Physik für Ingenieure

938 Pages·2016·359.44 MB·German

by  Ekbert Hering

Ekbert Hering · Rolf Martin · Martin Stohrer
Physik
für Ingenieure
12. Auflage
Physik für Ingenieure
(cid:2) (cid:2)
Ekbert Hering Rolf Martin
Martin Stohrer
Physik für Ingenieure
12. Auflage
EkbertHering MartinStohrer(cid:2)
Hochschulefürangewandte
WissenschaftenAalen
Aalen,Deutschland
RolfMartin
Köngen,Deutschland
UnterMitarbeitvon:Prof.Dr.HannoKäß,HochschuleEsslingenProf.Dr.G.Kurz,Hochschule
EsslingenDr.rer.nat.WolfgangSchulz,ZweckverbandLandeswasserversorgungStuttgart
ISBN978-3-662-49354-0 ISBN978-3-662-49355-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-49355-7
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Zum Geleit
Physikalische Grundlagen sind für den Ingenieur unerlässlich, weil sie so-
wohl prinzipielle Grenzen aufzeigen als auch eine klare Orientierung im
schneller werdenden technischen Wandel bieten. Quantentheorie und Fest-
körperphysik sind derzeit die Schrittmacher des technischen Fortschritts;
deshalbwird ihnenindiesemBuchdergebührendePlatzeingeräumt. Mein
Wunsch ist, dass die Erkenntnisse aus der physikalischen Grundlagenfor-
schung einen erkennbaren praktischen Nutzen zeigen. So wie der Quanten-
Hall-Effekt nichtnurdie physikalischen Grundlagen gefördert hat, sondern
auchinderPräzisionsmesstechnikalsWiderstandsnormalvonBedeutungist,
solltedieVerbindungzwischenphysikalischenGrundlagenundingenieurmä-
ßigerUmsetzungengerundeffektiverwerden.
MögediesesBucheinenBeitragdazuleisten.
Prof.Dr.KlausvonKlitzing
NobelpreisträgerderPhysik1985
Vorwortzurzwölften,aktualisiertenAuflage
Mit der vergangenen 11. Auflage wurden bereits umfangreiche Aktuali-
sierungen und Verbesserungen vorgenommen. Diese wurden von unserer
Leserschaft sehr begrüßt. Sie haben uns auch ermuntert, die Struktur des
Werkes beizubehalten, die Zusammenhänge in Übersichten zu verdichten,
VergleicheundpraxisrelevanteZahlenwerteundInformationeninTabellen-
formzusammenzustellen,vielepraktischeBeispieleausdemIngenieuralltag
vorzustellen und die physikalischen Zusammenhänge kompakt und klar
strukturiert darzustellen. Vor allem aber die Übungsaufgaben und die aus-
führliche Darlegung der Lösungswege fanden überall großes Lob. Auf
AnregungunsererLeserschafthabenwirfürdieamhäufigstengelesenenoder
heruntergeladenen Kapitel zusätzliche Übungsaufgaben erstellt und deren
Lösungen beschrieben. Dies betrifft die Kapitel Mechanik, Thermodyna-
mik, Elektrizitätslehre und Magnetismus, Schwingungen und Wellen sowie
Optik und Akustik. Auf den Innenseiten des Werkes wurden die Werte
derphysikalischenNaturkonstanten,diehäufiggebrauchteUmrechnungvon
EnergiemaßenundEnergieäquivalentensowiealteoderaußerhalbdesSIver-
V
VI ZumGeleit
wendeteMaßeinheitenaufgeführt.DadurchkanndieLeserschaftschnellauf
diesehäufigbenötigtenInformationenzugreifen.
Ein Markenzeichen des Werkes ist auch, dass wir die aktuellen DIN-
Normenbenennenundunsauchstriktdaranhalten.Damitgebenwirunseren
Lesern für den praktischen Einsatz wichtige aktuelle und verlässliche Hin-
weise. Auch in der 12. Auflage haben wir deshalb die neuesten Normen
eingepflegtunddieinternationalneufestgelegtenZahlenwertefürKonstan-
ten aktualisiert sowie die Liste der Nobelpreisträger ergänzt. Viele Bilder
wurdendurchaktuellereersetztundFormulierungenkomplexerZusammen-
hängenochtreffendervorgenommen.UmPhysikvorlesungeninderStruktur
diesesBuchesschnellvorbereitenunddarbietenzukönnen,hatHerrProf.Dr.
