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Gewicht

Gewicht

Ein Gewicht kann ein Gegenstand sein, der durch seine Masse eine bestimmte Aufgabe erfüllt (Gegengewicht, Briefbeschwerer, Wiegegewicht, …), oder: Das Gewicht (oder besser die Gewichtskraft) eines Objekts ergibt sich in der Physik aus seiner Gravitationsanziehung, die durch die Schwerebeschleunigung gemessen wird. Gemessen wird das Gewicht in der Einheit Newton (N), also der Einheit der Kraft. Die Gewichtskraft \vec G eines Objektes berechnet sich als Produkt seiner schweren Masse m mit der am Ort herrschenden, zum Erdmittelpunkt gerichteten Schwerebeschleunigung \vec g:
\vec G=m\cdot \vec g. Da auf der Erde der Betrag der Schwerebeschleunigung g an jedem Ort (fast¹) identisch ist, wird umgangssprachlich die Masse eines Körpers oft fälschlicherweise als sein Gewicht bezeichnet. Um diesen – im Alltag harmlosen – Widerspruch zu beseitigen, wurde 1960 im SI-System die alte Krafteinheit Kilopond durch das Newton ersetzt (1 kp = 9,80665 N). Obwohl viele Waagen (z. B. Federwaagen) genaugenommen gar nicht die Masse eines Körpers, sondern seine Gewichtskraft messen, sind sie aber dennoch nach (Kilo)gramm skaliert. Dies ist aber gerechtfertigt, weil die Schwerebeschleunigung an allen Orten auf der Erde (fast) konstant und bekannt ist. Somit „rechnet“ eine Federwaage das gemessene Gewicht intern in die angezeigte Masse um. Die Schwerebeschleunigung beispielsweise auf dem Mond ist geringer (1/6 der Erdbeschleunigung: 1/6
- 9,81 m/s² = 1,65 m/s²) als auf der Erde. Dies bedeutet, dass ein Körper, der zuvor auf der Erde gewogen wurde, auf dem Mond zwar nach wie vor dieselbe Masse hat, seine Gewichtskraft jedoch dort geringer ist. Während die Masse eines Körpers (gemessen in Gramm oder Kilogramm) also unabhängig vom Aufenthaltsort immer konstant ist, variiert sein Gewicht (seine Gewichtskraft, gemessen in Newton) je nach seiner Position. So hat zum Beispiel ein 100 kg schwerer Körper auch auf dem Mond die Masse 100 kg, und auch im Bereich der Schwerelosigkeit im Weltraum abseits von Himmelskörpern besitzt dieser Körper die Masse 100 kg. Dagegen beträgt das Gewicht dieses Körpers auf der Erde zwischen ca. 978 und 983 N, je nach Aufenthaltsort, auf dem Mond lediglich ungefähr ein 1/6 der Gewichtskraft auf der Erde und in der Schwerelosigkeit ist das Gewicht in Newton gleich Null. ¹) Die Schwerkraft ändert sich tatsächlich im Erdschwerefeld um bis zu 0,5 % (am Äquator im Mittel 9,7803 m/s², an den Polen 9,8322 m/s², dazu noch der Vertikalgradient von -0,00305 m/s² pro km).

Siehe auch


- Geschichte von Maßen und Gewichten
- Druck
- Federwaage
- Kilogramm
- Waage

Weblinks


- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m10_masse-gew-g.htm Versuche und Aufgaben zum Gewicht (bzw. zur Masse)] Kategorie:Physik ja:重さ ms:Berat

Gegengewicht

Ein Gegengewicht ist
- Ein Gewicht an einer Hebelkonstruktion wie an einem Kran um diese im Gleichgewicht zu halten
- Ein oberirdisches Erdnetz einer Antennenanlage

Waage

Eine Waage (lateinisch libra = Waage, Pfund) misst, welche Kraft oder Kräfte auf einen Körper wirken. Im gebräuchlichsten Sinne bestimmt sie entweder die Gewichtskraft ("Gewicht") oder Masse eines Körpers, d.h. wie schwer ein Gegenstand ist. Das Gewicht, nicht zu verwechseln mit der Masse (Physik), ist eine solche messbare Kraft und hängt von der Anziehungskraft an einem bestimmten Ort auf den Körper ab. Die Masseinheit ist das Newton oder (veraltet) das Pond. Die Masse wird durch den Vergleich der Masse bekannter Körper bestimmt. Die Einheit ist das Kilogramm. Gewicht und Masse stellen physikalisch zwei völlig verschiedene Größen dar. Da die Schwerkraft auf der Erdoberfläche sich von Ort zu Ort nur wenig verändert, lassen sich auf Messskalen von Waagen entsprechend folgender Berechnung auch Masse-Angaben in Kilogramm darstellen: ~[] = \frac Für diese Umrechnung muss man die Schwerebeschleunigung kennen. Da diese z. B. auf dem Mond anders ist als auf der Erde, müsste man dort Waagen mit einer veränderten Skala verwenden.

