Physik für Ingenieure

775 Pages·1997·50.096 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Ekbert Hering, Prof. Dr. rer. nat. Rolf Martin, Prof. Dr. rer. nat. Martin Stohrer (auth.)

Ekbert HeringfRolfMartin/Martin Stohrer ·Physik für Ingenieure
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Ekbert Hering · Rolf Martin · Martin Stohrer
Physik
für Ingenieure
6. Auflage
mit 775 Abbildungen und 102 Tabellen
Springer
Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Ekbert Hering
Fachhochschule Aalen
Prof. Dr. rer. nat. Rolf Martin
Fachhochschule Esslingen
Prof. Dr. rer. nat. Martin Stohrer
Fachhochschule für Technik Stuttgart
ISBN 978-3-662-22292-8
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Hering, Ekbert:
Physik für Ingenieure: mit 102 Tabellen I Ekbert Hering; Rolf
Martin ; Martin Stohrer. - 6. Aufl.
ISBN 978-3-662-22292-8 ISBN 978-3-662-22291-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-22291-1
NE: Martin, Rolf:; Stohrer, Martin:
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint of the hardcover 6th edition 1997
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Zum Geleit
Physikalische Grundlagen sind für den Ingenieur unerläßlich, weil sie sowohl prinzipielle Grenzen
aufzeigen als auch eine klare Orientierung im schneller werdenden technischen Wandel bieten.
Quantentheorie und Festkörperphysik sind derzeit die Schrittmacher des technischen Fortschritts;
deshalb wird ihnen in diesem Buch der gebührende Platz eingeräumt. Mein Wunsch ist, daß die
Erkenntnisse aus der physikalischen Grundlagenforschung einen erkennbaren praktischen Nutzen
zeigen. So wie der Quanten-Hall-Effekt nicht nur die physikalischen Grundlagen gefordert hat,
sondern auch in der Präzisionsmeßtechnik als Widerstandsnormal von Bedeutung ist, sollte die Ver
bindung zwischen physikalischen Grundlagen und ingenieurmäßiger Umsetzung enger und
effektiver werden.
Möge dieses Buch einen Beitrag dazu leisten. Prof Dr. Klaus von Klitzing
Nobelpreisträger der Physik 1985
Vorwort zur sechsten, überarbeiteten Auflage
In der sechsten Auflage wurden das bewährte Konzept und der Inhalt dieses Lehrwerkes beibe
halten. Die Autoren freuen sich sehr, das Werk in einem kompetenten Technikverlag weiter
entwickeln zu können. Dank sagen möchten wir hier vor allem Herrn Dr. v. Riedeschund Herrn
Dr. v. Grünberg vom Springer-Verlag. Wir legten großen Wert darauf, Anregungen, Neuerungen
und Verbesserungen in fast allen Abschnitten einzuarbeiten. Besonders gefreut haben wir uns über
die allgemeine Zustimmung zu diesem Buch und die vielen positiven Zuschriften und Verbesse
rungsvorschläge von Studenten und Kollegen aus den neuen Bundesländern. Stellvertretend für
alle Leser, die dieses Werk verbessern halfen, möchten wir nennen: Herrn Magister K. Motz für
das Durchrechnen der Übungsaufgaben, Herrn Dr. H. D. Rüter von der Universität Harnburg für
die kritische Durchsicht der Quantenmechanik sowie Herrn Dr. Gerhard Wittek von der Fach
hochschule Kiel, Herrn Prof. Dr. K.-H. Speidei von der TU München und Herrn Prof. Dr. J. de
Boer von der Universität München für ihre intensive Mitarbeit und unseren Kollegen Herrn Prof.
Dr. J. Massig und Herrn Prof. Dr. D. Weber von der Fachhochschule Aalen für die ständige,
kritische Begleitung.
Sehr gerne nehmen wir konstruktive Hinweise aus dem sachkundigen Leserkreis auf.
Aalen, Esslingen und Stuttgart Ekbert Hering
März 1997 Ro/f Martin
Martin Stohrer
VI Vorwort
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Lehrbuch gibt eine Einführung in die physikalischen Grundlagen der Inge
nieurwissenschaften. Es ist das Anliegen des Buches, eine Brücke zu schlagen zwischen grundle
genden physikalischen Effekten und den Anwendungsfeldern der lngenieurpraxis. Es ist deshalb
selbstverständlich, daß ausschließlich SI-Maßeinheiten verwendet werden und in den entspre
chenden Abschnitten auf DIN- bzw. ISO-Normen hingewiesen wird. Bei der Stoffauswahl sind
besonders die modernen Teilgebiete berücksichtigt, wie beispielsweise Festkörperphysik (ein
schließlich Halbleiterphysik und Optoelektronik), technische Akustik, Lasertechnik, Hologra
phie, Klimatechnik und Wärmeübertragung sowie in der Atom- und Kernphysik der quantisier
te Hall-Effekt. Ein Sonderabschnitt Strahlenschutz informiert über die Strahlenbelastung aus
Kernkraftwerken, über die physikalische und biologische Wirksamkeit radioaktiver Stoffe, die
Strahlenmeßtechnik sowie über die neuen gesetzlichen Vorschriften zum Strahlenschutz.
