Physik. 1. Mechanik. Inhaltsverzeichnis. 1.1 Mechanische Grössen. LAP-Zusammenfassungen: Physik Kraft (F) und Masse (m) 1.1.

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Lioba Gärtner
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1 Physik Inhaltsverzeichnis 1. Mechanik Mechanische Grössen Kraft (F) und Masse (m) Die Masse m Die Kraft F Die Geschwindigkeit (v) und die Beschleunigung (a) Erdbeschleunigung g Die Dichte Bewegungslehre Geschwindigkeit als Vektor Gleichmässige Kreisbewegung Berechnung mit Kräften Momente Hebel Reibung Haftreibung Gleitreibung Rollreibung Druck Der Auftrieb Wirkungsgrad Wärmelehre Wärmeausdehnung Temperaturmessgeräte Wärmemenge Wärmeübertragung Wärmeströmung (Konvektion) Mechanik 1.1 Mechanische Grössen Kraft (F) und Masse (m) Isaac Newton, engl. Physiker, Begründer der Mechanik ( ) formulierte das so: Jeder Körper beharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, solange keine resultierende Kraft auf ihn einwirkt. Diese Körpereigenschaft heisst Trägheit oder Beharrungsvermögen. Um einen Körper zu lenken benötigt man Kraft Die Masse m Die Masse ist eine Umschreibung der Stoffmenge eines Körpers. Beispiel: 1 dm 3 Wasser bei 4 C hat ein Gewicht von 1 kg. Die Masse ist ortsabhängig. Das Volumen ist unabhängig der Masse Die Kraft F Zweite Newtonsche Axiom: Die auf einen Körper der Masse m einwirkende konstante resultierende Kraft F res ist gleich dem Produkt aus Physik sxw / / Gabriel Mainberger 1/5

2 der Masse m und der Beschleunigung (Verzögerung) a des Körpers. Kraft (Fres) [N] = Masse (m) [kg] * Beschleunigung (a) [m/s 2 ) Bsp: 1N = 1kg / 1m * 1s Die Geschwindigkeit (v) und die Beschleunigung (a) Geschwindigkeit (v) [m/s] = Zurückgelegter Weg (s) [m] / Zeit (t) [s] gleichförmige Bewegung = die Geschwindigkeit des Körpers ändert nicht beschleunigte Bewegung = der Körper vergrössert oder verkleinert seine Geschwindigkeit Allgemeine Beschleunigung (a) [m/s 2 ] = Geschwindigkeitsänderung ( v) [m/s] / Zeit (t) [s] a = v / t a = F / m Erdbeschleunigung g Erdumfang = km Schallgeschwindigkeit = 330 m/s Ort g Ort g Sonne 280 m/s 2 Erde (Pole) m/s 2 Mond 1.6 m/s 2 Erde (Schweiz) 9.81 m/s 2 Erde (Äquator) m/s 2 Gewichtskraft (Fg) = m * a/g = 1 kg * 9.81 m/s 2 = 9.81 kgm/s 2 = 9.81 N Die Dichte Dichte P = Masse (m) / Volumen (V) feste Körper und Flüssigkeiten in kg/dm 3 / Gase in g/m 3 Masse (m) = Volumen (V) * Dichte (r) 1.2 Bewegungslehre Weg (s) [m] / Zeit (t) [s] / Geschwindigkeit (v) [m/s] / Beschleunigung (a) [m/s 2 ] Geschwindigkeit als Vektor Beispiel: Flussüberquerung; durch den Strom wird die Person abgetrieben.(abdrift) Gegeben Breite: b = 40m Geschwindigkeit: v s = 0.8 m/s Strömung: v w = 1.5 m/s Gesucht a) Abdrift in m b) v a) t = s/v = 40/0.8 = 50s, Abdrift = 50s * 1.5 m/s = 75m b) Der Weg wird mit dem Pythagoras gerechnet: s = Wurzel( ) = 85 m v = s/t = 85/50 = 1.7 m/s Gleichmässige Kreisbewegung n = Drehzahl in U/min = (1/min) r = Radius des Drehkreises (mm) Physik sxw / / Gabriel Mainberger 2/5