Geschichte

Ein Waagebalken aus dem 5. Jahrtausend v. Chr. wurde in einem prähistorischen Grab in Ägypten entdeckt. Früheste ägyptische Abbildungen einfacher Balkenwaagen stammen um 2000 v. Chr.. Die Aufhängung des Waagebalkens bestand aus einem Seil, an seinen äusseren Enden hingen die Waagschalen. Um 500 v. Chr. verbesserten Etrusker die Genauigkeit der Balkenwaage. Die Römer kannten auch ungleicharmige Waagen, der längere Arm trug ein verschiebbares Wägestück sowie eine Strichmarkierung. In der Renaissance kamen in alchimistischen Labors hochempfindliche Analysewaagen zum Einsatz. 1779 erfand der Franzose G.P. de Roberval die Tafelwaage, sie hatte den Vorteil dass die Position der zu wiegenden Last auf den Waagschalen das Ergebnis nicht beeinflusste. 1763 baute der schwäbische Pfarrer Philipp Matthäus Hahn eine Neigungswaage mit direkter Gewichtsanzeige. Dezimal- und Küchenwaage entstanden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Um 1850 wurden Versuche unternommen, das Wägeergebnis automatisch zu drucken. 1895 kamen in den USA Waagen mit gleichzeitiger Preisanzeige auf. 1939 leiteten zwei amerikanische Ingernieure mit der Nutzung elektrischer Widerstandsänderungen das Zeitalter der elektronischen Waagen ein.

Mechanische Waagen

Wiegen: Gewichtskraft

Federwaagen messen mittels Längung (Ausdehnung) einer Feder oder mittels einer anderen abzulesenden Kraft. Solche verwandten Messprinzipe basieren ebenfalls auf Verformungsmessung, beispielsweise mit Membranen, Kraftsensoren, Kraftmessdosen, Piezoeffekt oder Ringtorsion. Es gibt Federwaagen und Kraftmessung für verschiedene Messbereiche. Beispiele:
- Haushaltswaage, ein Handgerät bis etwa 10 kg; die einfache Federwaage wird (volkstümlich) auch "Lumpenwaage" genannt.
- Küchenwaage und Babywaage, bis 5 oder 10 kg
- Personenwaage für das Körpergewicht (meist bis 150 kg, Genauigkeit 0,5-3 kg).
- Standgeräte für industrielle Zwecke oder im Handel.
- Membranwaagen und Barometer
- Mikrowaagen und Präzisions-Federwaagen für Labors, Physikunterricht etc., Genauigkeiten 0,5% bis 0,1%. Genauigkeit Genauigkeit

Wiegen: Masse

Die Masse eines Körpers wird durch den Vergleich mit Standardgewichten bestimmt.
- Eine Balkenwaage misst die Balance zweier Gewichte. Im einfachsten Fall ist es ein im Drehpunkt gelagerter Waagebalken, der an den Enden zwei Schalen trägt. Die Referenzgewichte für Apothekerwaagen beginnen bei 0,1 mg, und enden bei 10 kg für Marktwaagen.
- Eine Zeigerwaage misst die Auslenkung eines Gewichts an einem Hebelarm, siehe Abbildung der Briefwaage.
- Eine Schnellwaage (Laufgewichtswaage, römische Waage) besitzt zwei ungleiche Hebelarme, an derem längeren das Ausgleichsgewicht verschoben wird.
- Eine Dezimalwaage arbeitet ähnlich wie eine Schnellwaage mit dem Unterschied, dass der Hebelarm für das Gewicht 10 Mal länger ist als der für das Wiegegut. Mit einem 10 kg Referenzgewicht kann ein Körper von 100 kg ausgemessen werden (siehe auch Abb. Dezimalwaage).
  - Sonderformen sind die Brückenwaage für Lkw und Silotransporte, Kran- und Palettenwaagen. Waagebalken

Elektromechanische und elektronische Waagen

Mechanische Geräte sind heute weitgehend durch elektr(on)ische Waagen ersetzt. Sie sind robuster, genauer, schneller ablesbar und häufig preiswerter.
Elektronische Analysenwaagen haben oft ein Gehäuse als Schutz vor Luftbewegungen, Programme zum Kalibrieren und spezielle Dämpfungen zur Verhinderung von Erschütterungen. Sie messen im Kilogrammbereich mit Empfindlichkeit bis etwa 0,1mg, was einem Dynamikbereich von 106 entspricht. Weitere Beispiele:

Elektromechanische Waagen für Industrie und Transport


- Plattform- und Fahrzeugwaagen: Wiegebrücken (Brückenwaage)mit mehreren Messdosen, Messterminal und Programmen (beispielsweise Handtara, Festtara, Mehrfachmessung ...)
- Statische / Dynamische Achslastwagge
- Kranwaagen mit 10-20 Messbereichen à ± 0,2%, Spitzenwertanzeige etc.
- Palettenwaagen (zum Beispiel 10 bis 1500 kg ± 0,5 kg)
- Sonderwaagen für Langgut, schweren Industrieeinsatz usw.
- Wägeterminals mit Abfüllsteuerung für Flüssigkeiten, Bigbag, Dosierung, Absackung, Stückzahlen, Annahme und Verladung ...
- Bodenwaage mit Funktions- und Zifferntastatur, Standardprogrammen wie Zählen, Kontrollieren, Dosieren ... (beispielsweise 10 kg ± 0,1 g). Bei modernen elektromechanischen Waagen kommen vor allem zwei Sensor-Prinzipien zum Einsatz:
- Waagen auf Dehnungsmessstreifenbasis (DMS, engl. Strain Gauge, Strain Gage)
- Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation Seltener findet man auch Waagen mit Sensorelementen, welche mit Schwingseiten arbeiten oder bei welchen kapazitive oder piezoresistive Sensoren zum Einsatz kommen. Achslastwagge

Tisch- und Zählwaagen


- Tischwaagen mit Batterie- und Netzbetrieb, Distanz Wägebrücke-Anzeigegerät bis einige Meter (zum Teil eichfähig). Untergruppen sind:
  - Kompakt- oder Universalwaagen
  - elektronische Tischwaagen für Großküche, Bäcker oder Labor
  - Spezialwaagen für Getreideproben, Eier, Sortierung usw.
- Zählwaagen: Kompaktwaagen zum Zählen, Wägen, Summieren und Kommissionieren, mit digitalen Filtern gegen Vibrationen etc.

