HÜTTE - Das Ingenieurwissen

1605 Pages·2004·39.757 MB·German

by  H. Czichos (auth.), Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Czichos, Professor Dr. rer. nat. Manfred Hennecke (eds.)

Inhaltsiibersicht
Die Ingenieurwissenschaften (if. Czic/jo5) 1-14
A Mathematik und Statistik A1-A162
Mathematik (P. Ruge) A1-A128
Wahrscheinlichkeitsrechnung und Statistik (M Wermuth) A128-A162
B Physik (//. MeJr/g) B1-B245
C ChemiQ (B. Plewinsky) C1-C88
D Werkstoffe (//. Czichos) D1-D90
E Technische Mechanik E1-E186
Mechanik fester Korper (^ ^YteAjftwrg) El-El 19
Stromungsmechanik (^ Z/erep, AT. ^M/i/er) E120-E186
F Technische Thermodynamik (J ^/irewJf^) F1-F76
G Elektrotechnik G1-G153
Netzwerke(G. Wiesemann) G1-G35
Felder {H. Clausert) G36-G58
Energietechnik {H. Ziirneck) G59-G72
Nachrichtentechnik (A:.//£#wa««) G72-G101
Elektromk (K. Hoffinann, G. Wiesemann, L. Haase) . . G101-G153
H MeRtechnik (H.-R. Trdnkler) H1-H81
I Regelungs-und Steuerungstechnik (//. t/nZ)e/?aMen) . 11-191
J Technische Informatik J1-J144
Mathematische ModeWe (H. Liebig, P. Rechenberg) . . J2-J17
Digitale Systeme (if. li'eWg) J17-J53
Rechnerorganisation (7%. FM) J53-J105
Frograramieruag (P. Rechenberg) J106-J144
K EntwicklungundKonstruktion()^5efe) K1-K64
L Produktion (G. 5/?Mr) L1-L49
MBetriebswirtschaft(^P/wfe) M1-M19
N Normung (T: 5aMe) N1-N14
O Recht (J. Borck) 01-016
P fatente (J. Schade, V Winterfeldt) PI-PI7
Sachverzeichnis S1-S47
HUTTE
Das Ingenieurwissen
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Hongkong
London
Mailand
Paris
Tokio
HUTTE
Herausgeber: Akademischer Verein Hiitte e.V, Berlin
Das Ingenieurwissen
32.,
aktualisierte Auflage
herausgegeben von
Horst Czichos
Manfred Hennecke
Mit 1704 Abbildungen und 337 Tabellen
m
Springer
Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Czichos
Technische Fachhochschule Berlin
Luxemburger Str. 10
13353 Berlin
[email protected]
Professor Dr. rer. nat. Manfred Hennecke
Prasident
BAM Bundesanstalt fur Materialforschung und -priifung
Unter den Eichen 87
12200 Berlin
[email protected]
Wissenschaftlicher Ausschuss des Akademischen Vereins Hiitte e.V, Berlin
Dr.-Ing. Karl Feutlinske, Vorsitzender
CarmerstraBe 12
10623 Berlin
[email protected]
Homepage mit Obersicht zu den HUTTE-Handbiichern: http://www.av-huette.de
Urspriinglich erschienen in der Reihe „VDI-Buch"
Bibliografische Information der Dcutschen Bibliothck
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detailiierte bibliografische Daten sind im Internet iiber <http;//dnb.ddb.de> abrufbar.
