Physik fur Mediziner: Eine Einfuhrung

421 Pages·2002·30.82 MB·German

by  Prof. Dr. Ulrich Harten (auth.)

SPRINGER-LEHRBUCH
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ULRICH HARTEN
Physik
fur Mediziner
Eine Einfiihrung
Zehnte,volligiiberarbeiteteundteilweise
neu verfasste Auflage
Mit450teilweisezweifarbigenAbbildungen
und4Farbabbildungen
, Springer
PROF.DR.ULRICH HARTEN
FachhochschuleMannheim
Windeckstr.no
68163Mannheim
Basierendaufder 9.AuflagemeinesVaters,
Prof.Dr.Hans-Ulrich HartenunterMitarbeit
von Prof.Dr.H.Nagerl,Dr.J.Schmidt
undDr.H.-D.Schulte
I.Auflage1974 I.Nachdruck1985 8.Auflage1997
2.Auflage1975 5.Auflage1987 9.Auflage1999
3.Auflage1977 6.Auflage1993
4.Auflage1980 7.Auflage1995
1talienischeLizenzausgabeerschienen1980bei PicdnEditore,Padova
SpanischeLizenzausgabeerschienen1977beiCientifico-Medica,Barcelona
ISBN 978-3-540-41761-3 ISBN 978-3-662-09318-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09318-4
DieDeutscheBibliothek- CIP-Einheitsaufnahmc
Harten,Ulrich:
PhysikfiirMediziner:eineEinfiihrungIUlrichHarten.- 10.,vollig
iiberarb.undneuverf.Aufl..- Berlin;Heidelberg;NewYork;Barcelona;
Hongkong;London;Mailand;Paris;Tokio:Springer,2002
(Springer-Lehrbuch)
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sonderediederObersetzung,desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAb
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tigungaufanderenWegen undderSpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,blei
ben,auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfaltigungdiescs
WerkesodervonTeilendiesesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzenderge
setzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublikDeutschland
vorn9.September1965inderjeweilsgeltendenFassungzulassig,Sicistgrundsatz
lichvergiitungspflichtig.ZuwiderhandlungenuntcrliegendenStrafbestimmungendes
Urheberrechtsgesetzes.
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1974,1975,1977,1980,1987,1993,1997,1999,2002
UrsprunglicherschienenbeiSpringer-VerlagBerlinlIeidelberg2002.
DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.in
diesemWerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahrne,
dafsolcheNamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungals
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Zeichnungen:GiintherHippmann,Niirnberg
Umschlaggestaltung:de'blik,Berlin
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Satz:KonradTriltsch,Ochsenfurt
GedrucktaufsaurefreiemPapier SPIN:10732895 15/3130/mu 543 2 1 0
Vorwort
DiePhysikhandeltvonden Naturgesetzen,unddiegaltenschon,
alsdieErdenochwiistundleerwar.VerstoflegegendieNaturge
setzewerdennichtbestraft,siesindgarnichterstmoglich.Dasgilt
auch fur organischesLebenund arztliche Kunst.Herz und Lun
ge,Magen und Darm,Auge,Ohr und das ganze Nervensystem,
obgesund,obkrank,agierenimRahmen der Naturgesetze.Arz
teebenso.
DieNatur folgt quantitativen Gesetzen;siebrauchtden Men
schen nicht zu fragen, ob ihm das gefallt.Sola dosisfacit vene
num, hat Paracelsus gesagt - allein die Dosis macht das Gift.
Iede Dosierung erfordert den Umgang mit MaBund Zahl. Die
PhysikbetreibtdiesenUmgangextensiv.DarumlaBtsicheinPhy
sikbuch auch nicht so leicht lesen wie ein Kriminalroman.
Einer"Physikfur Mediziner"gehtesnichtnururnphysikalische
Tatbestande,esgehtihrauchurndasDenkeninquantitativenZu
samrnenhangen.Dazubrauchtder Menschden mathematischen
Formalismus;seinKopfistnun einmalsogebaut.WerdiePhysik
nutzenwill,darfihrenFormelnnicht ausweichen.
Wer Medizin studiert,befafst sich mit der Physik nicht urn
ihrerselbstwillenundmochtedarumphysikalischeZusammen
hange, wenn esdenn schon sein mufl,wenigstens an medizini
schen Beispielen erlautertbekommen.Dem sind aber Grenzen
gesetzt.DieNaturkenntihre Gesetze,derenBegrenzungen,aber
auch deren Mcglichkeiten,besser alsjeder Physiker und jeder
Arzt.DieRaffinesse,mit der siesiezur Konstruktionfunktions