Präzisions- und Laborwaagen


- Präzisionswaagen mit Genauigkeiten bis 0,01% (Messbereiche 100 g bis 30 kg).
  - Laborwaagen, Mikro- und Analysewaagen (zum Beispiel 200 g ± 0,0001 g; ein früher Hersteller z.B. Florenz Sartorius, Göttingen).
  - Feuchtigkeitsmesser: Wassergehalt bei 40-250°, Infrarotstrahlung ...

Besondere Waagen für Technik und Physik


- Sechs-Komponenten-Waage: durch die Messung der Kräfte (insgesamt drei) entlang der und der Drehmomente (ebenfalls drei) um die Achsen eines geradlinig orthagonalen Koordinatensystems lassen sich mit einer solchen Waage beispielsweise in einem Windkanal alle Wirkungen der Luftströmung auf ein Modell messen.
- Gravimeter für Geophysik und Geodäsie: Präzisions-"Federwaage" (Schrägbalken) oder Supraleitung, Erdschwerefeld 950 bis 990 Gal ± 0,001 mGal (1 Gal = 1 cm/s²).
- Cavendish-Waage zur Bestimmung der Gravitationskonstante (1798)
- Watt-Waage für Überprüfung des Ur-Kilogramms: sie vergleicht die mechanische mit der elektrischen Leistung, was letztlich auf eine Zeitmessung hinausläuft.
- Komparatorwaage der PTB zum Vergleich von Kilogrammprototypen. Sie steht in einem druckfesten Gehäuse und hat eine Standardabweichung von 10-9 kg. Sie erlaubt auch Messungen im Vakuum (0,005 mbar) und daher des Luftauftriebs auf die Massebestimmung.

Grundregeln für genaues Wägen


- Waage sorgfältig behandeln, vor mechanischen Erschütterungen und aggressiven Stoffen schützen,
- im angeschalteten Zustand nicht transportieren,
- auf stabilen Untergrund achten, horizontieren, justieren.
- maximale Belastbarkeit nie überschreiten ("Wägebereich 200 g" = Maximallast). Nur für Industrie oder Kraftfahrzeug sind die Toleranzen größer.
- Daher nie mit der Hand auf Waagschalen drücken.
- Wiegegut vorsichtig auf die Waagschale legen, Chemikalien nie ohne Gefäß (Einstellung der Tara mit Tariereinrichtung)

Bei elektronischen Waagen im Labor


- Nach Einschalten warten, bis Waage auf 0,0 austariert ist
- Rundfilter oder Becherglas auflegen, "Tarataste", nochmals Austarierung abwarten
- Portionsweise Stoffzugabe: Feststoffe mit Spatel, Flüssigkeit mit Pipette
- Ablesung, Protokoll oder mit Schnittstelle zum PC
- Abnehmen des Filters/ Bechers langsam, beziehungsweise
- Standby oder Ausschalten der Waage laut Menü.

Schulprobleme und Lernen über "Gewicht" und Wägen

Durch die alltägliche "Vermischung" von Masse, Kilo und Gewicht (eigtl. GewichtsKRAFT) und das unbeliebte Newton treten in der Schule Verständnis- und Lernprobleme auf.

Verständnisprobleme bei Schülern


- Mangelnde Erfahrung vieler Kinder ("schwer" = groß, Volumen, Dichte)
- unscharfe Sprache, Wahrnehmung von Gewicht als Druck (auf der Hand)
- Ablesung auf Skalen und Bedeutung der Werte
- Verwechslung von «Gramm»/ «Kilogramm», Gewichtsstück/ Gewichtseinheit ...
- Vermischen von Masse und Gewichtskraft, Kilopond und Newton

Lernschritte für Schüler

Gewichte und Vergleiche

# Sprachlich: ich bin schwerer/ leichter als ... # Vergleichen ähnlicher Gewichtsstücke mit der Balken- oder "Kleiderbügelwaage", und verschiedener Gegenstände mit Feder- oder "Gummiwaage" # Gewichte schätzen, Dichte erleben (Holz, Stein, Eisen, Polystyrol, Wasser) # Schätzwettbewerbe (später Gegenstände verschiedener Dichte)

Skalen und Einheiten

# Mit Skalen vertraut machen (Maßband, Uhr ..) # Gewichte in kindgerechten Einheiten (beispielsweise Murmeln) schätzen: Stein A = 6 Murmeln = 3 Nägel, dann Kontrolle mit Waage # Vergleich gängiger Gewichte (100 g, 250 g, 500 g). Später kleine Gewichte (5 g, 10 g, 50 g) auf Briefwaage und deren Ausschlag begreifen # Einheiten «Kilo/gramm» (1 kg = 1000 g), Analogie zu km

Abstraktes und Formeln

# Messprinzip A) Kraft, B) Vergleich (Federwaage, Brief-, Balkenwaage) # Newton als Kraft spüren, Kilopond, Erdschwerefeld und dessen Variation # Internetsuche, Kritik an Prospekten (kg statt N, usw.) # Dichte_(Physik) verstehen (Vergleiche mit Holz, Stein, Wasser usw.)