Zum mathematischen Verständnis sind die Verfahren der Differential-, Integral- und Vektor
rechnung notwendig; allerdings sind die entsprechenden Herleitungen so ausführlich, daß auch
der Leser mit geringen Vorkenntnissen 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 berufliche Entwicklung.
Im ersten Abschnitt sind die Methode physikalischen Erkennens und der Aufbau der Physik er
läutert. Die Physik soll in ihren Zusammenhängen begriffen und nicht als bloße Aneinanderrei
hung spezieller physikalischer Gesetze mißdeutet werden. Der Stoff ist in die Abschnitte Mech
anik, Thermodynamik, Elektrizität und Magnetismus, Schwingungen und Wellen, Optik, Aku
stik, Atom- und Kernphysik, Festkörperphysik sowie Relativitätstheorie eingeteilt. Jedem Ab
schnitt ist ein Strukturbild vorangestellt, das die jeweiligen Teilbereiche und ihre gesetzmäßigen
Zusammenhänge aufzeigt. Damit soll das Denken in Zusammenhängen gefördert und den De
tails ihren Platz im Gesamtgefüge zugewiesen werden. Übergreifende Darstellungen (z. B. beim
Feldbegriff in der Mechanik, Thermodynamik und Elektrizitätslehre) sollen dem Leser darüber
hinaus das universelle Denkkonzept der Physik vor Augen führen. Komplizierte Zusammenhän
ge sind in zweifarbigen Skizzen oder durch Rechnerausdrucke veranschaulicht; zahlreiche Bil
der aus der Technik vermitteln einen aktuellen Praxisbezug.
Um zu zeigen, wie sich die physikalische Erkenntnis durch die Genialität einzelner Physiker
sprunghaft entwickelt hat, sind in den entsprechenden Abschnitten die Meilensteine der Physik
und ihre Wegbereiter genannt und im Anhang die Physik-Nobelpreisträger aufgeführt.
Zur Vertiefung des Verständnisses enthalten viele Unterabschnitte aus der Ingenieurpraxis stam
mende Berechnungsbeispiele. Aufgaben (mit Lösungen im Anhang) ermöglichen es dem Leser,
selbst den Stoff zu üben und sein physikalisches Wissen zu vertiefen. Um alternative Fragestel
lungen zu untersuchen und physikalische Sachverhalte graphisch zu veranschaulichen, wurden
programmierbare Rechner verwendet. Den Firmen Casio und Sharp, insbesondere den Herren
Newerkla und Wachter, möchten wir für die Bereitstellung programmierbarer Taschenrechner
danken.
Wir danken unseren akademischen Lehrern und Vorbildern, die uns zur physikalischen Erkennt
nis geführt haben, vor allem den Professoren U. Dehlinger, H. Haken, M. Pilkuhn, A. Seeger und
C. F. von Weizsäcker. Für konstruktive Kritik bedanken wir uns bei unseren Kollegen H. Bauer,
M. Käß, P. Kleinheins, G. Kneer, J. Linser und R. Schempp. Frau G. Folz und den Herren K.
Schmid und A. Plath danken wir für ihre tatkräftige Mithilfe. Der Unterstützung vieler Firmen
ist es zu verdanken, daß aktuelles Anschauungsmaterial bereitgestellt werden konnte. Hierbei
sind besonders folgende Firmenmitarbeiter zu erwähnen: B. Imb (BBC), P. Gradischnig (BMW),
D. Stöcke! und P. Tautzenberger (Rau), M. Mayer (Osram), F. Schreiber (Siemens), H. Garreis
Vorwort VII
(Varta) und H. Schweikart (Voith). Ganz besonderer Dank gebührt dem VDI-Verlag, speziell
Herrn Dipl.-lng. H. Kurt, der das Lektorieren übernahm und für die reibungslose Abwicklung in
erfreulicher Atmosphäre sorgte. Dabei wurde er in den Abschnitten 2, 3 und 6 von Professor F.
Hell in besonders sachkundiger Weise unterstützt. Zuletzt möchten wir unseren Familien für ih
re Geduld, ihre moralische Unterstützung und ihr großes Verständnis danken.
Wir hoffen, daß dieses Buch den Ingenieurstudenten eine gute Hilfe beim Erarbeiten physikali
scher Zusammenhänge und den Ingenieuren in der Praxis ein brauchbares Nachschlagewerk ist.
Gern nehmen wir Kritik und Verbesserungsvorschläge entgegen.