ISBN 3-540-20325-7 32. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
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Printed in Germany
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Satz: Fotosatz-Service Kohler GmbH, Wiirzburg
Gedruckt auf saurefreiem Papier 7/3020 Rw 5 4 3 2 10
Mitarbeiter
Joachim AHRENDTS, Professor Dr.-Ing., Institut fur Thermodynamik,
Universitat der Bundeswehr Hamburg (F)
Torsten BAHKE, Dr.-Ing. Direktor, DIN Deutsches Institut fur Normung e.V, Berlin (N)
Wolfgang BEITZ f, Professor Dr.-Ing., ehem. Institut fur Maschinenkonstruktion,
Technische Universitat Berlin (K)
Jiirgen BORCK, Rechtsanwalt und Notar, Berlin (O)
Karl BUHLER, Professor Dr.-Ing. habil., Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik,
Fachhochschule OfiFenburg (E7-E10)
Horst CLAUSERT, Professor i.R. Dr.-Ing., Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik,
Technische Universitat Darmstadt (G9-G15)
Horst CziCHOS, Professor Dr.-Ing. Dr. h.c, Fachbereich Elektrotechnik und Feinwerktechnik,
Technische Fachhochschule Berlin (D)
Thomas FLIK, Dr.-Ing., Institut fur Technische Informatik und Mikroelektronik,
Technische Universitat Berlin (J6-J9)
Lutz HAASE, Dipl.-Ing., Fakultat fur Elektrotechnik und Informatik,
Technische Universitat Berlin (G25-G27)
Karl HOFFMANN, Professor i.R. Dr.-Ing., Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik,
Technische Universitat Darmstadt (G19-G27)
Hans LIEBIG, Professor Dr.-Ing., Institut fur Technische Informatik und Mikroelektronik,
Technische Universitat Berlin (Jl -J5)
Heinz NIEDRIG, Professor Dr.-Ing., Optisches Institut, Technische Universitat Berlin (B)
Bodo PLEWINSKY, Privatdozent Dr. rer. nat., Institut fur Chemie, Freie Universitat Berlin (C)
WulfF PLINKE, Professor Dr. rer. oec, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultat,
Humboldt-Universitat zu Berlin (M)
Peter RECHENBERG, em. Professor Dr.-Ing., Institut fiir Pervasive Computing,
Johannes-Kepler-Universitat Linz (J1-J2, J10-J14)
Peter RUGE, Professor Dr.-Ing. habil., Institut fur Statik und Dynamik der Tragwerke,
Technische Universitat Dresden (A1-A37)
Jiirgen SCHADE, Dr. jur., Prasident, Deutsches Patent- und Markenamt, Miinchen (P)
Giinter SPUR, em. Professor Dr. h.c. mult. Dr.-Ing., Leiter a.D. Institut fiir Werkzeugmaschinen
und Fertigungstechnik, Technische Universitat Berlin (L)
Hans-Rolf TRANKLER, Professor Dr.-Ing., Institut fur Mel3- und Automatisierungstechnik,
Universitat der Bundeswehr Miinchen (H)
Heinz UNBEHAUEN, em. Professor Dr.-Ing., Lehrstuhl fur Elektrische Steuerung und Regelung,
Ruhr-Universitat Bochum (I)
Manfred WERMUTH, Professor Dr. rer. nat., Institut fur Verkehr und Stadtbauwesen,
Technische Universitat Braunschweig (A38-A44)
Gunther WiESEMANN, Professor Dr.-Ing., Lehrbeauftragter in den Fachbereichen Elektrotechnik
und Informatik der Fachhochschule BraunschweigAVolfenbiittel (G1-G8, G25-G27)
Volker WiNTERFELDT, Dr. rer. nat., Vorsitzender Richter, Bundespatentgericht, Miinchen (P)
Jens WITTENBURG, Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c, Institut fiir Technische Mechanik,
Universitat Karlsruhe (E1-E6)
Jiirgen ZlEREP, em. Professor Dr.-Ing. habil. Dr. tech. E.h., Institut fur Stromungslehre,
Universitat Karlsruhe (E7-E10)
Helmut ZURNECK, Professor i.R. Dr.-Ing., Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Technische Universitat Darmstadt (G16-G18)
Geleitworte
Der Akademische Verein Hiitte e.V Berlin begriiBt als Namens- und Herausgeber der „HUTTE-Hand-
biicher" das Erscheinen dieser neuen Auflage. Dieses umfassende Standard-Nachschlagewerk fur alle
Ingenieur-Fachrichtungen, das in den vergangenen Auflagen unter dem Titel „HUTTE - Die Grund-
lagen der Ingenieurwissenschaften" erschien, wurde damit weiter verbessert und aktualisiert, um so
den neuesten Entwicklungen Rechnung zu tragen.