Siehe auch

Basiseinheiten, SI-Einheitensystem, Toleranz, Eichung, Justieren, Kilogramm, Präzision, Waagebalken, Wägesystem

Arten von Waagen

Briefwaage, Goldwaage, Neigungswaage, Personenwaage, Ringwaage, Wasserwaage

Literatur


- Manfred Kochsiek (Hrsg.): "Handbuch des Wägens", 2. Auflage, Vieweg (1989)
- Hans R. Jenemann, Arno M. Basedow und Erich Robens: "Die Entwicklung der Makro-Vakuumwaage", Wirtschaftsverl. NW Bremerhaven, ISBN 3-89429-214-8
- Richard Vieweg: "Aus der Kulturgeschichte der Waage" (1966)
- Karl Erich Haeberle: "Zehntausend Jahre Waage. Aus der Entwicklungsgeschichte der Wägetechnik" (1967)

Weblinks


- http://www.admin.ch/ch/d/ff/2002/2607.pdf (Zulassung zur Eichung)
- http://www.ptb.de/ (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig)
- http://www.ptb.de/de/org/1/11/111/prototyp.htm (Präz.Waage, Kilogramm)
- http://www.bipm.fr/ (Bureau International des Poids et Mesures, Paris) Kategorie:Messgerät Kategorie:Laborgerät

Physik

Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die Naturwissenschaft, welche die grundlegenden Gesetze der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen untersucht. Sie befasst sich sowohl mit den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit als auch mit der Struktur von Raum und Zeit selbst. Die Physik beschreibt die Natur quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, sogenannter Theorien, und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über das Verhalten der betrachteten Systeme. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Im Zusammenhang mit der Physik wurde auch erstmals die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung aufgeworfen, ein Thema, das auch in der Literatur, etwa in dem Theaterstück Die Physiker von Friedrich Dürrenmatt, aufgegriffen worden ist.

Das Theoriengebäude der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannte Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt es sich nicht um universell gültige Ordnungsstrukturen, sondern räumliche und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu einer vierdimensionalen Raumzeit. Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt, die durch die Anwesenheit von Masse bzw. Energie hervorgerufen wird. In der Relativitätstheorie wird auch erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung der Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen Physik, auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert, das heißt sie nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an und ändern sich in Form von Quantensprüngen. Materie erweist sich als Phänomen, das nur in Portionen, den sogenannten Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt sich nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen, über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann, das Teilchen bei einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. Man spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus. Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei solcher Messungen ist nicht nur unbekannt, sondern sogar nicht definiert. Die meisten Physiker folgern daraus, dass letztlich die Vorstellung von der Existenz einer vom Beobachter unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften dieser Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle. Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens (Deutungen der Quantenphysik). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt.

Die vier Grundkräfte

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte:
- Die Gravitation oder Schwerkraft,
- die elektromagnetische Wechselwirkung,
- die schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- die starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. Eines der Ziele der Physik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben. Bisher ist es jedoch lediglich gelungen, die elektromagnetische Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung zu einer sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen. Zur Vereinigung der elektroschwachen- und starken Wechselwirkung wurde die Theorie der Supersymmetrie erdacht, deren Gültigkeit allerdings umstritten ist. Die größten Schwierigkeiten treten im Bereich der Gravitationskraft auf, da über sie - auch wenn schon lange bekannt - doch nur wenig gesichertes Wissen vorliegt. Maßgebliches Problem hierbei ist ihr kaum messbarer Einfluss auf alle Systeme, im Labormaßstab. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik, das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.

Derzeitige Grenzen der physikalischen Erkenntnis

Das Ziel der heutigen Physik ist es, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben und auf die Wechselwirkung weniger Elementarteilchen zurückzuführen. Inwieweit dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist völlig offen. Immerhin ist der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene der Physik lassen sich zwei grundsätzlich verschiedenen Gruppen zuordnen:
- Phänomene, deren zugrundeliegende Gesetze noch unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche, zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind, wie beispielsweise der Urknall. Der Grund hierfür ist, dass es bisher nicht gelungen ist, eine in sich geschlossene Quantenfeldtheorie zu formulieren, welche die Quantenphysik und die Relativitätstheorie vollständig vereinigt.
- Phänomene, die zwar bekannten Gesetzen gehorchen, deren Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man berechenbare Näherungsmodelle zu entwickeln, deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell ermitteln lassen. Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in diesem Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins. Insbesondere die Frage, zu welcher der beiden Problemgruppen es zu zählen ist, wird kontrovers diskutiert. Die Physik ist prinzipiell nicht in der Lage, Aussagen über das Wesen der Dinge an sich zu treffen. Sie beschränkt sich darauf, die Gesetzmäßigkeiten zu ergründen, denen die Dinge unterworfen sind. Warum die Natur überhaupt gewissen Gesetzen gehorcht, ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort gibt lediglich das anthropische Prinzip, indem es feststellt, dass es in einem Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde, der sich über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche der Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach übergeordnetem, theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch sortiert. Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und Relativitätstheorie erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema unter der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche Bezüge zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für die Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Die Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch Querschnittstheorien (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten, aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen.

