserhaltung sein. Wenn Sie die Dirac-Gleichung für ein geladenes Teilchen in Gegenwart eines elektromagnetischen Feldes betrachten, stellen Sie fest, dass die Ladung nur unter dem Einfluss der Bewegungsgleichungen erhalten bleibt. Quantisiert man das System, ergibt sich die Ladung aus der Summe der quantisierten Ladungen auf den Positronen und Elektronen, die nur paarweise erzeugt und zerstört werden können. Es ist möglich, dies als kinematische Einschränkung anzusehen, wobei die Dynamik nur die Bewegung der Partikel berücksichtigt.

Das vielleicht beste Beispiel ist die Elektrodynamik, wo ein Vektorpotential die Feldkinematik beschreibt, wobei die elektrischen und magnetischen Felder durch geeignete Ableitungen gegeben sind. In diesem Fall ist die Maxwell-Gleichung, die uns sagt, dass das Magnetfeld keine Divergenz hat, kinematisch, weil sie ohne Verwendung der Bewegungsgleichungen folgt, aber die Divergenz des elektrischen Felds ist gleich dem elektrischen Strom gemäß den Bewegungsgleichungen. Einige von Maxwells Gleichungen sind also kinematisch und einige dynamisch. In einer tieferen Theorie können diese Felder von einem System abgeleitet werden, das eine elektromagnetische Dualität aufweist, wo magnetische Monopole als Quellen für das Magnetfeld wirken.

Letzten Endes unterscheidet die Evolution des Universums nicht so zwischen Kinematik und Dynamik wie die Physiker, und es ist wichtig zu verstehen, dass sich Kinematik auf einer tieferen Ebene als Dynamik herausstellen kann oder umgekehrt. Daher ist jeder Versuch, den Unterschied zu definieren, in gewissem Maße willkürlich und hält sich möglicherweise nicht über die Zeit.

Noch eine pragmatische Definition: Benötigt man nur SI-Einheiten abgeleitet von Meter und Sekunde (Länge, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, …), dann ist es Kinematik. Wenn Sie auch SI-Einheiten benötigen, die das Kilogramm beinhalten (Masse, Energie, Impuls, Kraft, …), dann ist es Dynamik.

Kinematik: Daran arbeitete Galileo mit seinen zahlreichen Experimenten, bei denen die Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung von Kugeln gemessen wurden, die geneigte Ebenen hinunterrollten.

Dynamik: woran Newton arbeitete, als er seine drei Gesetze formulierte.

So verstehe ich es. Es gibt eine Reihe von Definitionen, die in der Physik verwendet werden, und eine, die hauptsächlich in der Technik verwendet wird. Ich beschreibe zuerst den in der Physik verwendeten:

In der Mechanik beschreiben wir die Bewegung von Körpern und die Ursachen , die sie beeinflussen. Dies schließt den Sonderfall ein, dass die "Bewegung" keine Bewegung ist, dh Körper stehen.

Die Beschreibung der Bewegung selbst nennt man Kinematik . Dies richtet lediglich die relevanten Freiheitsgrade ein, die als Variablen in einer relevanten mathematischen Form dargestellt werden.

Die Beschreibung der Ursachen und wie diese Ursachen die Bewegung beeinflussen, wird als Dynamik bezeichnet . Diese Ursachen werden oft in Kräfte und Momente unterteilt. Diese Beschreibung bezieht die Variablen, die die obige Bewegung beschreiben, auf Kräfte, die von diesen Variablen selbst abhängen sollten. Das bedeutet, dass wir in der Dynamik oft geschlossene Gleichungen haben, die wir in voller Allgemeinheit lösen können.

Eine andere Unterteilung der Bereiche der klassischen Mechanik, die hauptsächlich in der Technik verwendet wird, lässt die Definition der Kinematik gleich, aber was wir oben als Dynamik bezeichnet haben, wird als Kinetik bezeichnet .

Dynamik bezieht sich dann auf Mechanik, die nur auf die Eigenbewegung angewendet wird (dh ohne den stationären Fall). Mit anderen Worten, Dynamik ist die Kinematik und Kinetik der Eigenbewegung.

Die auf das stationäre Gehäuse angewandte Mechanik wird als Statik bezeichnet . Mit anderen Worten, Statik ist die Kinematik und Kinetik des statischen Gleichgewichts.

Der Unterschied ist: Berücksichtigung von Kräften .

