Physik fur Ingenieure

769 Pages·2004·56.928 MB·German

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

Springer-Lehrbuch
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Ekbert Hering • Rolf Martin • Martin Stohrer
Physik
fiir Ingenieure
9. Auflage
Mit 775 Abbildungen, 102 Tabellen und 2 Falttafeln
Springer
Prof. Dr. rer. nat. Dr. rer. pol. Ekbert Hering
Fachhochschule Aalen
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Rolf Martin
Fachhochschule Esslingen
Prof. Dr. rer. nat. Martin Stohrer
Fachhochschule fiir Technik Stuttgart
unter Mitarbeit von
Prof. Dr. G. Kurz, Fachhochschule Esslingen
Dipl. Ing. (FH) W. Schulz, vedewa Stuttgart
ISBN 3-540-21036-9 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
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Satz: Fotosatz-Service Kohler GmbH, Wurzburg
Gedruckt auf saurefreiem Papier 7/3020KK - 5 4 3 2 1 0
Zum Geleit
Physikalische Grundlagen sindfur den Ingenieur unerldfilich, weil sie sowohlprinzipielle Grenzen
aufzeigen als auch eine klare Orientierung im schneller werdenden technischen Wandel bieten.
Quantentheorie und Festkorperphysik sind derzeit die Schrittmacher des technischen Fortschritts;
deshalb wird ihnen in diesem Buch der gebiihrende Platz eingerdumt. Mein Wunsch ist, dafi die
Erkenntnisse aus derphysikalischen Grundlagenforschung einen erkennbaren praktischen Nutzen
zeigen. So wie der Quanten-Hall-Effekt nicht nur die physikalischen Grundlagen gefordert hat,
sondern auch in der Prdzisionsmefitechnik als Widerstandsnormal von Bedeutung ist, sollte die
Verbindung zwischen physikalischen Grundlagen und ingenieurmdfiiger Umsetzung enger und
effektiver werden.
Moge dieses Buch einen Beitrag dazu leisten. P^of. DK Klaus von Klitzing
Nobelpreistrdger der Physik 1985
Vorwort zur neunten iiberarbeiteten Auflage
In der neunten Auflage wurden das bewahrte strukturierte Konzept und der praxisorientierte
Inhalt dieses Lehrwerkes beibehalten. Alle Bilder und Tabellen wurden aktualisiert, die neuesten
CODATA-Werte fur die Naturkonstanten angegeben und in manchen Teilen auf klarere Formu-
lierungen geachtet. In der Optik und Akustik wurden die neuen Normen und Festlegungen
eingearbeitet. Femer wurden die Kapitel 7 (Akustik) und Kapitel 8 (Atom- und Kemphysik)
urn Ubungsaufgaben erganzt. Dank sagen mochten wir hier vor allem Herm Dr. Hubertus von
Riedesel und Frau Eva Hestermann-Beyerie vom Springer-Verlag fur die kompetente Betreuung
des Werkes. Wir legen groBen Wert darauf, Anregungen, Neuerungen und Verbesserungen in fast
alien Abschnitten einzuarbeiten. Besonders gefreut haben wir uns iiber die sehr positive Reso-
nanz zu diesem Buch und die vielen ermuntemden Zuschriften und Verbesserungsvorschlage
von Studenten, Kollegen und Mitarbeitern aus den Untemehmen. Stellvertretend fur alle, die die
ses Werk verbessern halfen, mochten wir nennen: Herm Magister K. Motz fur das Durchrechnen
der Ubungsaufgaben, Hem H. D. Ruter von der Universitat Hamburg fur die kritische Durchsicht
der Quantenmechanik, sowie Herm Prof. Dr. J. de Boer, Herm Prof. Dr. K. E. G. Lobner und
Herrn Prof. Dr. K.-H. Speidel von der Technischen Universitat Miinchen fur ihre intensive Mit-
arbeit. Dank sagen wir den Herren Prof Dr. P. Paufler (Technische Universitat Dresden), Prof
Dr. O. Krisch (Fachhochschule GieBen-Friedberg) und Herm Dr. G. Wittek (Fachhochschule
Kiel) fur ihre Anregungen und unseren Kollegen Prof Dr. J. Massig und Herm Prof Dr. D. Weber
von der Fachhochschule Aalen fur die standige, kritische Begleitung.