AxelLöfflerzusätzlichFolieninPower-Pointerstellt.DiesesindfürDozen-
tengedachtundkönnenpasswortgeschütztvondieserSeiteheruntergeladen
werden:http://www.springer.com/de/book/9783662493540
Unser Mitherausgeber und Koautor Prof. Dr. Martin Stohrer lebt leider
nicht mehr. Er war für uns ein langjähriger, liebenswerter Freund und für
unsere Leserschaft ein exzellenter Fachmann auf dem Gebiet der Akustik
undderWärme-undStoffübertragungsowieeinmaßgebenderundengagier-
ter Verfechter der erfolgreichen Struktur dieses Werkes. Weil dieses Werk
mit der Bezeichnung „HMS“ (Hering, Martin, Stohrer) seit vielen Jahren
ein Markenzeichen ist, haben wir den Titel beibehalten. Gleichwohl haben
wir mit Prof. Dr. Hanno Käß von der Hochschule Esslingen einen jungen,
engagierten Physiker mit praktischer Erfahrung in der Industrie und Lehr-
erfahrung an Hochschulen gewinnen können. Er wird mit seiner aktuellen
ErfahrunginLehre,ForschungundTransferdasWerkqualitätvollweiterent-
wickeln.Darauffreuenwirunssehr.
Dank sagen möchten wir vor allem Herrn Dr. Hubertus von Riedesel
undFrau Eva Hestermann-Beyerle vom SpringerVerlag. Sie gebenunsmit
jederAuflageaufsNeuedieChance,daserfolgreicheStandardwerkdenneu-
en Bedürfnissen der Leserschaft anzupassen. Mit ihrer professionellen und
freundlichenBetreuunghabensieunsimmermotiviert,mitgroßemEnergie-
einsatz an diesem Werk zu arbeiten. Die außerordentlichpositiveResonanz
von Studierenden, Kollegen aus den Hochschulen und Persönlichkeiten aus
derIndustrieundderWissenschaftsowiedievielenermunterndenZuschrif-
ten undVerbesserungsvorschlägehabendieses Werk zusätzlich aktualisiert.
In alter Verbundenheit möchten wir die Kollegen aus der Universität Mün-
chen erwähnen:Prof. Dr. J. de Boer, Prof. Dr. K.E.G. Löbner und Prof. Dr.
K.-H.SpeidelsowiedieKollegenProf.Dr.J.MassigundProf.Dr.D.Weber
von der Hochschule Aalen. Stellvertretend für die vielen Persönlichkeiten,
die uns beim Gelingen dieses aktuellen Werkes unterstützt haben, möchten
wir nennen: Herrn Dr. Norbert Südland von der Universität Ulm für die
Durchrechnung vieler Übungsaufgaben und die wertvollen Hinweise, Prof.
Dr. U. Weiss von der Universität Stuttgart, Prof. Dr. G. Prillinger und Frau
Prof. Dr. R. Hiesgen von der Hochschule Esslingen, Herrn Dr. R. Behr von
derPhysikalischTechnischenBundesanstaltsowieHerrnDr.H.D.Rütervon
derUniversitätHamburg,derunsbeiderDarstellungderQuantenmechanik
sehr geholfen hat. Ausgezeichnete Unterstützung erhielten wir wieder von
FachleutenausderIndustrie,denenwirallenganzherzlichdankenmöchten.
ZumGeleit VII
Wir wünschen unseren Leserinnen und Lesern beim Arbeiten mit die-
sem WerkguteErkenntnissein derfaszinierendenWeltderPhysik undviel
FreudebeimLernen.SehrgernenehmenwirkonstruktiveHinweiseausdem
sachkundigenLeserkreisaufundfreuenunsaufIhreHinweise.
Aalen,Esslingen EkbertHering
Frühjahr2017 RolfMartin
VorwortzurerstenAuflage
DasvorliegendeLehrbuchgibteineEinführungindiephysikalischenGrund-
lagen der Ingenieurwissenschaften. Es ist das Anliegen des Buches, eine
Brücke zu schlagen zwischen grundlegenden physikalischen Effekten und
den Anwendungsfeldern der Ingenieurpraxis. Es ist deshalb selbstverständ-
lich, dass ausschließlich SI-Maßeinheiten verwendet werden und in den
entsprechendenAbschnittenaufDIN-bzw.ISO-Normenhingewiesenwird.