Bereits fiir die 1. Auflage des HUTTE-Handbuchs, das im Jahre 1857 unter dem Titel „Des Ingenieurs
Taschenbuch" erschien, wurde erfolgreich das Ziel verfolgt, ein fur Studium und Beruf nutzliches
Nachschlagewerk zu schaffen. Dieses Ziel ist auch mit dieser 32. Auflage erreicht. Das inzwischen
in 10 Sprachen iibersetzte HUTTE-Handbuch ist weiterhin BegrifF fur kompakte, griindliche und
schnelle Information.
Die Grundlage fur dieses Werk wurde von Mitgliedem des Vereins Hiitte bereits kurz nach der Griin-
dung im Jahre 1846 gelegt. Der erste Schritt war die Einsetzung der Zeichnungskommission und die
Herausgabe niitzlicher und standig erweiterter „Sammlungen von Konstruktionszeichnungen ausge-
fiihrter technischer Anlagen". Es folgte die Herausgabe „Des Ingenieurs Taschenbuch", in dem in
iibersichtlicher Weise die Formeln, Tabellen und Resultate aus den Vortragen der Professoren des
damaligen Koniglich-PreuBischen Gewerbeinstituts, dem Vorganger der heutigen Technischen Uni-
versitat Berlin, zusammengestellt waren. Der Verein Hiitte hat dariiber hinaus in seiner Griinderzeit
wesentlich bei der Erarbeitung technischer Vorschriften fiir die preufiischen Staatsbahnen, den
„PreuBischen Normalien", mitgewirkt. Mit der Technik-Geschichte untrennbar verbunden ist auch der
VDI, der Verein Deutscher Ingenieure, der von Mitgliedem des Vereins Hiitte 1856 gegriindet wurde.
Von diesen Meilensteinen stellt bis heute insbesondere die publizistische Aktivitat den Grundstock
von Identitat und Geschichte des Vereins Hiitte dar.
Der Akademische Verein Hiitte e.V Berlin wiinscht dem Handbuch „HUTTE - Das Ingenieurwissen"
in der aktuellen 32. Auflage wieder eine positive Resonanz und dankt den Bandherausgebem und dem
Autorenteam von iiber 15 Universitaten, Hochschulen und Instituten fiir die geleistete Arbeit sowie
den Mitarbeitem des Springer-Verlags, die fiir die hervorragende Qualitat und Ausstattung sorgten.
Dank gilt auch derTUV Rheinland Group, die als Sponsor dazu beigetragen hat, daB dieses Handbuch
auch ftir Studenten zum attraktiven Preis erscheinen kann.
Berlin, im April 2004 Wissenschaftlicher AusschuB
des Akademischen Vereins Hiitte e.V Berlin
Dr. K. Feutlinske
Die „HUTTE" ist ein Standardwerk, das historisch seit 1846 mit dem technischen Fortschritt konti-
nuierlich gewachsen und bis heute fiir die Arbeit der Ingenieure unverzichtbar ist.
Wie auch der Akademische Verein Hiitte kann die TUV Rheinland Group auf eine lange Geschichte
zuriickblicken: Gegriindet 1872 expandierte das Untemehmen in Deutschland und im verstarkten
MaBe im Ausland und entwickelte sich so zu einem der modemsten intemationalen Dienstleistungs-
konzeme fiir zertifizierte Sicherheit und Qualitat.
Ausgegangen sind wir dabei von der Uberzeugung, daB gesellschaftliche und industrielle Entwick-
lung ohne technischen Fortschritt nicht moglich sind. Technische Innovationen, Produkte und Anlagen
bediirfen des sicheren und verantwortungsvollen Einsatzes, den wir neutral zum Nutzen von Kunden
und Gesellschaft priifen und zertifizieren.
