Rudolf Langkau. Physik kompakt 1. Mechanik, Fluiddynamik und Wärmelehre. Zweite Auflage Mit 248 Abbildungen

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1 Wolfgang Scobel Rudolf Langkau Gunnar Lindström Physik kompakt 1 Mechanik, Fluiddynamik und Wärmelehre Zweite Auflage Mit 248 Abbildungen 13

2 Professor Dr. Wolfgang Scobel Professor Dr. Dr. h.c. Gunnar Lindström Professor Dr. Rudolf Langkau Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee Hamburg, Deutschland DieersteAuflageerschieninzweiTeilbändenindem6teiligenWerkPhysik kompakt in der Reihe: Vieweg Studium Grundkurs Physik, herausgegeben von Hanns Ruder, bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh Die Deutsche Bibliothek CIP-Einheitsaufnahme: Physik kompakt. Berlin;Heidelberg;NewYork;Barcelona;Hongkong;London;Mailand;Paris;Tokio:Springer (Springer-Lehrbuch) Bd. 1. Mechanik, Fluiddynamik und Wärmelehre / Wolfgang Scobel Aufl ISBN ISBN Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork ein Unternehmen der BertelsmannSpringer Science+Business Media GmbH Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Datenkonvertierung von Fa. LE-TeX, Leipzig Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /3141/ba

3 IX Inhaltsverzeichnis Teil I Mechanik 1 Einleitung DieArbeitsmethodederPhysik Physikalische Größen,Maßsystem Vektorielle Größen Darstellung physikalischer Zusammenhänge Kinematik des Massenpunktes MassenpunktundBahnkurve Geradlinige Bewegung; Geschwindigkeit und Beschleunigung AllgemeinekrummlinigeBewegung Kreisbewegung Galilei-Transformation Dynamik des Massenpunktes Die Newtonschen Axiome KraftundMasse Anwendung der Newtonschen Bewegungsgleichung TrägheitskräfteinbeschleunigtenBezugssystemen Erhaltungsgrößen der Mechanik Kraft und Linearimpuls. Allgemeine Formulierung der Newtonschen Bewegungsgleichung DrehmomentundDrehimpuls ArbeitundLeistung KinetischeundpotentielleEnergie Energieerhaltung Massenpunktsysteme Die Newtonsche Bewegungsgleichung Erhaltungssätze Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite; Stoßgesetze... 88

4 X Inhaltsverzeichnis 6Starrer Körper Starrer KörperalsSystemvonMassenpunkten Statik des starren Körpers Dynamik des starren Körpers;RotationumfesteAchse Berechnung von Trägheitsmomenten Beispiele fürdrehbewegungenumeinefesteachse Arbeit, Leistung und kinetische Energie beidrehbewegungenumeinefesteachse DrehimpulserhaltungbeiraumfesterAchse RotationumfreieAchsen;Kreisel Relativistische Mechanik Relativitätsprinzip Lorentz-Transformation RelativistischeDynamik Ergänzung: Graphiken zur speziellen Relativitätstheorie Voraussetzungen Koordinaten-Transformation im nichtrelativistischen Fall (Galilei-Transformation) Koordinaten-Transformation im relativistischen Fall (Lorentz-Transformation) MasseundImpulsimrelativistischenFall KinetischeEnergieimrelativistischenFall De-Broglie-WellenlängeimrelativistischenFall Anhang: Differentialgleichungen zu Grunderscheinungen der Physik Einleitung Bewegungsgleichungen Das 2. Newtonsche Axiom DieKraftistkonstant DieKraftistkonstantundbremsend Die Kraft ist konstant; die Masse wächst linear mitderzeit Die Kraft ist konstant; der Massenverlust ist proportionalzurgeschwindigkeit DieKraftistproportionalzumOrt Die Kraft ist proportional zum Ort, aber rücktreibend DieKraftistharmonisch Die Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit undbremsend Die Kraft ist proportional zum Quadrat dergeschwindigkeitundbremsend Die Kraft ist die Summe aus elastischer Bindungskraft undgeschwindigkeitsproportionalerbremskraft