Bei der Stoffauswahl sind besonders die modernen Teilgebiete berücksich-
tigt, wie beispielsweise Festkörperphysik (einschließlich Halbleiterphysik
und Optoelektronik), technische Akustik, Lasertechnik, Holografie, Klima-
technik und Wärmeübertragung sowie in der Atom- und Kernphysik der
quantisierteHall-Effekt.EinSonderabschnittStrahlenschutzinformiertüber
dieStrahlenbelastungausKernkraftwerken,überdiephysikalischeundbio-
logische Wirksamkeit radioaktiver Stoffe, die Strahlenmesstechnik sowie
überdieneuengesetzlichenVorschriftenzumStrahlenschutz.
Zum mathematischen Verständnis sind die Verfahren der Differenzial-,
Integral-undVektorrechnungnotwendig;allerdingssinddieentsprechenden
Herleitungen so ausführlich, dass auch der Leser mit geringen Vorkennt-
nissen zu folgen vermag. Das Buch ist so konzipiert, dass es sich nicht
nur an Studenten wendet, sondern auch praktizierenden Ingenieuren die
physikalischen Grundlagen zur Einarbeitung in neue Fachgebiete und zur
Weiterbildung liefert. Somit ist es auch eine Basis für eine flexible berufli-
cheEntwicklung.
ImerstenAbschnittsind dieMethodephysikalischenErkennensundder
Aufbau der Physik erläutert. Die Physik soll in ihren Zusammenhängen
begriffen und nicht als bloße Aneinanderreihung spezieller physikalischer
Gesetze missdeutet werden. Der Stoff ist in die Abschnitte Mechanik,
Thermodynamik,ElektrizitätundMagnetismus,SchwingungenundWellen,
Optik,Akustik,Atom-undKernphysik,FestkörperphysiksowieRelativitäts-
theorieeingeteilt.JedemAbschnittisteinStrukturbildvorangestellt,dasdie
jeweiligen Teilbereiche und ihre gesetzmäßigen Zusammenhänge aufzeigt.
Damit soll das Denken in Zusammenhängen gefördert und den Details ihr
Platz im Gesamtgefüge zugewiesen werden. Übergreifende Darstellungen
(z.B. beim Feldbegriffin der Mechanik,ThermodynamikundElektrizitäts-
lehre) sollen dem Leser darüber hinaus das universelle Denkkonzept der
Physik vor Augenführen.KomplizierteZusammenhängesind in zweifarbi-
genSkizzenoderdurchRechnerausdruckeveranschaulicht;zahlreicheBilder
ausderTechnikvermittelneinenaktuellenPraxisbezug.
VIII ZumGeleit
Um zu zeigen, wie sich die physikalische Erkenntnis durch die Geniali-
täteinzelnerPhysikersprunghaftentwickelthat,sindindenentsprechenden
Abschnitten die Meilensteine der Physik und ihre Wegbereiter genanntund
imAnhangdiePhysik-Nobelpreisträgeraufgeführt.
ZurVertiefungdesVerständnissesenthaltenvieleUnterabschnitteausder
Ingenieurpraxis stammende Berechnungsbeispiele. Aufgaben (mit Lösun-
gen im Anhang) ermöglichen es dem Leser, selbst den Stoff zu üben und
sein physikalisches Wissen zu vertiefen. Um alternative Fragestellungen zu
untersuchen und physikalische Sachverhalte grafisch zu veranschaulichen,
wurdenprogrammierbareRechnerverwendet.DenFirmenCasioundSharp,
insbesonderedenHerrenNewerklaundWachter,möchtenwirfürdieBereit-
stellungprogrammierbarerTaschenrechnerdanken.