Sehr geme nehmen wir konstmktive Hinweise aus dem sachkundigen Leserkreis auf
Aalen, Esslingen und Stuttgart Ekbert Bering
Fnihjahr 2004 Rolf Martin
Martin Stohrer
VI Vorwort
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Lehrbuch gibt eine Einfiihrung in die physikalischen Grundlagen der Inge-
nieurwissenschaften. Es ist das Anliegen des Buches, eine Briicke zu schlagen zwischen grundle-
genden physikalischen Effekten und den Anwendungsfeldem der Ingenieurpraxis. Es ist deshalb
selbstverstandHch, daB ausschlieBlich SI-MaBeinheiten verwendet werden und in den entspre-
chenden Abschnitten auf DIN- bzw. ISO-Normen hingewiesen wird. Bei der Stoffauswahl sind
besonders die modernen Teilgebiete berucksichtigt, wie beispielsweise Festkorperphysik (ein-
schliefilich Halbleiterphysik und Optoelektronik), technische Akustik, Lasertechnik, Hologra-
phie, Klimatechnik und Warmeiibertragung sowie in der Atom- und Kernphysik der quantisier-
te Hall-Effekt. Ein Sonderabschnitt Strahlenschutz informiert iiber die Strahlenbelastung aus
Kernkraftwerken, iiber die physikaUsche und biologische Wirksamkeit radioaktiver Stoffe, die
StrahlenmeBtechnik sowie iiber die neuen gesetzhchen Vorschriften zum Strahlenschutz.
Zum mathematischen Verstandnis sind die Verfahren der Differential-, Integral- und Vektor-
rechnung notwendig; allerdings sind die entsprechenden Herleitungen so ausfiihrlich, daB auch
der Leser mit geringen Vorkenntnissen zu folgen vermag. Das Buch ist so konzipiert, daB es sich
nicht nur an Studenten wendet, sondem auch praktizierenden Ingenieuren die physikalischen
Grundlagen zur Einarbeitung in neue Fachgebiete und zur Weiterbildung liefert. Somit ist es
auch eine Basis fiir eine flexible berufliche Entwicklung.
Im ersten Abschnitt sind die Methode physikalischen Erkennens und der Aufbau der Physik er-
lautert. Die Physik soil in ihren Zusammenhangen begriffen und nicht als bloBe Aneinanderrei-
hung spezieller physikalischer Gesetze miBdeutet werden. Der Stoff ist in die Abschnitte Mech-
anik, Thermodynamik, Elektrizitat und Magnetismus, Schwingungen und Wellen, Optik, Aku
stik, Atom- und Kernphysik, Festkorperphysik sowie Relativitatstheorie eingeteilt. Jedem Ab
schnitt ist ein Strukturbild vorangestellt, das die jeweiligen Teilbereiche und ihre gesetzmaBigen
Zusammenhange aufzeigt. Damit soil das Denken in Zusammenhangen gefordert und den De
tails ihren Platz im Gesamtgefiige zugewiesen werden. Ubergreifende Darstellungen (z. B. beim
Feldbegriff in der Mechanik, Thermodynamik und Elektrizitatslehre) sollen dem Leser dariiber
hinaus das universelle Denkkonzept der Physik vor Augen fiihren. Komplizierte Zusammenhan
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 Genialitat einzelner Physiker
sprunghaft entwickelt hat, sind in den entsprechenden Abschnitten die Meilensteine der Physik
und ihre Wegbereiter genannt und im Anhang die Physik-Nobelpreistrager aufgefiihrt.
Zur Vertiefung des Verstandnisses enthalten viele Unterabschnitte aus der Ingenieurpraxis stam-
mende Berechnungsbeispiele. Aufgaben (mit Losungen im Anhang) ermdglichen es dem Leser,
selbst den Stoff zu iiben 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, mochten wir fur die Bereitstellung programmierbarer Taschenrechner
danken.
Wir danken unseren akademischen Lehrem und Vorbildern, die uns zur physikalischen Erkennt
nis gefiihrt haben, vor allem den Professoren U. Dehlinger, H. Haken, M. Pilkuhn, A. Seeger und
C. F. von Weizsdcker, Fiir konstruktive Kritik bedanken wir uns bei unseren Kollegen H. Bauer,
M. KdB, P. Kleinheins, G. Kneer, J. Linser und R. Schempp. Frau G. Folz und den Herren K.
Schmid und A. Plath danken wir fiir ihre tatkraftige Mithilfe. Der Unterstiitzung vieler Firmen
ist es zu verdanken, daB aktuelles Anschauungsmaterial bereitgestellt werden konnte. Hierbei
sind besonders folgende Firmenmitarbeiter zu erwahnen: B. Imb (BBC), P. Gradischnig (BMW),
D. Stockel und P. Tautzenherger (Rau), M. Mayer (Osram), F. Schreiber (Siemens), H. Garrels
Vorwort VII
(Varta) und H. Schweikart (Voith). Ganz besonderer Dank gebiihrt dem VDI-Verlag, speziell
Herrn Dipl.-Ing. H. Kurt, der das Lektorieren ubernahm und fiir die reibungslose Abwicklung in
erfreulicher Atmosphare sorgte. Dabei wurde er in den Abschnitten 2, 3 und 6 von Professor F.
Hell in besonders sachkundiger Weise unterstutzt. Zuletzt mochten wir unseren Familien fiir ih-
re Geduld, ihre moralische Unterstiitzung und ihr groBes Verstandnis danken.