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik, der bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt war.
- Die klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie überhaupt. Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften, einschließlich solcher Kräfte, die zwischen den Körpern wirken (Wechselwirkungskräfte).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und dessen Beeinflussung durch Materie.
- Die Wellenlehre als theoretische Disziplin bildet die mathematische Grundlage für Beschreibungen von Schwingungsvorgängen in Akustik, Optik und Atomphysik (QST/QT).
- Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl bereits früher bekannt, erhielt sie erst durch die Entdeckung der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht jedoch weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden, das heißt nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die nichtlineare Dynamik und die Physik der komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie, Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

... befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Die Einheit von newtonscher Physik, Elektrodynamik und Relativitätstheorie wird als Klassische Physik bezeichnet.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei werden primär konstante Geschwindigkeiten betrachtet (QST).
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.

Die Quantenphysik

... ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind insbesondere Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, den Aufbau und die Eigenschaften der Atome und ihre Spektren zu erklären. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann (RT).
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen (RT).
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
  - Die Festkörperphysik und Halbleiterphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
  - Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind (im Unterschied zum idealen Gas) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
  - Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefinierte gegenseitige Orientierung.
  - Die Physik der weichen Materie beschreibt die Eigenschaften von Polymeren, Kolloiden und Membranen.
  - Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.

Die relativistische Quantenphysik

... befasst sich mit Phänomenen, zu deren Beschreibung die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich sind.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt:
  - die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie
  - die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen
  - die Quantenchromodynamik beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen
- Quantengravitation ist ein Überbegriff für Ansätze, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen (QST):
  - die Stringtheorie beschreibt Elementarteilchen als Strings und geht von verborgenen Dimensionen der Raumzeit aus
  - die Loop-Quantengravitation beschreibt die Raum-Zeit als Spin-Netzwerk bzw. Spin-Schaum
  - die Quantengeometrie
  - die Supersymmetrie

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche


- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Bei der physikalischen Chemie handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie. Physikalische Chemiker wenden die Methodik der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie an.
- Die Technische Physik ist jenes Teilgebiet der Physik, das sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens befasst.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
- In der Theorie der Quantencomputer tritt die Physik in interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Informatik. Hier werden unter anderem Algorithmen mit geringerer Komplexität als bei klassischen Computern möglich.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Teilchenbeschleunigern. Diese werden benötigt, um die Energiedichten der Elementarteilchenphysik zu erreichen, aber auch als Strahlenquelle für Untersuchungen in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung von Kernreaktionen in Kernreaktoren.
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima.
- Soziophysik und Wirtschaftsphysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.

Methodik der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden.

Experimentalphysik

Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf die Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Dabei versucht die Experimentalphysik, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines Teilchenbeschleunigers, einer Vakuumkammer mit Detektoren oder eines geworfenen Steins durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Länge einer Teilchenspur, Impulshöhe eines elektrischen Spannungspulses oder als Aufprallgeschwindigkeit. Konkreterweise werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder man untersucht die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems, etwa in dem man Anfangswerte und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt oder alternativ kontinuierliche Zwischenwerte feststellt.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der Theoretischen Physik wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert. Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modelles ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Phänomene der Welt, die sich nicht mathematisch beschreiben lassen, wie beispielsweise das menschliche Bewusstsein, werden gemeinhin nicht als Gegenstand der Physik angesehen. Das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie ist, wie in vielen Naturwissenschaften auch, die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lässt sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings lässt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist. Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Mathematische Physik und Angewandte Physik

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können. Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.

Simulation/Computerphysik

Mit der fortschreitenden Entwicklung der Rechensysteme hat sich in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts und beschleunigt seit etwa 1990 die Computersimulation als neue Methodik innerhalb der Physik entwickelt. Computerphysiker sind keine reinen Theoretiker, da sie durch ihre Simulationen Theorien zu testen versuchen, aber auch keine reinen Experimentatoren, da ihre Experimente ausschließlich in der Welt des Rechners stattfinden. Die Bandbreite möglicher Simulationen deckt die komplette Spanne von der mathematischen Physik über Simulationen kosmologischer Modelle bis hin zur angewandten Physik ab. Naturgemäß hat dieser Bereich der Physik zahlreiche Anknüpfungspunkte an die Informatik.

Verhältnis zu anderen Wissenschaften

Abgrenzung zu anderen Wissenschaften

Zur Abgrenzung gegenüber der Biologie wird die Physik oftmals als die Wissenschaft von der unbelebten Natur bezeichnet. Eine Abgrenzung gegenüber der Chemie ist nicht so eindeutig; der Übergang von der Physik der Elektronenhülle, also der Atom- und Molekülphysik, zur Quantenchemie ist fließend. Die Mathematik beschreibt im Gegensatz zur Physik keine realen Objekte, sondern abstrakte Begriffe und deren Eigenschaften.

Wechselwirkung mit anderen Wissenschaften

Die Physik gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der alle anderen wie beispielsweise die Astronomie, die Chemie, die Geologie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften, besonders im technischen Bereich, wie in den Ingenieurwissenschaften, aber auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften. Umgekehrt haben auch oft Erkenntnisse aus anderen Fachgebieten wie der Mathematik oder der Astronomie die physikalische Forschung bereichert und stimuliert. Auch in der Philosophie finden die Erkenntnisse der Physik Beachtung: So versucht der philosophische Zweig der Metaphysik Erklärungen für das Wesen der Natur zu finden, während sich die Physik auf ihre Beschreibung beschränkt.