fahiger Lebewesen unterschiedlichsterArt ausnutzt,fasziniert,
abernur den,der sich in der Physik schon soleidlich auskennt.
Werdie dazu notwendigen Kenntnisse erst noch erwerbenwill,
dem sagentechnischeBeispieleoftmals mehr,wei!sieprimitiver
unddarumleichterzudurchschauensind.
Primar ist dieses Buchals Lehrbuch geschrieben.Esmochte,
auchwennihmdasnichtwiderfahrt,amliebstenfortlaufendvon
vorn bis hinten gelesen werden:Nachfolgende Kapitel rechnen
damit,dafderInhaltdervoraufgegangenen bekanntist.DasBuch
laBtsichaber auch zum Nachschlagenbenutzen;zumleichteren
Auffinden machendiemeistenStichworterdesSachverzeichnis
sesimlaufendenTextdurch Fettdruckaufsichaufmerksam.
Vorwort V
Wieder,undnunbereitszum funftenMale,lagdieBetreuungdes
BuchesbeimVerlagin den bewahrtenHandender DamenRose
Marie Doyon undAnne C.Repnow.Ihnen gilt mein besonderer
Dank.
Nachdem TodemeinesVatershabeichdieNeubearbeitungder
10.Auflagetibernommen.lch nehme dies zum Anlass, den Mit
arbeiternmeinesVaters,HerrnProf.Dr.Nagerl,HerrnDr.Schmidt
undHerrnDr.Schulte,fur ihre Arbeitzudanken.
Heidelberg,April 2001 UlrichHarten
I
VI Vorwort
Einige Hinweise
zum Gebrauch dieses Buches
LemenistArbeit. Darumpaflt einSchreibtischbesserzum Lehr
buch alsein Ohrensessel.Fiirdie Physik gilt das in besonderem
Mafle:Siescheutdie Formel-Kurzschriftder Mathematikjakei
neswegs.FormelnimKopfumzuformenund auszurechnen,grenzt
an Leichtsinn. Darum halt der Kundige stets Bleistift, Papier,
TaschenrechnerundRadiergummigriffbereit.
KleingedrucktesdarfdereiligeLesertiberschlagen,ohnegleichbefiirch
ten zu mussen, daB er den Faden verliert. Er verzichtet lediglich auf
etwasButterzumBrot.
Wassomarkiertistgehiirt zumGrundwissen.
Physiker miissenesprasenthaben;Medizinersolltenzumindest
wissen,wosiesichbei Bedarfinformierenkonnen,
Woesjeweilslanggehensoli,kiindigendie.Ilberskhten"
zuBeginndereinzelnenAbschnittean.
DieseAbschnitteamEndederKapitelfassendenInhalt
nocheinmalzusammenundsolleninsbesonderebeider
Priifungsvorbereitunghelfen.
Lemen erschopft sich nicht im Aufnehmen vorgedruckter Ge
dankengange:Eserforderteigenes Tun.Dies anzuregen,ist der
Sinnder"Obungsfragen".Siesindkein Beiwerkundsolltenauch
dann nicht ausgelassen werden,wenn die Losung einmal nicht
aufAnhieb gelingt.Die"Antworten"amEndedesBucheskonnen
nur Oberlegungen bestatigen, nicht zu ihnen hinfiihren. Zur
Selbstkontrolleundnatiirlichzur Priifungsvorbereitungkonnen
danebendieoriginalPriifungsfragenfurHumanmedizinerdienen,
EinigeHinweisezumGebrauchdiesesBuches VII
die,nachBuchkapitelngeordnet,aufeinerlnternetseitezudiesem
Buch zu finden sind.Gehen sie in dergroBen weitenWeltzum
Springer-Verlag (www.springer.de), geben Sie"Harten" in die
Katalogsuchfunktion ein,klickenSieaufden erscheinendenEin
trag;siesinddann aufder Werbeseite zum Buch,auf der Sieein
Ikon"Priifungsfragen"finden.
VielesinderPhysikl1iBtsichnichtbeantwortenohnedieKennt
niseinzelnerNatur- undMaterialkonstanten.Nurwenigeverdie
nen es,auswendiggelerntzuwerden;den Restschlagt man nacho
Wasder Inhaltdieses Buchesverlangt,findet sichimAnhang.
VIII I Einige Hinweise zum Gebrauch dieses Buches
Inhaltsverzeichnis
Grundbegriffe
1.1 PhysikalischeGroBen
undihre Einheiten 2
1.1.1 PhysikalischeGraBen 2
1.1.2 Zeit 4
1.1·3 Lange,Plache,Volumen 5
1.1·4 SI-Einheiten 9
1.2 Mengenangaben 10
1.2.1 MasseundStoffmenge 10
1.2.2 DichtenundGehalte 11
MathematischeHilfsmittel 12
1·3
1.3.1 MefsfehlerundMeBunsicherheiten 13
1.3·2 Vektoren undSkalare 17
Winkelfunktionen 19
1.3·3
ExponentialfunktionundLogarithmus 21
1·3-4
Potenzfunktionen 24
1·3·5
1.3.6 AlgebraischeGleichungen 24
EinigeFormelnaus der Mathematik 27
2 MechanikstarrerKiirper 29
2.1 Kinematik 30
2.1.1 GeschwindigkeitundFahrstrecke
(Integration) 30
2.1.2 FahrstreckeundGeschwindigkeit
(Differentiation) 33
Oberlagerungvon Geschwindigkeiten 34
2.1·3
2·1.4 Beschleunigung 35
2·1.5 Kinematikder Drehbewegungen 38
2.1.6 Kinematikvon Gelenken 39
Inhaltsverzeichnis IX