Wir hoffen, daB dieses Buch den Ingenieurstudenten eine gute Hilfe beim Erarbeiten physikali-
scher Zusammenhange und den Ingenieuren in der Praxis ein brauchbares Nachschlagewerk ist
Gern nehmen wir Kritik und Verbesserungsvorschlage entgegen.
Aalen, Esslingen und Stuttgart, Ekbert Hering
Januar 1988 Rolf Martin
Martin Stohrer
Inhalt
Verwendete physikalische Symbole XIX
1. Einfiihrung 1
1.1. Physikalischer ErkenntnisprozeB 1
1.2. Bereiche der physikalischen Erkenntnis 2
1.3. Physikalische GroBen 5
1.3.1. Definition und MaBeinheit 5
1.3.2. MeBgenauigkeit 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. Einfiihrung 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 Spezialfalle 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 Newtonschen 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. Gleichformig 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. StoBprozesse 52
2.7.1. Ubersicht und Grundbegriffe 52
2.7.2. Gerader, zentraler, elastischer StoB 53
2.7.3. Gerader, zentraler, inelastischer StoB 55
2.7.4. Schiefe, zentrale StoBe 56
2.7.4.1. Elastische StoBe 56
2.7.4.2. Inelastische StoBe 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 Korper 63
2.9.1. Freiheitsgrade und Kinematik 64
2.9.2. Krafte am starren Korper 65
2.9.3. Schwerpunkte und potentielle Energie eines starren Korpers 67
2.9.4. Kinetische Energie eines starren Korpers 68
2.9.5. Massentragheitsmomente starrer Korper 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 Korper 84
2.11.1. Deformierbarer fester Korper 84
2.11.1.1. Elastische Verformung 85
2.11.1.2. Plastische Verformung 92
2.11.1.3. Harte fester Korper 94
2.11.2. Ruhende Fliissigkeiten (Hydrostatik) und Gase (Aerostatik) 96
2.11.2.1. Druck 96
2.11.2.2. Kompressibilitat 98
2.11.2.3. Raumausdehnungskoeffizient 99
2.11.2.4. Schweredruck 100
2.11.2.5. Auftrieb 102
2.11.2.6. Grenzflacheneffekte 104
2.11.3. Fluide - Stromende Fliissigkeiten (Hydrodynamik) und Gase (Aerodynamik). 107
2.11.3.1. Stromungsfeld 107
Inhalt XI
2.11.3.2. Grundgleichungen idealer (reibungsfreier) Stromungen 109
2.11.3.3. Stromungen realer Fliissigkeiten und Gase 120
2.11.3.4. Anwendungen 133
3. Thermodynamik 140
3.1. Grundlagen 140
3.1.1. Einfiihrung 140
3.1.2. Thermodynamische Grundbegriffe 140
3.1.3. Temperatur 143
3.1.4. Thermische Ausdehnung 147
3.1.5. Allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase 149
3.2. Kinetische Gastheorie 151
3.2.1. Gasdruck . 151
3.2.2. Thermische Energie und Temperatur 153
3.2.3. Geschwindigkeitsverteilung der Gasmolekiile 154
3.3. Hauptsatze der Thermodynamik 156
3.3.1. Warme 156
3.3.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik 159
3.3.3. Berechnung der Warmekapazitaten 162
3.3.4. Spezielle Zustandsanderungen idealer Gase 165
3.3.4.1. Isotherme Zustandsanderung 165
3.3.4.2. Isochore Zustandsanderung 166
3.3.4.3. Isobare Zustandsanderung 167
3.3.4.4. Isentrope Zustandsanderung 167
3.3.4.5. Polytrope Zustandsanderung 169
3.3.5. Kreisprozesse 171
3.3.5.1. Carnotscher KreisprozeB 172
3.3.5.2. Technische Kreisprozesse 176
3.3.6. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 180
3.3.6.1. Reversible und irreversible Prozesse 180
3.3.6.2. Formulierungen des zweiten Hauptsatzes 181
3.3.6.3. Entropie 182
3.3.6.4. Statistische Deutung der Entropie 185
3.3.7. Thermodynamische Potentiale 187
3.3.8. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik 188
3.4. Zustandsanderungen realer Gase 189
3.4.1. Van-der-Waalssche Zustandsgleichung 190
3.4.2. Gasverfliissigung (Joule-Thomson-Effekt) 192
3.4.3. Phasenumwandlungen 193
3.4.3.1. Thermodynamisches Gleichgewicht 195
3.4.3.2. Gleichgewicht zvv^ischen fliissiger und gasformiger Phase 196
3.4.3.3. Gleichgew^icht zwischen fester und fliissiger Phase 198
3.4.3.4. Koexistenz dreier Phasen 198
3.4.4. Dampfe und Luftfeuchtigkeit 199
3.5. Warmeiibertragung 203
3.5.1. Warmeleitung 204
3.5.2. Konvektion 208