Unsere Mitarbeiter - darunter viele hochqualifizierte Ingenieure - sind unser wichtigster Erfolgsfak-
tor. Aus diesem Grund unterstiitzen wir mit unserem Engagement diese 32. Auflage des „HUTTE-
Handbuchs", das hoffentlich viele angehende Ingenieure wahrend und nach dem Studium begleiten
und einige von ihnen zu uns fiihren wird.
Koln, im April 2004 Prof. Dr. Bruno O. Braun
Vorsitzender der Vorstande der
TUV Rheinland Group
Vorwort
Die Bedeutung der Technik im 21. Jahrhundert wird vom Bundesministerium fur Bildung und
Forschung dadurch besonders herausgestellt, daB das Jahr 2004 zum „Jahr der Technik" erklart
wurde. In der Technik werden natur- und ingenieurwissenschaftliche Erkenntnisse in praktischen
Nutzen fur jedermann umgesetzt. Technische Innovationen erhalten die Wettbewerbsfahigkeit der
Wirtschaft, begiinstigen die effiziente und nachhahige Nutzung knapper Ressourcen und schaffen
Arbeitsplatze. Das hohe Niveau von Sicherheit und Zuverlassigkeit in alien Bereichen der Tech
nik weiterzuentwickeln ist eine standige Herausforderung und auch eine Voraussetzung dafur, daB
Technik und technische Innovationen gesellschaftlich akzeptiert werden.
Rechtzeitig zum „Jahr der Technik" erscheint die neue Auflage der „Hutte - Das Ingenieurwissen".
Ingenieure machen Wissen produktiv, indem sie Informationen und Wissen mit einer nutzbaren
Anwendung vollenden. Der zunehmende Umfang des Wissens und der steigende Anwendungs-
bedarf in der Technik erfordem Hilfsmittel zur Konzentration auf das Wesentliche und Allge-
meingiiltige. Die HUTTE verfolgt das Ziel, das Ingenieurwissen in theoretisch fundierter und
anwendungsfreundlicher Form zusammenzufassen. Das Buch ist weit mehr als ein Lexikon von
Informationen, das man auch als elektronisches Medium nutzen konnte. Es ist ein Buch des
Wissens und soil damit sowohl ein Kompendium fur Studenten als auch ein Nachschlagewerk fur
alle Ingenieure sein.
Das Standardwerk enthalt die Grundlagen des Ingenieurwissens in einem Band:
• Mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen,
• technologische Grundlagen,
• normative Grundlagen fur Produkte und Dienstleistungen.
Fiir die 32. Auflage wurden insbesondere die sich rasch wandelnden Inhalte neu bearbeitet. So
wurden zu der Technischen Informatik die aktuellen Entwicklungen der Rechnerorganisation neu
aufgenommen und die WerkstofFe durch Referenzmaterialien erganzt. Bei den normativen Grund
lagen wurden die Normung, das Patentwesen und das Qualitatsmanagement unter Berucksichti-
gung Europaischer Richtlinien weitgehend neu gefaBt.
Das Buch ist das Werk einer langjahrigen Zusammenarbeit der beteiligten Autoren und Herausge-
ber. Unser herzlicher Dank gilt alien Kollegen, die durch ihre Beitrage und ihr Engagement das
Ingenieurwissen zusammengestellt haben - was als Des Ingenieurs Taschenbuch im Jahre 1857
begriindet wurde. Den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitem des Springer-Verlages sei fur die sach-
kundige redaktionelle Bearbeitung und dem Verlag fur die vorziigliche Ausstattung des Buches
gedankt.
Berlin, im April 2004 H. Czichos
M. Hennecke
Inhalt
Die Ingenieurwissenschaften -
Ihr Profil in Technik und Gesellschaft, Studium und Beruf
H. Czichos
1 Technik und technische Systeme: Funktion, Struktur, Eigenschaften 1
2 Ingenieuraufgaben 3
2.1 Aufgaben der Ingenieure in der Technik 4
2.2 Aufgaben der Ingenieure im Management 5
3 Rahmenbedingungen der Ingenieurtatigkeit 9
4 Die Ingenieurwissenschaften im Studium 10
5 Die Grunddisziplinen der Ingenieurwissenschaften 12
Literatur 14
Mathematik und Statistik
P. Ruge, M. Wermuth
Mathematik
P. Ruge
1 Mengen, Logik, Graphen Al
1.1 Mengen Al
1.1.1 Grundbegriffe der Mengenlehre. - 1.1.2 Mengenrelationen und
-operationen.