Aalen, Esslingen und Stuttgart, Ekbert Hering
Januar 1988 Rolf Martin
Martin Stohrer
Inhalt
Verwendete physikalische Symbole XIX
1. Einführung
1.1. Physikalischer Erkenntnisprozeß
1.2. Bereiche der physikalischen Erkenntnis 2
1.3. Physikalische Größen . . . . . . 5
1.3.1. Definition und Maßeinheit 5
1.3.2. Meßgenauigkeit . . 9
1.3.3. Fehlerfortpflanzung 13
1.3.4. Kurvenanpassung 13
1.3.5. Ausgleichsgeradenkonstruktion 15
1.3.6. Korrelationsanalyse 16
2. Mechanik . 19
2.1. Einführung 19
2.2. Kinematik des Punktes 19
2.2.1. Eindimensionale Kinematik 19
2.2.1.1. Geschwindigkeit . . . . . 19
2.2.1.2. Beschleunigung . . . . . 22
2.2.1.3. Einfache Spezialnille . . . 24
2.2.2. Dreidimensionale Kinematik 25
2.2.2.1. Ortsvektor und Bahnkurve 25
2.2.2.2. Geschwindigkeitsvektor 25
2.2.2.3. Beschleunigungsvektor 26
2.2.3. Kreisbewegungen 28
2.3. Grundgesetze der klassischen Mechanik 31
2.3.1. Konzept der klassischen Dynamik 31
2.3.2. Die Newtonsehen Axiome 31
2.3.3. Masse 32
2.3.4. Kraft . . . . . . . . . 33
2.4. Dynamik in bewegten Bezugssystemen 37
2.4.1. Relativ zueinander geradlinig bewegte Bezugssysteme 37
2.4.2. Gleichförmig rotierende Bezugssysteme 39
2.5. Impuls 42
2.5.1. Impuls eines materiellen Punktes . . . 42
2.5.2. Impuls eines Systems materieller Punkte 43
2.5.2.1. Impulssatz . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2.2. Massenmittelpunkt und Schwerpunktsatz 44
2.5.2.3. Impulserhaltungssatz 45
2.5.3. Raketengleichung . . . . . . . . . . 45
X Inhalt
2.6. Arbeit und Energie . . . . . . 47
2.6.1. Arbeit . . . . . . 47
2.6.2. Leistung, Wirkungsgrad 50
2.6.3. Energie . . . . . . 51
2.6.4. Energieerhaltungssatz 51
2.7. Stoßprozesse . . . . . . . . . . 52
2.7.1. Übersicht und Grundbegriffe 52
2.7.2. Gerader, zentraler, elastischer Stoß 53
2.7.3. Gerader, zentraler, inelastischer Stoß 55
2.7.4. Schiefe, zentrale Stöße 56
2.7.4.1. Elastische Stöße 56
2. 7. 4.2. Inelastische Stöße 57
2.8. Drehbewegungen 58
2.8.1. Drehmoment 58
2.8.2. Newtonsches Aktionsgesetz der Drehbewegung 59
2.8.2.1. Drehimpuls eines materiellen Punktes . . . . 59
2.8.2.2. Dynamisches Grundgesetz der Rotation . . . 59
2.8.3. Arbeit, Leistung und Energie bei der Drehbewegung 60
2.8.4. Drehbewegungen von Systemen materieller Punkte 61
2.8.4.1. Drehimpulssatz 61
2.8.4.2. Drehimpulserhaltungssatz . . . . 61
2.8.4.3. Energieerhaltungssatz . . . . . 63
2.8.5. Analogie Translation und Rotation 63
2.9. Mechanik starrer Körper . . . . . . 63
2.9.1. Freiheitsgrade und Kinematik 64
2.9.2. Kräfte am starren Körper 65
2.9.3. Schwerpunkte und potentielle Energie eines starren Körpers 67
2.9.4. Kinetische Energie eines starren Körpers 68
2.9.5. Massenträgheitsmomente starrer Körper 70
2.9.6. Kreisel 74
2.10. Gravitation 79
2.10.1. Beobachtungen 79
2.10.2. Newtonsches Gravitationsgesetz 81
2.10.3. Hubarbeit und potentielle Energie 83
2.11. Mechanik deformierbarer Körper 84
2.11.1. Deformierbarer fester Körper 84
2.11.1.1. Elastische Verformung 85
2.11.1.2. Plastische Verformung 92
2.11.1.3. Härte fester Körper 94
2.11.2. Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) und Gase (Aerostatik) 96
2.11.2.1. Druck . . . . . . . . . . 96
2.11.2.2. Kompressibilität . . . . . . 98
2.11.2.3. Raumausdehnungskoeffizient 99
2.11.2.4. Schweredruck . . . 100
2.11.2.5. Auftrieb . . . . . . . . . 102
2.11.2.6. Grenzflächeneffekte I 04
2.11.3. Fluide-Strömende Flüssigkeiten (Hydrodynamik) und Gase (Aerodynamik). I 07
2.11.3.1. Strömungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107