Peter Kurzweil (Hrsg.) Bernhard Frenzel Florian Gebhard. Physik Formelsammlung

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1 Peter Kurzweil (Hrsg.) Bernhard Frenzel Florian Gebhard Formelsammlung

2 Aus dem Programm Naturwissenschaftliche Grundlagen Vieweg Handbuch Maschinenbau herausgegeben von A. Böge Formeln und Tabellen Maschinenbau herausgegeben von A. Böge von A. Böge und J. Eichler von J. Eichler Technische Berichte von H. und L. Hering Wutz Handbuch Vakuumtechnik herausgegeben von K. Jousten Aufgabensammlung i. Vorb. von P. Kurzweil (Hrsg.), J. Eichler, B. Frenzel und B. Schiewe Lehrsystem Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler in sechs Bänden von L. Papula vieweg

3 Peter Kurzweil (Hrsg.) Bernhard Frenzel Florian Gebhard Formelsammlung Für Ingenieure und Naturwissenschaftler Studium Technik

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008 Lektorat: Thomas Zipsner Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Die Anforderungen an eine Formelsammlung far Ingenieure und Naturwissenschaftler sind hoch: die Grundlagen der und ihre wichtigsten Anwendungen in Naturwissenschaft und Technik sollen knapp und kiar dargestellt und in nutzbare Formeln gegossen werden, von der Mechanik iiber die Stromungslehre zu Thermodynamik, Stofftransport und Elektrochemie, von der Elektrodynamik und -technik iiber die Optik bis hin zur Atom- und Kernphysik. Mit dem vorliegenden Buch konnten wir nicht alle diese Anforderungen gleichermaben gut erfiilien. Fiir er so interessante Themen wie der Formalismus der Quantenmechanik, die Quantentheorie der Festkorper und viele Facetten der Streutheorie mussten wir leider weglassen. Der Schwerpunkt liegt auf der Darstellung und den Anwendungen der kiassischen Gebiete der, mit denen sich die Studierenden der Natur- und Ingenieurwissenschaften in den ersten zwei bis drei Jahren ihres Studiums an Universirnten und Fachhochschulen beschiiftigen. Anflinger in den ersten Semestern mogen manches Axiom zunachst iiberblattern und sich aufdie Beispiele und Spezialfiille konzentrieren. In hoheren Semestern wird das theoretische Fundament willkommen sein, um den inneren Zusammenhang der zu erkennen. In diesem beschrlinkten Rahmen prasentieren wir die fur Naturwissenschaftler und Ingenieure wichtigen Gleichungen und erlautern die grundlegenden Konzepte, damit die Formeln ihren Sinn behalten und nicht zu einem,,buchstabensalat' verkommen. Dennoch kann unsere Formelsammlung kein Lehrbuch der oder die zugehorigen Vorlesungen ersetzen. Unsere Formelsammlung macht kompaktes -Wissen zuglinglich und fiihrt zielsicher durch die Grundlagen und Anwendungen der und physikalischen Chemie und der angrenzenden Ingenieurdisziplinen. Aufrund 400 Seiten konnten wir den vielen Anwendungen der in den Ingenieurwissenschaften selbstverstlindlich nicht vollstlindig gerecht werden. Vermissen Sie, liebe Leserin und lieber Leser, eine Formel, die fur Ihr Studium, Ihre Priifungen oder Ihre beruftiche Praxis wichtig ist, dann schreiben Sie uns bitte. Wir danken Prof. Dr. Peter LENZ, Marburg, fur die Durchsicht des Kapitels Stromungslehre, Prof. Dr. Harald RIBS, Marburg, fur seine Anmerkungen zum Kapitel Optik und Dipl.-Phys. David KOHLER fur seine Unterstiitzung bei der Anfertigung vieler Bilder. Dem Verlag Vieweg, voran unserem Lektor Herrn Thomas ZIPSNER, danken wir fur die hochwertige Ausstattung des Buches zu einem fur Studierende erschwinglichen Preis. 1m September 2007 PROF. DR. PETER KURZWEIL Fachhochschule Amberg-Weiden PROF. DR.-ING. BERNHARD FRENZEL Fachhochschule Amberg-Weiden PROF. DR. FLORIAN GEBHARD Universitiit Marburg

6 VI Vorwort Inhaltsverzeichnis A Intemationales Einheitensystem (SI) 1 E Schwingungen und WeUen BasisgroBen und -einheiten 2 2 Inkohiirente Einheiten 3 3 Wichtige Fonne1zeichen und Einheiten 5 B Mechanik Axiome der Mechanik 7 2 NEwToN-Mechanik 13 3 Aspekte der technischen Mechanik 19 4 LAGRANGE-Mechanik 25 5 Erhaltungssiitze 32 6 Zweitei1chenprob1em 35 7 Mechanik des starren Korpers 40 8 Spezielle Re1ativitatstheorie.49 C Striimungslehre 56 1 Ideale und reale Fluide 56 2 Hydro- und Aerostatik 65 3 EULER-Fluide: Reibungsfreie ideale Stromung 73 4 Umstromung von Korpem 80 5 Rohrstromungen 89 6 Ausstromende F1uide 95 7 Impu1s- und Drehimpulsiibertragung 99 D Thermodynamik, Wiirme- und Stofftransport Temperatur und thermische Ausdehnung Wiirmeenergie und Kalorimetrie Ideales Gas Mengenbegriffe in Fluiden und Mischungen Hauptsiitze der Thennodynamik Zustandsanderungen des idealen Gases Kreisprozesse Reale Gase Luftfeuchtigkeit Fliissigkeiten und Losungen Phaseniibergange und 1atente Wiirme Wiirmetransport Stoff'transport Thennodynamik: und Kinetik chemischer Reaktionen Hannonische Schwingungen Uberlagerung von Schwingungen Gekoppe1te Schwingungen linearer Oszillatoren Wellen 182 F Akustik Schallquellenund Schal1ausbreitung Physio1ogische Akustik 200 G Elektrotechnik Strom, Spannung, Widerstand und Leistung Spannungs-Strom-Beziehungen an Zweipo1en KIRCHHoFF-Gesetze und Widerstandsnetze Wechse1stromlehre linearer Netzwerke Schaltvorgange E1ektromagnetische Felder Ladungstransport E1ektronische Bauteile Drehstromsystem E1ektrische Maschinen 281 H Optik Wellenoptik Geometrische Optik (Strahlenoptik) Optische Instrumente Strahlung und Lichtempfindung 317 K Atom- und Kemphysik Quanten und Materiewellen E1ektronenhiille und Atomspektroskopie Mo1ekii1spektroskopie Massenspektrometrie Kemspin und NMR-Spektroskopie Radioaktivitat Rontgenspektroskopie, ionisierende Strahlung, Dosimetrie E1ementarteilchen Atomares Einheitensystem 358 Quellen und weiterrdhrende Literatur 359 Stichwortverzeichnis 360