Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Band 1 - Mechanik und Thermodynamik

Friedhelm Kuypers

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN drucken: 9783527411351
• eBook-ISBN: 9783527669561
• Auflage: 3
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Physik

Mit diesem zweibändigen Werk liegt wiederum eine erneuerte und verbesserte Auflage des bewährten Lehrbuchs von Friedhelm Kuypers vor.
Band 1 widmet sich der Mechanik und Thermodynamik. Die Mechanik wurde durch ausführliche Beträge zu erneuerbaren Energien und zu Windkraftanlagen ergänzt. Zahlreiche Beispiele beleuchten die Zusammenhänge zwischen technischen Anwendungen, alltäglichen Phänomenen und physikalischen Gesetzen. Der Aufbau und die Aufbereitung des Stoffes sind auf eine effektive Prüfungsvorbereitung zugeschnitten. Jedes Kapitel endet mit einer Zusammenfassung des Basiswissens und der wichtigsten Lernschritte. Zahlreiche Aufgaben in verschiedenen Schwierigkeitsgraden mit ausführlichen Lösungen bieten ideale Trainingsmöglichkeiten.

A

Mechanik

1

Einführung

1.1 Einleitung

Die Physik beschäftigt sich mit der Natur und versucht ihre Gesetze zu enträtseln. Sie hat die Aufgabe, Eigenschaften und Aufbau der Materie und die Wechselwirkungen der Grundbausteine zu verstehen und daraus alle natürlichen Phänomene und Beobachtungen der unbelebten (und teilweise auch belebten) Natur abzuleiten. Die Physik ist daher die grundlegendste aller Naturwissenschaften. Sie hat starke Verbindungen zu den anderen Naturwissenschaften und den Ingenieurwissenschaften.

Die Physik stellt den anderen Wissenschaften aber nicht nur grundlegende theoretische Erkenntnisse zur Verfügung; sie entwickelt auch Methoden und Arbeitsgeräte, die auf fast allen Gebieten der angewandten und reinen Forschung benutzt werden. Erinnert sei hier nur an die Geräte in der Medizin (vom Röntgengerät bis zum Computertomographen) oder an die Archäologie (Luftbildaufnahmen im nicht-sichtbaren Bereich und Altersbestimmungen mit der Radio-Carbon-Methode).

Der physikalische Fortschritt vollzieht sich durch eine wechselseitige Befruchtung von Theorie und Experiment. Am Anfang stehen in der Regel Beobachtungen und Messungen der Experimentalphysiker. Der theoretische Physiker schlägt daraufhin ein Modell vor, das auf Axiomen (Postulaten) beruht, die nicht bewiesen, also nicht mathematisch aus anderen Gesetzen abgeleitet werden können, sondern nur von der Erfahrung ausgehen (Induktive Methode). Wenn das Modell die bereits bekannten experimentellen Befunde richtig beschreibt, werden weitere, evtl. noch nicht bekannte Vorhersagen mathematisch aus dem Modell hergeleitet und experimentell überprüft (Deduktive Methode). Unter Umständen muss man das Modell dann modifizieren oder erweitern oder bestimmte Gültigkeitsgrenzen stecken; evtl. ist das Modell auch völlig zu verwerfen.

Die gegenseitige Verknüpfung von Theorie und Experiment ist für den ungeheuren Fortschritt der modernen Wissenschaft verantwortlich. Die erst zu Beginn der Neuzeit von Galileo Galilei eingeführte ‘Experimentelle Naturwissenschaft’ verlangt die Überprüfung jeder neuen Theorie an der Wirklichkeit, am Experiment. Neben der Forderung nach der inneren Widerspruchsfreiheit und dem Wunsch, dass die Modelle und Gesetze möglichst einfach und ‘schön’ aussehen sollen, ist die Übereinstimmung mit der Realität das entscheidende Kriterium, das über Annahme oder Ablehnung eines Modells entscheidet. Diese Arbeitsweise war den alten Griechen, die sich intensiv mit den Naturgesetzen beschäftigt und viele bedeutende Gelehrte hervorgebracht haben, völlig fremd. Für sie war die Erforschung der Natur keine Wissenschaft in unserem Sinn, sondern Philosophie; ihre Gedanken und Modelle waren reine Spekulationen, die zwar auch widerspruchsfrei und möglichst einfach sein sollten, aber nicht an der Wirklichkeit überprüft wurden. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass die Naturwissenschaften in der Antike und im Mittelalter nur relativ wenige Erfolge aufzuweisen hatten.

Mehr als jeder andere Wissenschaftler arbeitet der Physiker quantitativ, also mit Zahlen und Gleichungen. Man kann durchaus sagen, dass der Physiker eine Beobachtung oder eine Information erst dann richtig verstanden hat, wenn er sie in eine Gleichung gefasst hat. Die Mathematik ist die Sprache der Physik; ohne sie sind physikalische Theorien nur sehr unvollständig zu beschreiben.

1.2 Messung und Maßeinheit

Physikalische Erkenntnisse und Zusammenhänge werden durch physikalische Größen dargestellt. Darunter versteht man messbare Eigenschaften physikalischer Objekte, Zustände oder Vorgänge wie z. B.

Die Länge eines Stabes	⇔	Objekt
Die Stärke eines elektrischen Feldes	⇔	Zustand
Die Dauer einer Schwingung	⇔	Vorgang

In der Mechanik gibt es drei unabhängige Grundgrößen: MASSE, LÄNGE, ZEIT. Alle anderen Größen der Mechanik werden aus diesen drei fundamentalen Größen abgeleitet. Z. B.

Neben den drei Grundgrößen der Mechanik gibt es vier weitere unabhängige Grundgrößen:

• In der Elektrizitätslehre wird eine weitere unabhängige Grundgröße benötigt: Die Stromstärke mit der Einheit‘Ampere’.
• In der Thermodynamik sind die Temperatur mit der Einheit ‘Kelvin’ oder ‘Grad Celsius’ und die Stoffmenge mit der Einheit ‘mol’ zwei weitere Grundgrößen.
• In der Optik kommt schließlich die Lichtstärke mit der Einheit ‘Candela’ hinzu.

Die Messung einer physikalischen Größe erfolgt durch den Vergleich mit einer Einheit. Einheiten sind international festgelegte, reproduzierbare Größen, die durch einen Prototyp (wie früher beim Kilogramm) oder durch eine Mess- oder Zählvorschrift definiert werden. Einheiten brauchen nur für die Grundgrößen festgelegt werden. Die Einheiten der abgeleiteten Größen erhält man dann mit den Definitionsgleichungen dieser (abgeleiteten) Größen.

Die drei Einheit...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
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• Vorwort
• A Mechanik
• B Thermodynamik
• Lösungen
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