Physik als Studium

Das Physikstudium gliedert sich im deutschsprachigen Sprachraum in ein zweijähriges Grundstudium, an dass sich nach einer Vordiplom genannten Zwischenprüfung das Hauptstudium anschließt. Den Kern der Ausbildung bilden Experimentalphysik nebst Physikalischen Praktika und Theoretische Physik, dazu kommen Vorlesungen in Mathematik und Nebenfächern wie Chemie, Astronomie oder Informatik. In der Experimentalphysik folgt auf einen Grundkurs bestehend aus den Gebieten Mechanik, Schwingungs- und Wellenlehre, Akustik, Strömungslehre, Spezieller Relativitätstheorie, Elektrizitätslehre, Magnetismus, elektromagnetische Wellen, Optik und Wärmelehre eine Vorlesung über semiklassische Quantentheorie, Molekül- und Atomphysik. Danach schließen sich spezialisierte Vorlesungen über die modernen Forschungsgebiete der experimentellen Physik wie Plasmaphysik, Kernphysik, Teilchenphysik, Festkörper- und Halbleiterphysik an. Die Theoretische Physik wird im Rahmen des Studiums meist in einen Zyklus aus vier Gebieten eingeteilt: # Mechanik (Newton'sche Mechanik, Analytische Mechanik, Spezielle Relativitätstheorie, Hamilton'sche Mechanik) # Elektrodynamik (Elektro- und Magnetostatik, Maxwell'sche Elektrodynamik, Elektromagnetische Wellen, Spezielle Relativitätstheorie) # Quantenmechanik (Schrödinger'sche Wellenmechanik, Heisenbergsche Matrizenmechanik, Dirac-Notation, Grundzüge der Theoretischen Atomphysik, Einführung in die Relativistische Quantenmechanik) # Thermodynamik und Statistische Physik (Wärmelehre, Statistische Physik, Quantenstatistik, Vielteilchentheorie) Die Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenfeldtheorien, Theoretische Festkörperphysik und weitere Gebiete sind an den meisten Universitäten als Spezialvorlesungen vertreten, gehören aber nicht zum Grundkanon.

Geschichte

Die neuzeitliche Geschichte der Physik wurzelt in antiken Vorarbeiten vor allem griechischer Gelehrter (insbesondere von Aristoteles) und beginnt etwa ab dem Jahr 1500. Seit dieser Zeit kann man von der Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen, obwohl es schon vorher physikalische Entdeckungen und Lehren gab, zum Beispiel über das Feuer, das Rad, das von Archimedes formulierte Hebelgesetz und seine Anwendung in einfachen Maschinen, erste Erkenntnisse in der Optik, der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper (Demokritsches Teilchenmodell).
- 1543 Veröffentlichung des heliozentrischen Weltbildes in „De Revolutionibus Orbium Coelestium“ („Von den Umdrehungen der Himmelskörper“) durch Nikolaus Kopernikus
- 1589 Fallgesetze (Galileo Galilei)
- 1609 Planetengesetze (Johannes Kepler)
- 1638 und 1650 Luftdruck und Vakuum entdeckt und angewendet (Evangelista Torricelli, Otto von Guericke)
- 1687 Grundgesetz der Mechanik (newtonsche Gesetze durch Isaac Newton)
- 1786 Elektrisches Grundgesetz (coulombsches Gesetz: zur Bestimmung der Kraft zwischen Ladungen)
- 1865 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwellgleichungen durch James Clerk Maxwell)
- 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-Strahlung) durch Wilhelm Conrad Röntgen
- 1898 Entdeckung der natürlichen Radioaktivität einiger chemischer Elemente durch Marie und Pierre Curie
- 1900 Begründung der Quantenphysik durch Max Planck
- 1905 Formulierung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1916 Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Albert Einstein
- 1938 Atomkernspaltung künstlich herbeigeführt durch Otto Hahn
- 1947 Entwicklung des Transistors durch William B. Shockley
- 1960 Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman
- 1970 Erste kontrollierte Kernfusion im Fusionsreaktor Tokamak 3
- 1995 Erfolgreiche Bose-Einstein-Kondensation von Atomen Siehe auch: Portal:Physik, Physiker, Computerphysik, Einheitensystem, Naturkonstante, Physik für die Schule, Physikalisches System, Auf den Schultern von Giganten, Liste der Kurzschreibweisen (Physik), Liste physikalischer Sätze

Literatur


- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. Spektrum Akademischer Verlag 2. Auflage 2004 ISBN 3-827-41164-5
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3-486-25857-5
- Gerthsen; Meschede: Gerthsen Physik. Springer-Verlag 22. Auflage 2004 ISBN 3-540-02622-3
- Demtröder: Experimentalphysik 3. Auflage Springer 2004 ISBN 3-540-26034-X
- Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt:Lehrbuch der Experimentalphysik.de Gruyter 10. Auflage 1998 ISBN 3-110-12870-5

