Das vorliegende Lehrbuch zur Mechanik und Wärmelehre richtet sich an Studierende der Physik im ersten Semester. Die Vorlesungsinhalte werden hier anschaulich, übersichtlich und leicht verständlich in zwölf Kapiteln dargestellt: Das Buch beginnt mit der Mechanik des Massenpunktes, Bezugssystemen und spezielle Relativitätstheorie. Es werden Systeme von Massenpunkten und die Dynamik starrer ausgedehnter Körper behandelt. Anschließend wird das Verhalten von festen und flüssigen realen Körpern und Gasen diskutiert. Strömende Flüssigkeiten und Gase, Auftrieb und die Physik des Fliegens werden im nächsten Kapitel besprochen. Nach der Vakuum-Physik wird die Wärmelehre eingeführt. Das Buch endet mit mechanischen Schwingungen und Wellen, nichtlinearer Dynamik und Chaos. Für das Verständnis notwendige Teilaspekte der Mathematik werden im Anhang aufgeführt.
[...] Wichtige Formeln und Merksätze sind hervorgehoben und der Lernstoff direkt anhand von Beispielen verständlich gemacht. Über 160 Übungsaufgaben werden ausführlich gelöst und Zusammenfassungen unterstützen Studierende beim strukturierten Lernen.
Aus dem Inhalt:
1 Einführung und Überblick 1
1.1 Die Bedeutung des Experimentes 3
1.2 Der Modellbegriff in der Physik 4
1.3 Historischer Rückblick 6
1.3.1 Die antike Naturphilosophie 6
1.3.2 Die Entwicklung der klassischen Physik 8
1.3.3 Die moderne Physik 10
1.4 Unser heutiges physikalisches Weltbild 11
1.5 Beziehungen zwischen Physik und Nachbarwissenschaften 14
1.5.1 Biophysik und medizinische Physik 15
1.5.2 Astrophysik 15
1.5.3 Geophysik und Meteorologie 16
1.5.4 Physik und Technik 16
1.5.5 Physik und Philosophie 17
1.6 Die Grundgrößen in der Physik, ihre Normale und Messverfahren 17
1.6.1 Längeneinheiten 18
1.6.2 Messverfahren für Längen 20
1.6.3 Zeiteinheiten 22
1.6.4 Zeitmessungen 24
1.6.5 Masseneinheiten und ihre Messung 25
1.6.6 Stoffmengeneinheit 26
1.6.7 Temperatureinheit 26
1.6.8 Einheit der elektrischen Stromstärke 26
1.6.9 Einheit der Lichtstärke 27
1.6.10 Winkeleinheiten 27
1.7 Maßsysteme 28
1.8 Messgenauigkeit und Messfehler 29
1.8.1 Systematische Fehler 29
1.8.2 Statistische Fehler. Messwertverteilung und Mittelwert 29
1.8.3 Streuungsmaße 31
1.8.4 Fehlerverteilungsgesetz 31
1.8.5 Fehlerfortpflanzung 33
1.8.6 Ausgleichsrechnung 35
Zusammenfassung 36
Aufgaben 37
Literatur 38
2 Mechanik eines Massenpunktes 41
2.1 Das Modell des Massenpunktes. Bahnkurve 43
2.2 Geschwindigkeit und Beschleunigung 44
2.3 Gleichförmig beschleunigte Bewegung 45
2.3.1 Der freie Fall 46
2.3.2 Der schräge Wurf 46
2.4 Bewegungen mit nicht-konstanter Beschleunigung 47
2.4.1 Die gleichförmige Kreisbewegung 47
2.4.2 Die allgemeine krummlinige Bewegung 48
2.5 Kräfte 50
2.5.1 Kräfte als Vektoren. Addition von Kräften 50
2.5.2 Kraftfelder 51
2.5.3 Messung von Kräften. Diskussion des Kraftbegriffes 52
2.6 Die Grundgleichungen der Mechanik 53
2.6.1 Die Newton¿schen Axiome 53
2.6.2 Träge und schwere Masse 55
2.6.3 Die Bewegungsgleichung eines Teilchens in einem beliebigen Kraftfeld 56
2.7 Der Energiesatz der Mechanik 59