1.2 Verkniipfungsmerkmale spezieller Mengen A2
1.3 Aussagenlogik A3
1.4 Graphen A4
2 Zahlen, Abbildungen, Folgen A5
2.1 Reelle Zahlen A5
2.1.1 Zahlenmengen, Mittelwerte. - 2.1.2 Potenzen, Wurzeln, Logarithmen.
2.2 Stellenwertsysteme A5
2.3 Komplexe Zahlen A6
2.3.1 Grundoperationen; Koordinatendarstellung. - 2.3.2 Potenzen, Wurzeln.
2.4 Intervalle A6
2.5 Abbildungen, Folgen und Reihen A7
2.5.1 Abbildungen, Funktionen. - 2.5.2 Folgen und Reihen. -
2.5.3 Potenzen von Reihen.
XII Inhalt
3 Matrizen und Tensoren A9
3.1 Matrizen A9
3.1.1 Bezeichnungen, spezielle Matrizen. - 3.1.2 Rechenoperationen. -
3.1.3 Matrixnormen.
3.2 Determinanten A12
3.3 Vektoren A13
3.3.1 Vektoreigenschaften. - 3.3.2 Basis. - 3.3.3 Inneres oder Skalarprodukt. -
3.3.4 AuBeres oder Vektorprodukt. - 3.3.5 Spatprodukt, Mehrfachprodukte.
3.4 Tensoren A16
3.4.1 Tensoren n-ter Stufe. - 3.4.2 Tensoroperationen.
4 Elementare Geometric A16
4.1 Koordinaten A16
4.1.1 Koordinaten, Basen. -4.1.2 Kartesische Koordinaten. -
4.1.3 Polarkoordinaten. - 4.1.4 Flachenkoordinaten. -
4.1.5 Volumenkoordinaten. - 4.1.6 Zylinderkoordinaten. -
4.1.7 Kugelkoordinaten.
4.2 Kurven, Flachen 1. und 2. Ordnung A18
4.2.1 Gerade in der Ebene. - 4.2.2 Ebene im Raum. - 4.2.3 Gerade im Raum. -
4.2.4 Kurven 2. Ordnung. - 4.2.5 Flachen 2. Ordnung.
4.3 Planimetrie, Stereometric A23
5 Projektionen A30
6 Algebraische Funktionen einer Veranderlichen A31
6.1 Satze iiber Nullstellen A31
6.2 Quadratische und kubische Gleichungen A33
7 Transzendente Funktionen A33
7.1 Exponentialfunktionen A33
7.2 Trigonometrische Funktionen A33
7.3 Hyperbolische Funktionen A36
8 Hohere Funktionen A37
8.1 Algebraische Funktionen 3. und 4. Ordnung A37
8.2 Zykloidcn, Spiralen A38
8.3 Delta-, Hcaviside- und Gammafunktion A38
9 Differentiation reeller Funktionen einer Variablen A41
9.1 Grenzwert, Stetigkeit A41
9.2 Ableitung einer Funktion A42
9.2.1 Funktionsdarstellung nach Taylor. - 9.2.2 Grenzwerte durch Ableitungen. -
9.2.3 Extrema, Wendepunkte.
A46
10 Integration reeller Funktionen einer Variablen A47
10.1 Unbestimmtes Integral A47
10.2 Bestimmtes Integral • • . • A48
10.2.1 Integrationsregeln. - 10.2.2 Uneigentliche Integrate
11 Differentiation reeller Funktionen mehrerer Variablen A51
11.1 Grenzwert, Stetigkeit A51
11.2 Ableitungen A52
11.2.1 Funktionsdarstellung nach Taylor. - 11.2.2 Extrema.