Weblinks


- Physik allgemein
  - [http://www.dpg-physik.de/ Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.]
  - [http://www.ptb.de/ Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- Physik-Portale
  - [http://www.weltderphysik.de/ Welt der Physik]
  - [http://www.pro-physik.de/Phy/External/PhyH/ Findemaschine pro-physik.de]
  - [http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker]
  - [http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik]
  - [http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/cover.html Physik einfach erklärt] ! als:Physik ja:物理学 ko:물리학 ms:Fizik simple:Physics th:ฟิสิกส์ zh-min-nan:Bu̍t-lí-ha̍k

Schwerebeschleunigung

Die Schwerebeschleunigung (Erdbeschleunigung, Fallbeschleunigung) gibt an, wie schnell Gegenstände auf der Erde fallen. An der Erdoberfläche beträgt ihr Mittelwert g = 9,81 m/s², variiert aber wegen Zentrifugalkraft, Erdabplattung und Höhenprofil regional um einige Promille. Die Norm-Fallbeschleunigung ist definiert als 9,80665 m/s². Allgemein hängt die Schwerebeschleunigung von der Masse des Himmelskörpers ab. Die Formel v(t) = g · t gibt an, welche Fallgeschwindigkeit v ein Gegenstand im Vakuum nach der Fallzeit t erreicht. Sie erhöht sich theoretisch in jeder Sekunde um den Wert g. Ausserhalb des Vakuums verringert der Luftwiderstand je nach Körperform die Beschleunigung und führt zu einer maximalen Fallgeschwindigkeit (siehe auch Wurfparabel).

Probleme der Terminologie

Die Bezeichnungen Schwerebeschleunigung, Oberflächen- bzw. Fallbeschleunigung, Erdschwerebeschleunigung und neuerdings auch Ortsfaktor werden meist synonym eingesetzt. Gegen die im Internet meistverwendete "Erdbeschleunigung" wird eingewendet, dass sie auch jene Beschleunigung bedeuten kann, der die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterliegt. Missverständlich ist auch Erdanziehung und insbesondere Erdschwere. Unter ersterer versteht man meist eine Kraft (die sog. Schwerkraft), während "Erdschwere" zu schwammig ist. Generell sollte die Terminologie beachten, ob es sich um eine Kraft (F = m·g) oder um eine Beschleunigung (g) handelt, wobei die Masse m den Unterschied ausmacht.

Herleitung

Die Schwerebeschleunigung bestimmt die Kraft F, mit der ein Körper m von einem Himmelskörper angezogen wird: : F = m \cdot g Das Gleichsetzen der Trägheitskraft F mit der Newtonschen Gravitationskraft liefert die Erdbeschleunigung g: : g(r) = \frac Für die Werte der Erde:
- Erdmasse: M=5972 \cdot 10^\,\mathrm
- Erdradius: r=6371\,\mathrm (kugelförmig, ruhend) und mit der
- Gravitationskonstante: G=6674 \cdot 10^\, ergibt sich g = 9,82 m/s². Eine andere Methode beruht auf der Messung der Schwingungsdauer T eines Fadenpendels mit Fadenlänge L: :g = \frac Das sog. Sekundenpendel hat eine Länge von etwa 1m, doch ist eine solche Pendeluhr auf die geografische Breite zu eichen.

Einheiten

Die SI-Einheit der Schwerebeschleunigung ist m/s². Der Millionste Teil davon ist 1 ­µm/s², was etwa der durchschnittlichen Messgenauigkeit entspricht. Im alten CGS-Sytem heißt die Einheit Gal (nach Galileo Galilei oder γ, das in der Gravimetrie und Angewandten Geophysik oft in 1000 Milligal unterteilt wird: :1 Gal = 1γ = 1 cm/s² = 0,01 m/s² :1 mGal = 10-5 m/s² = 10 ­µm/s² (siehe unten). Geophysiker verwenden γ aber meist als Formelzeichen für die theoretische Schwere (unten als gN bezeichnet). Manchmal dient die Erdbeschleunigung g auch selbst als Einheit. Im Mittel der Erde gilt dann genähert : 1 g = 9,81 m/s² = 981 Gal = 981 000 mGal.

