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Technische Mechanik und Berechnung

Abb.1: Finite-Elemente-Analyse eines Zahnrades
Abb.2: Pumpenanlage eines Pumpenprüfstandes

Was haben so unterschiedliche Dinge wie ein Zahnrad (siehe Abbildung1), eine Pumpenanlage (siehe Abbildung2), ein Dampfkraftwerk oder ein Strahltriebwerk eines Flugzeuges gemeinsam? Die Antwort auf diese Frage lässt sich relativ einfach geben. Für die Entwicklung dieser technischen Produkte sind - nebst anderen Fähigkeiten und Fertigkeiten - gründliche Kenntnisse des Gegenstandes "Technische Mechanik und Berechnung" unerlässlich.

Die "Technische Mechanik und Berechnung" wird in allen fünf Jahrgängen der Abteilung "Maschinenbau" unterrichtet und umfasst die Bereiche Statik, Festigkeitslehre, Bewegungslehre (Kinematik und Kinetik), Hydromechanik (Hydrostatik und Hydrodynamik), Wärmelehre und Wärmeübertragung.

Begonnen wird im ersten Jahrgang mit der Statik. Auf grafischem und rechnerischem Weg werden für unterschiedlichste Bauteile, ausgehend von den Begriffen "Kraft" und "Moment", die Auflagerreaktionen errechnet. Aufbauend auf diesen Grundkenntnissen werden im zweiten Jahrgang die Abmessungen von Bauteilen berechnet, die gewählt werden müssen, damit für eine vorgegebene Belastung dieser Bauteil nicht bricht oder sich zu stark verformt. Mit den im Rahmen der Festigkeitslehre erworbenen Kenntnissen kann man also schon abschätzen, ob die Zähne des in der Abbildung dargestellten Zahnrades die Belastung ohne Beschädigung ertragen.

Im dritten Jahrgang werden Kenntnisse im Bereich der Bewegungslehre erworben. Am Ende der dritten Klasse kann beispielsweise die Frage beantwortet werden, in welcher Entfernung von der Abschussstelle ein schräg nach oben abgeschossener Körper aufschlägt oder wie groß seine maximale Flughöhe ist. Die Auswirkung von Kräften und Momenten auf die Bewegung eines Körpers kann beurteilt werden. Die Schülerinnen und Schüler können somit auch unter anderem berechnen, welche Leistung ein Auto haben muss, um in 4 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen zu können, oder welche Kräfte und Momente wirken müssen, um dieses innerhalb eines vorgegebenen Bremsweges wieder zum Stillstand zu bringen.

Im vierten und fünften Jahrgang werden die Bereiche Hydromechanik, Wärmelehre und Wärmeübertragung unterrichtet. In der Hydromechanik beschäftigt man sich mit ruhenden und bewegten Flüssigkeiten. Problemstellungen wie die Kraftwirkung einer ruhenden Flüssigkeit auf eine Begrenzungswand - man denke in diesem Zusammenhang nur an die Kräfte, die auf eine Staumauer einwirken - oder die Druckverluste in flüssigkeits- oder gasdurchströmten Rohrleitungen - in diesem Zusammenhang interessiert natürlich die Leistung der für die Kompensation dieser Verluste erforderlichen Pumpe - werden untersucht.
Die Wärmelehre beschäftigt sich mit Energieumwandlungen und der Beurteilung dieser Vorgänge. Es werden Kreisprozesse untersucht, wie sie in Motoren, Gasturbinen oder Dampfkraftwerken auftreten. Mit den im Bereich der Wärmelehre vermittelten Grundlagen ist es beispielsweise möglich zu berechnen, welche Menge an Treibstoff einem Motor zugeführt werden muss, um eine bestimmte Leistung abzugeben, oder wie groß der Dampfdurchsatz in einem Dampfkraftwerk für eine vorgegebene Leistung sein muss. Der Bereich der Wärmeübertragung widmet sich den unterschiedlichen Wärmeübertragungsarten. Mit Hilfe der in diesem Bereich vermittelten Grundlagen kann man beispielsweise den Wärmeverlust eines Einfamilienhauses im Winter beurteilen und natürlich auch entsprechende kosteneffiziente Maßnahmen zur Minimierung dieses Verlustes vorschlagen.
Den Abschluss der "Technischen Mechanik und Berechnung" bilden im fünften Jahrgang die Ermittlung von Biegelinien und die Berechnung von Schwingungsvorgängen.