In vielen Fällen beziehen sich die Kräfte selbst auf den Standort (Sucheinträge Potenzial, potenzielle Energie, Hamiltonian), sodass die Dynamik es Ihnen ermöglichen würde, das Verhalten des Systems aus einem bestimmten Anfangszustand vorherzusagen.

Ich würde sagen, dass Kinematik mit dem Raum aller möglichen Konfigurationen eines Systems gleichzeitig zu tun hat, zum Beispiel, welche Einschränkungen diesen durch Erhaltungssätze auferlegt werden. Dynamik hat damit zu tun, wie sich Konfigurationen als Funktion der Zeit ändern. Wie immer der Begriff tatsächlich verwendet wird, kann von der Person abhängen.

In erster Linie ist die Unterscheidung zwischen Kinematik und Dynamik eine der Kausalität . Was meinen wir damit? Die Etymologie des Wortes Kinematik ist das griechische kinēma , was Bewegung bedeutet. Auf der anderen Seite leitet Dynamik ihren Ursprung von dunamis ab , was Kraft bedeutet (obwohl wir es besser als Kraft in potentia betrachten sollten, als in der Fähigkeit, etwas zu tun).

So? Nun, wir alle kennen ein anderes Wort, das auf dem griechischen kinēma basiert – Kino . Wenn wir die Flugbahn eines Teilchens als Funktion, als Computersimulation oder als Film darstellen würden, würden wir eine Beschreibung der Bewegung des Teilchens liefern, ohne zu erklären, was es zu dieser Bewegung veranlasst hat. Aber als Physiker sollten wir uns nicht damit begnügen, ein Bild von der Bewegung eines Systems zu malen. Das ist die Aufgabe der Künstler.

Um zu erklären, warum unser interessierendes System die von uns beobachtete Bewegung zeigt, identifizieren wir Kräfte und Potentiale, die möglicherweise für die Auslösung der Bewegung verantwortlich waren. In der klassischen Mechanik können wir, sobald wir die Kräfte und die Anfangsbedingungen des Systems (die Dynamik) identifiziert haben, eine Differentialgleichung lösen, um eine zeitlich parametrisierte Lösung (die Kinematik) zu erhalten.

Das Studium dynamischer Systeme ist schließlich ein Teilgebiet der Mathematik. Ich hoffe das hilft. Außerdem hoffe ich, dass Sie verstehen, dass die Unterscheidung keinesfalls willkürlich ist, wie manche Leute glauben gemacht haben.

Bei mechanischen Systemen würde ich sagen, der Unterschied besteht darin, ob die beteiligten Kräfte auf statische oder quasi-statische Situationen zurückzuführen sind, in denen die Kräfte auf Gewicht / Schwerkraft, Federn usw. zurückzuführen sind. Wenn die Kräfte aus Beschleunigungen resultieren, haben wir ein dynamisches System , während ersteres ein kinematisches System wäre.

In dem Lichtübertragungsbeispiel des ursprünglichen Fragestellers verstehe ich die Unterscheidung nicht, die gemacht wird. Alle Phänomene hängen mit der Wechselwirkung von Teilchen und Licht zusammen, die meiner Meinung nach ein dynamisches System ist. Aber das ist auf einem niedrigeren Niveau.

Die Mechanik kann grob in folgende Zweige eingeteilt werden:

1.Statik- Befasst sich mit der Untersuchung von materiellen Objekten in Ruhe ODER befasst sich mit der Untersuchung der Bewegung von Objekten unter der Wirkung von Kräften im Gleichgewicht. Hier spielt der Zeitfaktor keine Rolle.

2. Kinematik – befasst sich mit dem Studium der Bewegung materieller Objekte, ohne die Faktoren zu berücksichtigen, die die Bewegung verursachen (zB Natur der Kraft, Natur des Körpers). Hier spielt der Zeitfaktor eine wesentliche Rolle.

3.Dynamik- Befasst sich mit der Untersuchung der Bewegung von Objekten unter Berücksichtigung der Faktoren, die Bewegung verursachen.Dynamik basiert auf dem Konzept der Kraft.Hier spielt der Zeitfaktor eine wesentliche Rolle.

Ich denke, im Allgemeinen könnte man eine Unterscheidung zwischen kinematischen und dynamischen Modellen so interpretieren, dass sie sich lose auf phänomenologische Beschreibungen (kinematisch) versus bezieht. Beschreibungen aus ersten Prinzipien (dynamisch)