Wir danken unseren akademischen Lehrern und Vorbildern, die uns zur
physikalischenErkenntnisgeführthaben,vorallemdenProfessorenU.Deh-
linger, H. Haken, M. Pilkuhn, A. Seeger und C.F. von Weizsäcker. Für
konstruktiveKritikbedankenwirunsbeiunserenKollegenH.Bauer,M.Käß,
P. Kleinheins, G. Kneer, J. Linser und R. Schempp. Frau G. Folz und den
HerrenK.Schmid undA.PlathdankenwirfürihretatkräftigeMithilfe.Der
Unterstützung vieler Firmen ist es zu verdanken, dass aktuelles Anschau-
ungsmaterial bereitgestellt werden konnte. Hierbei sind besondersfolgende
Firmenmitarbeiter zu erwähnen: B. Imb (BBC), P. Gradischnig (BMW),
D. Stöckel und P. Tautzenberger (Rau), M. Mayer (Osram), F. Schreiber
(Siemens), H. Garrels (Varta) und H. Schweikart (Voith). Ganz besonderer
Dank gebührt dem VDI-Verlag, speziell Herrn Dipl.-Ing. H. Kurt, der das
Lektorieren übernahm und für die reibungslose Abwicklung in erfreulicher
Atmosphäresorgte.Dabeiwurdeer indenAbschnitten 2,3 und6vonPro-
fessorF.HellinbesonderssachkundigerWeiseunterstützt.Zuletztmöchten
wirunserenFamilienfürihreGeduld,ihremoralischeUnterstützungundihr
großesVerständnisdanken.
Wirhoffen,dassdiesesBuchdenIngenieurstudenteneineguteHilfebeim
ErarbeitenphysikalischerZusammenhängeunddenIngenieureninderPraxis
ein brauchbaresNachschlagewerk ist. Gern nehmen wir Kritik und Verbes-
serungsvorschlägeentgegen.
Aalen,EsslingenundStuttgart, EkbertHering
Januar1988 RolfMartin
MartinStohrer
Verwendete physikalische Symbole
(Symbole, die in nachfolgenden Abschnitten die gleiche Bedeutung haben,
sindnureinmalangegeben.)
2.Mechanik
A Fläche
a Beschleunigung
c Lichtgeschwindigkeit;Schallgeschwindigkeit
c Auftriebsbeiwert
A
c Druckwiderstandsbeiwert
D
c Momentenbeiwert
M
c Widerstandsbeiwert
W
d Abstand;Dickenänderung
E Energie;Elastizitätsmodul
e Einheitsvektor
F Kraft
Fr Froudezahl
G Schubmodul,Gravitationskonstante
g Gravitationsfeldstärke
g Fallbeschleunigung
H Fallhöhe;Förderhöhe
h Höhe
I Flächenträgheitsmoment
J Massenträgheitsmoment
j Transportflussdichte;
Massenstromdichte
K Kompressionsmodul
k Federsteifigkeit;Rauigkeit
k Drehfedersteifigkeit
t
L Drehimpuls
l Länge
M Drehmoment
Ma Mach’scheZahl
m Masse
mP Massenstrom
n Drehzahl
IX
X VerwendetephysikalischeSymbole
P Leistung
p Impuls
p Druck;Anteil
Q Förderstrom(Pumpen);
Volumenstrom(Turbinen)
R Gaskonstante;Krümmungsradius
r Ortsvektor
Re Reynoldszahl
s Ortskoordinate
s Weg;Bogenlänge
T Kelvin-Temperatur;Periodendauer
t Zeit
V Volumen
VP Volumenstrom
v Geschwindigkeit
W Arbeit
w spezifische(massebezogene)Arbeit
˛ Durchflusszahl;Kontraktionszahl;Winkelbeschleunigung
ˇ Winkel
(cid:2) Zirkulation
(cid:3) Schiebung;Scherwinkel;Raumausdehnungskoeffizient
(cid:4) Differenz
" Neigungswinkel;Dehnung;Expansionszahl;Gleitzahl
(cid:5) dynamischeViskosität;Wirkungsgrad
# Celsius-Temperatur
~ Kompressibilität
(cid:6) Rohrreibungszahl
(cid:7) Reibungszahl;Ausflusszahl;Poissonzahl
(cid:8) kinematischeViskosität
% Dichte
(cid:9) Spannung;Normalspannung
(cid:10) Schubspannung
˚ Transportgröße
' Drehwinkel;Potenzialfunktion;Geschwindigkeitsziffer;Fluidität
' Gravitationspotenzial
G
! Winkelgeschwindigkeit
3.Thermodynamik
a Temperaturleitfähigkeit
C;C ;c Wärmekapazität,molarebzw.spezifischeWärmekapazität
m
C ,c isobaremolarebzw.isobarespezifischeWärmekapazität
mp p
C ,c isochoremolarebzw.isochorespezifischeWärmekapazität
mV V
C Strahlungsaustauschkoeffizient
12
c Schallgeschwindigkeit
E Aktivierungsenergie
A