5 Inhaltsverzeichnis XI Die Kraft ist die Summe aus elastischer Bindungskraft, Bremskraft und einer äusseren zeitabhängigen Kraft Die Kraft ist umgekehrt proportional zum Quadrat desabstandesvomkoordinatenursprung Gekoppelte Bewegungsgleichungen (Gekoppelte Schwingungen) Teil II Fluiddynamik und Wärmelehre 1 Mechanische Schwingungen Allgemeines HarmonischeSchwingungen GedämpfteharmonischeSchwingungen Mathematische Ergänzung: Allgemeine Behandlung der Differentialgleichung fü rgedämpfteschwingungen ErzwungeneharmonischeSchwingungen;Resonanz ÜberlagerungharmonischerSchwingungen Mathematische Ergänzung: Fourier-Analyse GekoppelteharmonischeSchwingungen Molekülschwingungen alsbeispielanharmonischerschwingungen Harmonische Wellen in stabförmigen elastischen Medien Grundlagen StehendeharmonischeWellen Eigenschwingungen stabförmiger Medien EnergietransportdurchharmonischeWellen Mechanik fester Körper VerformungundmechanischeSpannung GrundtypenderelastischenVerformung AbgeleiteteelastischeVerformungen Überschreitung des Elastizitätsbereichs Mechanik ruhender Flüssigkeiten und Gase Druck in FlüssigkeitenundGasen Kompressibilität Schweredruck Ergänzung: Druck und Dichte in der Erdatmosphäre AuftriebundmesstechnischeAnwendungen Oberflächen von Flüssigkeiten Harmonische Druckwellen in FlüssigkeitenundGasen Ergänzung: LösungderWellengleichung

6 XII Inhaltsverzeichnis 5 Mechanik strömender Flüssigkeiten und Gase Einleitung Stationäre StrömungidealerFluide Druckmessung in Strömungen Anwendungen der Bernoullischen Gleichung Stationäre StrömungrealerFluide Turbulente StrömungrealerFluide Wärmelehre Vorbemerkungen und Begriffserläuterungen StoffmengeundTeilchenzahl TemperaturundThermometer Nicht-absolute Temperaturskala (nach Celsius) Absolute(thermodynamische)Temperaturskala Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper ThermischeAusdehnungvonGasen DasGasthermometer ZustandsgleichungidealerGase GrundzügederkinetischenGastheorie DruckdesModellgases TemperaturundkinetischeEnergie InnereEnergieidealerGase Wärme, eine Form der Energieübertragung Wärmemenge und Wärmekapazität Kalorimetrie Barometrische Höhenformel und Boltzmann-Verteilu ng Maxwell-Boltzmannsche Geschwindigkeitsverteilung Der I. Hauptsatz der Wärmelehre ZustandsänderungenamidealenGas Reversible und irreversible Zustandsänderungen SpezielleKreisprozesse Wärmepumpe und Kältemaschine Der II. Hauptsatz der Wärmelehre DiethermodynamischeTemperaturskala DieEntropie EntropieänderungenamidealenGas EntropieänderungbeiirreversiblenProzessen AggregatzuständeundPhasen Koexistenz von FlüssigkeitundDampf Koexistenz von Festkörpern und Flüssigkeit oder Gas ZustandsgleichungrealerGase Gasverflüssigung: Joule-Thomson-Effekt Transportphänomene Molekulardiffusion(=Massentransport)

7 Inhaltsverzeichnis XIII Wärmeleitung(= Energietransport) Viskosität(= Impulstransport) Gaskinetische Betrachtung der Transportphänomene Wirkungsquerschnitt, mittlere freie Weglänge Gaskinetische Herleitung der Transportkoeffizienten D, λ, η Brownsche Bewegung Anhang: Differentialgleichungen zu Grunderscheinungen der Physik DieWellengleichung Aufstellung der Wellengleichung fürdenfallvonschallwellen LösungenderWellengleichung HarmonischeWellen Berücksichtigung von Reibungskräften und anderen Einflüssen DieTransportgleichung PhysikalischeGrunderscheinungen LösungenderTransportgleichung Eine Transportgleichung ohne Transportlösung Sachwortverzeichnis