2.7.1 Arbeit und Leistung 59
2.7.2 Wegunabhängige Arbeit. Konservative Kraftfelder 61
2.7.3 Potentielle Energie 62
2.7.4 Der Energiesatz der Mechanik 63
2.7.5 Zusammenhang zwischen Kraftfeld und Potential 64
2.8 Drehimpuls und Drehmoment 65
2.9 Gravitation und Planetenbewegungen 67
2.9.1 Die Kepler¿schen Gesetze 67
2.9.2 Newtons Gravitationsgesetz 68
2.9.3 Planetenbahnen 69
2.9.4 Das effektive Potential 71
2.9.5 Gravitationsfeld ausgedehnter Körper 72
2.9.6 Experimentelle Prüfung des Gravitationsgesetzes 74
2.9.7 Experimentelle Bestimmung der Erdbeschleunigung 78
Zusammenfassung 80
Aufgaben 81
Literatur 83
3 Bewegte Bezugssysteme und spezielle Relativitätstheorie 85
3.1 Relativbewegung 87
3.2 Inertialsysteme und Galilei-Transformation 87
3.3 Beschleunigte Bezugssysteme, Trägheitskräfte 88
3.3.1 Geradlinig beschleunigte Bezugssysteme 89
3.3.2 Rotierende Bezugssysteme 90
3.3.3 Zentrifugal- und Corioliskräfte 92
3.3.4 Zusammenfassung 96
3.4 Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit 96
3.5 Lorentz-Transformationen 97
3.6 Spezielle Relativitätstheorie 99
3.6.1 Das Problem der Gleichzeitigkeit 99
3.6.2 Minkowski-Diagramme 100
3.6.3 Skalenlängen 101
3.6.4 Lorentz-Kontraktion von Längen 102
3.6.5 Zeitdilatation 103
3.6.6 Zwillings-Paradoxon 104
3.6.7 Raumzeit-Ereignisse und Kausalität 107
Zusammenfassung 108
Aufgaben 108
Literatur 109
4 Systeme von Massenpunkten. Stöße 111
4.1 Grundbegriffe 112
4.1.1 Massenschwerpunkt 112
4.1.2 Reduzierte Masse 113
4.1.3 Drehimpuls eines Teilchensystems 114
4.2 Stöße zwischen zwei Teilchen 116
4.2.1 Grundgleichungen 116
4.2.2 Elastische Stöße im Laborsystem 117
4.2.3 Elastische Stöße im Schwerpunktsystem 120
4.2.4 Inelastische Stöße 122
4.2.5 Newton-Diagramme 123
4.3 Was lernt man aus der Untersuchung von Stößen? 124
4.3.1 Streuung in einem kugelsymmetrischen Potential 124
4.3.2 Reaktive Stöße 127
4.4 Stöße bei relativistischen Energien 128
4.4.1 Relativistische Massenzunahme 128
4.4.2 Kraft und relativistischer Impuls 129
4.4.3 Die relativistische Energie 130
4.4.4 Inelastische Stöße bei relativistischen Energien 131
4.4.5 Relativistischer Energiesatz 132
4.5 Erhaltungssätze 133
4.5.1 Impulserhaltungssatz 133
4.5.2 Energieerhaltungssatz 133
4.5.3 Drehimpulserhaltung 134
4.5.4 Erhaltungssätze und Symmetrien 134
Zusammenfassung 135
Aufgaben 136
Literatur 137
5 Dynamik starrer ausgedehnter Körper 139
5.1 Das Modell des starren Körpers 141
5.2 Massenschwerpunkt 142
5.3 Die Bewegung eines starren Körpers 142
5.4 Kräfte und Kräftepaare 143
5.5 Trägheitsmoment und Rotationsenergie 145
5.5.1 Steiner¿scher Satz 145
5.6 Bewegungsgleichung der Rotation eines starren Körpers 148
5.6.1 Rotation um eine Achse bei konstantem Drehmoment 148
5.6.2 Drehschwingungen um eine feste Achse 150
5.6.3 Vergleich von Translation und Rotation 150
5.7 Rotation um freie Achsen; Kreiselbewegungen 151
5.7.1 Trägheitstensor und Trägheitsellipsoid 151
5.7.2 Hauptträgheitsmomente 153
5.7.3 Freie Achsen 155
5.7.4 Die Euler¿schen Gleichungen 156