3 v u [m/s] = (Durchmesser (d) * PI * Drehzahl (n)) / 60 = (Radius (r) * PI * Drehzahl (n)) / 30 T = Umlaufzeit = 1/n Winkelgeschwindigkeit (w) = Drehwinkel ( Δj) / Zeitabschnitt ( Δt) Winkelgeschwindigkeit (w) = PI * n / Berechnung mit Kräften Die Kraft ist eine vektorielle Grösse. Die Einheit der Kraft ist Newton. Die Kräfte müssen grafisch Aufgezeichnet und so berechnet werden. Aktion = Reaktion 1.4 Momente Drehmoment (M) = Kraft (F) * Abstand (r) Hebel Einarmig: M d links = M d rechts M d links = F 1 * a und M d rechts = F 2 * b einarmige Hebel: F * b = F 1 * a 1.5 Reibung Reibung entsteht zwischen einander berührenden Körpern Haftreibung Steht ein Körper still und eine Kraft F z greift an um ihn zu bewegen, wird er sich bis die Kraft gross genug ist nicht bewegen lassen. Die Reibung ist unabhängig von der Grösse der Auflagefläche. Haftreibungskraft (F R) = Haftreibungszahl (µ0) * Normalkraft(F N) Gleitreibung Bei der Gleitreibung können sich die Oberflächen nicht mehr ineinander verhaken, da die Oberflächen zueinander nicht mehr still stehen. Gleitreibungskraft (F R) = Gleitreibungszahl (µ0) * Normalkraft (F N) Rollreibung Die rollende Reibung ist wesentlich kleiner als die gleitende Reibung. F R * r = F N * f Physik sxw / / Gabriel Mainberger 3/5

4 1.6 Druck 1 bar = 10 N / cm 2 1 bar entspricht ungefähr dem Druck einer 10 Meter hohen Wassersäule 1 Pa = 1N / m 2 1 bar = 100'000 N / m 2 = 100'000 Pa Der Druck setzt sich nach allen Richtungen gleich stark fort. Druck (p) = Kraft (F) / Fläche (A) Der Auftrieb Nach dem Gesetz von Archimedes ist die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit oder des verdrängten Gases. 1.7 Wirkungsgrad Energie bleibt erhalten. 2. Wärmelehre Wärme ist Energie. Siedepunkt Wasser: 100 C, K, 212 F Schmelzendes Eis: 0 C, C, 32 F Absoluter Nullpunkt: C, 0 K, F International wird in Kelvin gemessen Wärmeausdehnung Verlängerung ( Δl) [m] = Ausgangslänge (l 0) [m] * Ausdehnungskoeffizient (α) [1/K] * Temperaturdiff. ( Δ) [K] Raumausdehnung: Verlängerung ( Δl) [m] = Ausgangslänge (l 0) [m] * 3*Ausdehnungskoeffizient (α) [1/K] * Temperaturdiff. ( Δ) [K] Temperaturmessgeräte Flüssigkeitsthermometer, Dampfdruckthermometer, Elektrischen Thermometer (Widerstandsänderung), Pyrometer (Glühfarben, >600 C), Temperatur-Messfarbstiften, Segerkegel 2.2 Wärmemenge Um 1 Liter Wasser um 1 K zu erwärmen, benötigt man 1 Kilokalorie. 1 kcal ~= 4.19 kj Wärmekapazität c in [kj/kgk] Stoff c [kj/kgk] Stoff c [kj/kgk] Aluminium Maschinenöl 1.67 Blei 0.13 Wasser 4.19 Physik sxw / / Gabriel Mainberger 4/5

5 Stoff c [kj/kgk] Stoff c [kj/kgk] Eisen (rein) 0.47 Beton Kupfer 0.39 Eis 2.09 Quecksilber 0.14 Glas Silber 0.23 Holz (Fichte) 3.14 Wolfram Ziegelstein 0.67 Notwendige Wärmemenge (Q) [kj] = Masse (m) * Wärmekapazität (c) * Temperaturdiff. ( Δ) 2.3Wärmeübertragung Wärmeübertragung ist ein Transport von Energie. Nicht jedes Material leitet Wärme gleich gut Wärmeströmung (Konvektion) Bei der erzwungenen Wärmeströmung wird ein Stoff erwärmt und an einen Ort geführt, wo er die Wärme wieder abgeben kann. Dieser Stoff kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Beispiele: Heizsystem, Dampfturbine, Kühlflüssigkeit Bei der freien Wärmeströmung bewegt sich der erwärmte Stoff der Schwerkraft und der unterschiedlichen Dichte wegen, in vertikaler Richtung nach oben. Physik sxw / / Gabriel Mainberger 5/5

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