5.7.5 Der kräftefreie symmetrische Kreisel 156
5.7.6 Präzession des symmetrischen Kreisels 158
5.7.7 Überlagerung von Nutation und Präzession 160
5.8 Die Erde als symmetrischer Kreisel 161
Zusammenfassung 163
Aufgaben 164
Literatur 165
6 Reale feste und flüssige Körper 167
6.1 Atomares Modell der Aggregatzustände 169
6.2 Deformierbare feste Körper 171
6.2.1 Hooke¿sches Gesetz 171
6.2.2 Querkontraktion 172
6.2.3 Scherung und Torsionsmodul 173
6.2.4 Biegung eines Balkens 175
6.2.5 Elastische Hysterese, Deformationsarbeit 177
6.2.6 Die Härte eines Festkörpers 177
6.3 Ruhende Flüssigkeiten, Hydrostatik 178
6.3.1 Freie Verschiebbarkeit und Oberflächen von Flüssigkeiten 178
6.3.2 Statischer Druck in einer Flüssigkeit 179
6.3.3 Auftrieb und Schwimmen 182
6.4 Phänomene an Flüssigkeitsgrenzflächen 183
6.4.1 Oberflächenspannung 183
6.4.2 Grenzflächen und Haftspannung 185
6.4.3 Kapillarität 187
6.4.4 Zusammenfassung 188
6.5 Reibung zwischen festen Körpern 188
6.5.1 Haftreibung 188
6.5.2 Gleitreibung 190
6.5.3 Rollreibung 190
6.5.4 Bedeutung der Reibung in der Technik 191
6.6 Die Erde als deformierbarer Körper 192
6.6.1 Polabplattung der rotierenden Erde 193
6.6.2 Gezeitenverformung 193
6.6.3 Wirkungen der Gezeiten 196
6.6.4 Messung der Erdverformung 197
Zusammenfassung 198
Aufgaben 199
Literatur 200
7 Gase 201
7.1 Makroskopische Betrachtung 202
7.2 Luftdruck und barometrische Höhenformel 203
7.3 Kinetische Gastheorie 206
7.3.1 Das Modell des idealen Gases 206
7.3.2 Grundgleichungen der kinetischen Gastheorie 207
7.3.3 Mittlere kinetische Energie und absolute Temperatur 207
7.3.4 Verteilungsfunktion 208
7.3.5 Maxwell-Boltzmann¿sche Geschwindigkeitsverteilung 210
7.3.6 Stoßquerschnitt und mittlere freie Weglänge 213
7.4 Experimentelle Prüfung der kinetischen Gastheorie 214
7.4.1 Molekularstrahlen 215
7.5 Transportprozesse in Gasen 216
7.5.1 Diffusion 217
7.5.2 Brown¿sche Bewegung 219
7.5.3 Wärmeleitung in Gasen 220
7.5.4 Viskosität von Gasen 222
7.5.5 Zusammenfassung 223
7.6 Die Erdatmosphäre 223
Zusammenfassung 226
Aufgaben 227
Literatur 228
8 Strömende Flüssigkeiten und Gase 229
8.1 Grundbegriffe und Strömungstypen 231
8.2 Euler-Gleichung für ideale Flüssigkeiten 233
8.3 Kontinuitätsgleichung 234
8.4 Bernoulli-Gleichung 235
8.5 Laminare Strömungen 238
8.5.1 Innere Reibung 238
8.5.2 Laminare Strömung zwischen zwei parallelen Wänden 240
8.5.3 Laminare Strömungen durch Rohre 241
8.5.4 Kugelfall-Viskosimeter, Stokes¿sches Gesetz 242
8.6 Navier-Stokes-Gleichung 243
8.6.1 Wirbel und Zirkulation 243
8.6.2 Helmholtz¿sche Wirbelsätze 245
8.6.3 Die Entstehung von Wirbeln 246
8.6.4 Turbulente Strömungen; Strömungswiderstand 247
8.7 Aerodynamik 249
8.7.1 Der dynamische Auftrieb 249
8.7.2 Zusammenhang zwischen dynamischem Auftrieb und Strömungswiderstand 250
8.7.3 Kräfte beim Fliegen 251
8.8 Ähnlichkeitsgesetze;Reynolds¿sche Zahl 252
8.9 Nutzung der Windenergie 253
Zusammenfassung 262
Aufgaben 263
Literatur 264
9 Vakuum-Physik 267
9.1 Grundlagen und Grundbegriffe 268
9.1.1 Die verschiedenen Vakuumbereiche 268
9.1.2 Einfluss der Wandbelegung 269
9.1.3 Saugvermögen und Saugleistung von Pumpen 270
9.1.4 Strömungsleitwerte von Vakuumleitungen 270
9.1.5 Erreichbarer Enddruck 271
9.2 Vakuumerzeugung 272
9.2.1 Mechanische Pumpen 272
9.2.2 Diffusionspumpen 276
9.2.3 Kryo- und Sorptionspumpen 278
9.3 Messung kleiner Drücke 279
9.3.1 Flüssigkeitsdruckmessgeräte 280
9.3.2 Membranmanometer 280
9.3.3 Wärmeleitungsmanometer 281
9.3.4 Ionisations- und Penning-Vakuummeter 281
9.3.5 Reibungsvakuummeter 282
Zusammenfassung 283
Aufgaben 283
Literatur 284
10 Wärmelehre 285
10.1 Temperatur und Wärmeenergie 287
10.1.1 Temperaturmessung, Thermometer und Temperaturskala 287
10.1.2 Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper 289
10.1.3 Thermische Ausdehnung von Gasen, Gasthermometer 292
10.1.4 Absolute Temperaturskala 293
10.1.5 Wärmemenge und spezifische Wärme 294
10.1.6 Molvolumen und Avogadro-Konstante 295
10.1.7 Innere Energie und molare Wärmekapazität idealer Gase 296
10.1.8 Spezifische Wärme eines Gases bei konstantem Druck 297
10.1.9 Molekulare Deutung der spezifischen Wärme 297
10.1.10 Spezifische Wärmekapazität fester Körper 299
10.1.11 Schmelzwärme und Verdampfungswärme 300
10.2 Wärmetransport 301
10.2.1 Konvektion 301
10.2.2 Wärmeleitung 302
10.2.3 Das Wärmerohr (Heatpipe) 306
10.2.4 Methoden der Wärmeisolierung 307
10.2.5 Wärmestrahlung 309
10.2.6 Thermische Solarenergienutzung 315
10.3 Die Hauptsätze der Thermodynamik 316
10.3.1 Zustandsgrößen 317
10.3.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 318
10.3.3 Spezielle Prozesse als Beispiele für den ersten Hauptsatz 319
10.3.4 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 321
10.3.5 Der Carnot¿sche Kreisprozess 321
10.3.6 Äquivalente Formulierungen des zweiten Hauptsatzes 324
10.3.7 Die Entropie 325
10.3.8 Reversible und irreversible Prozesse 328
10.3.9 Freie Energie und Enthalpie 330
10.3.10 Chemische Reaktionen 331
10.3.11 Thermodynamische Potentiale;
Zusammenhang zwischen Zustandsgrößen 332
10.3.12 Gleichgewichts-Zustände 332
10.3.13 Der dritte Hauptsatz (Nernst¿sches Theorem) 333
10.3.14 Thermodynamische Maschinen 335
10.4 Thermodynamik realer Gase und Flüssigkeiten 340
10.4.1 Van-der-Waals¿sche Zustandsgleichung 340
10.4.2 Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen 342
10.4.3 Lösungen und Mischzustände 349
10.5 Vergleich der verschiedenen Zustandsänderungen 351
10.6 Energiequellen und Energie-Umwandlung 351
10.6.1 Wasserkraftwerke 353
10.6.2 Gezeitenkraftwerke 354
10.6.3 Wellenkraftwerk 354
10.6.4 Geothermie-Kraftwerke 355
10.6.5 Solar-thermische Kraftwerke 356
10.6.6 Photovoltaik Anlagen 357
10.6.7 Bio-Energie 357
10.6.8 Energiespeicher 358
Zusammenfassung 359
Aufgaben 360
Literatur 361
11 Mechanische Schwingungen und Wellen 363
11.1 Der freie ungedämpfte Oszillator 365
11.2 Darstellung von Schwingungen 366
11.3 Überlagerung von Schwingungen 367
11.3.1 Eindimensionale Überlagerungen 367
11.3.2 Zweidimensionale Überlagerung, Lissajous-Figuren 370
11.4 Der freie gedämpfte Oszillator 372
11.4.1 < !0, d. h. schwache Dämpfung 372
11.4.2 > !0, d. h. starke Dämpfung 373
11.4.3 D !0 373
11.5 Erzwungene Schwingungen 374
11.5.1 Stationärer Zustand 375
11.5.2 Einschwingvorgang 377
11.6 Energiebilanz bei der Schwingung eines Massenpunktes 378
11.7 Parametrischer Oszillator 379
11.8 Gekoppelte Oszillatoren 380
11.8.1 Gekoppelte Federpendel 380
11.8.2 Erzwungene Schwingungen zweier gekoppelter Pendel 382
11.8.3 Normalschwingungen 383
11.9 Mechanische Wellen 384
11.9.1 Verschiedene Darstellungen harmonischer ebener Wellen 384
11.9.2 Zusammenfassung 386
11.9.3 Allgemeine Darstellung beliebiger Wellen. Wellengleichung 386
11.9.4 Verschiedene Wellentypen 387
11.9.5 Ausbreitung von Wellen in verschiedenen Medien 389
11.9.6 Energiedichte und Energietransport in einer Welle 395
11.9.7 Dispersion, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit 396
11.10 Überlagerung von Wellen 398
11.10.1 Kohärenz und Interferenz 398
11.10.2 Überlagerung zweier harmonischer Wellen 399
11.11 Beugung, Reflexion und Brechung von Wellen 400
11.11.1 Huygens¿sches Prinzip 401
11.11.2 Beugung an Begrenzungen 402
11.11.3 Zusammenfassung 403
11.11.4 Reflexion und Brechung von Wellen 404
11.12 Stehende Wellen 405
11.12.1 Eindimensionale stehende Wellen 405
11.12.2 Experimentelle Demonstration stehender Wellen 406
11.12.3 Zweidimensionale Eigenschwingungen von Membranen 407
11.13 Wellen bei bewegten Quellen 409
11.13.1 Doppler-Effekt 409
11.13.2 Wellenfronten bei bewegten Quellen 410
11.13.3 Stoßwellen 412
11.14 Akustik 412
11.14.1 Definitionen 412
11.14.2 Druckamplitude und Energiedichte von Schallwellen 413
11.14.3 Erzeugung von Schallwellen 414
11.14.4 Schalldetektoren 415
11.14.5 Ultraschall 415
11.14.6 Anwendungen des Ultraschalls 416
11.14.7 Verfahren der Ultraschalldiagnostik 417
11.15 Physik der Musikinstrumente 418
11.15.1 Einteilung der Musikinstrumente 418
11.15.2 Akkorde, Tonleitern und Stimmungen 419
11.15.3 Physik der Geige 420
11.15.4 Physik beim Klavierspiel 422
Zusammenfassung 423
Aufgaben 424
Literatur 425
12 Nichtlineare Dynamik und Chaos 427
12.1 Stabilität dynamischer Systeme 430
12.2 Logistisches Wachstumsgesetz und Feigenbaum-Diagramm 434
12.3 Parametrischer Oszillator 436
12.4 Bevölkerungsexplosion 437
12.5 Systeme mit verzögerter Rückkopplung 439
12.6 Selbstähnlichkeit 440
12.7 Fraktale 441
12.8 Mandelbrot-Mengen 442
12.9 Folgerungen für unser Weltverständnis 446
Zusammenfassung 446
Aufgaben 447
Literatur 448
13 Anhang 449
13.1 Vektorrechnung 450
13.1.1 Definition des Vektors 450
13.1.2 Darstellung von Vektoren 450
13.1.3 Polare und axiale Vektoren 451
13.1.4 Addition von Vektoren 451
13.1.5 Multiplikation von Vektoren 452
13.1.6 Differentiation von Vektoren 453
13.2 Koordinatensysteme 455
13.2.1 Kartesische Koordinaten 456
13.2.2 Zylinderkoordinaten 456
13.2.3 Sphärische Koordinaten (Kugelkoordinaten) 457
13.3 Komplexe Zahlen 458
13.3.1 Rechenregeln für komplexe Zahlen 458
13.3.2 Polardarstellung 459
13.4 Fourieranalyse 459
14 Lösungen der Übungsaufgaben 461