Ortsabhängigkeit der Erdbeschleunigung

Da die Erde keine Kugel, sondern annähernd ein Ellipsoid ist und zudem rotiert, hängt die Erdbeschleunigung von der geografischen Breite und zusätzlich von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Die Norm-Erdbeschleunigung ist definiert als die mittlere Erdbeschleunigung gN mit dem Wert:
- 9,80665 m/s² auf dem 45.Breitengrad in Meereshöhe.
- 9,780 m/s² am Äquator.
- 9,832 m/s² an den Polen. Pro Meter Höhe (h) nimmt g um rund 3 µm/s² ab, solange h klein gegen den Erdradius und das Gelände eben ist. Der theoretische Gradient einer völig glatten Erde wäre 3,086 µm/s². Weitere Abweichungen sind auf die Strukturen unterschiedlicher Dichte im Untergrund zurückzuführen. Aus der genauen Vermessung der Erdbeschleunigung kann man deshalb Rückschlüsse auf Strukturen in der Erdkruste sowie deren Veränderungen ziehen. Eine Formel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist die Schwereformel für das Geodätische Referenzsystem 1980 (GRS 80) in Meereshöhe: : g(\phi) =g_\mathrm\frac , wobei : g_\mathrm=97803267715\,\mathrm. die Schwerebeschleunigung am Äquator in Meereshöhe ist. Eine sehr gute (empfohlene) Schwereformel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist gegeben durch: : g(\phi)=g_\mathrm(1+c_1\sin^2\phi+c_2\sin^4\phi+c_3\sin^6\phi+c_4\sin^8\phi) , mit c1 = 0,005 279 0414 c2 = 0,000 023 2718 c3 = 0,000 000 1262 c4 = 0,000 000 0007. Diese Näherung ist auf etwa ±10 nm/s² genau. Eine oft erwähnte einfachere Formel mit etwa ±10 µm/s² Genauigkeit ist : g(\phi) =9780327\,\mathrm\,(1+0005\,3024\sin^2\phi+0000\,005\,8\sin^2(2\phi)) . Eine Korrektur für die Höhenabhängigkeit lautet: : g(\phi,h) =g(\phi)\cdot\left(1-k_1\left(1-k_2\sin^2\right) +k_3\left(\right)^2\right) mit : k_1=315704\cdot10^\,;\quad k_2=000666031\,;\quad k_3=737452\cdot10^ Diese Korrektur ist für fliegerische Höhen recht genau; für den Weltraum (über ca. 100 Kilometer) divergiert sie jedoch. Eine einfache Näherungsformel in Abhängigkeit der geografischen Breite φ und Höhe h lautet: :g = 9780327 \, (1 + 00053024 \, (\sin\varphi) ^ 2) \frac - 000000308 \, h \frac In Deutschland ist die ortsabhängige Erdbeschleunigung im Deutschen Hauptschwerenetz 1996 (DHSN96) festgehalten. Es ist neben dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem für den Ort und dem deutschen Haupthöhennetz für die Höhe die dritte Größe zur eindeutigen Festlegung eines geodätischen Bezugssystems. Das deutsche Schwerenetz stützt sich auf ca. 16.000 Meßpunkte, den Schwerefestpunkten (SFP) [http://www.lverma-mv.de/raum_festpunktfelder.htm].

Meßgenauigkeit

Ein modernes Gravimeter vermag die Erdbeschleunigung mit einer Genauigkeit von 0,01 µm/s² (0,001 mGal) zu vermessen. Man könnte damit eine Höhenverschiebung von weniger als einem Zentimeter registrieren. Schwankungen des Luftdrucks verursachen Änderungen in der gleichen Größenordnung. Wenn man aber Schweremessungen zur Rohstoff-Suche oder zur Bestimmung des Geoids verwendet, kann man sich mit 0,1 mGal begnügen. Denn die Unregelmäßigkeiten des Geländes können 30 mGal ausmachen und lassen sich wegen unsicherer Gesteinsdichte kaum genauer als auf 0,5 mGal oder 5 µm/s² berechnen. Bei Differenzmessungen (etwa zur Bestimmung unterirdischer Hohlräume) ist hingegen die 10-fache Messgenauigkeit sinnvoll. Der Einfluss der Gezeitenkräfte liegt bei 0,005 µm/s², am Meer mit großen bewegten Wassermassen bei 0,1 µm/s². Veränderungen des Grundwasserspiegels können die Meßwerte um 0,2 µm/s² beeinflussen. Aus der Beobachtung von Satellitenbahnen lassen sich Schwankungen des Erdschwerefeldes in der Größenordnung von 200 µm/s² erkennen; die modernste Gradiometrie kann auch noch wesentlich kleinere Bahnstörungen erfassen (siehe GRACE und GOCE).

Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung

GOCE In Bodennähe nimmt g um etwa 3,1 µm/s² pro Meter ab. Für größere Höhen wird die Abnahme von g(r) mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz abgeschätzt (siehe Diagramm). In niedrigen Satellitenhöhen von 300-400 km nimmt die Erdbeschleunigung um 10-15% ab, in 5000 km (Lasersatellit Lageos) ca. 70%. In großen Höhen wird sie keinesfalls Null, sonst würden hochfliegende Satelliten geradlinig davonfliegen. Ihre Besonderheit ist der fortgesetzte freie Fall, der ohne Luftwiderstand nie auf die Erdoberfläche aufschlägt, weil er einer Keplerellipse folgt.

Schwerebeschleunigung anderer Himmelskörper

Die Tabelle vergleicht die Schwerebeschleunigung der Erde mit den Himmelskörpern unseres Planetensystems in Einheiten von g: Zum Vergleich: Kurzzeitig überlebt ein Mensch 15 g, einige Minuten lang etwa 6 g, siehe G-Kraft.

Sprachgebrauch

Unter Erdschwerebeschleunigung oder allgemein Schwerebeschleunigung versteht man die Beschleunigung, die ein Gravimeter auf der Oberfläche eines Himmelskörpers misst (Gravimetrie). Die Zentrifugalkraft eines rotierenden Planeten ist in ihr enthalten. Hingegen bezieht sich die Gravitationsbeschleunigung auf die reine Massenanziehung. Im Umgangs-Sprachgebrauch bleiben die Unterschiede oft unberücksichtigt und müssen aus dem Zusammenhang erschlossen werden.

Siehe auch


- Beschleunigung
- Schweregradient
- Schwereanomalie
- Physikalische Konstanten
- Bezugssystem
- Erdgestalt
- Erdmessung

Weblinks

[http://www.bkg.bund.de/ Bundesamt für Kartographie und Geodäsie] Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie ja:重力加速度

Newton (Einheit)

Das Newton ist die SI-Einheit der Kraft. Sie wurde nach dem britischen Wissenschaftler Isaac Newton benannt. ;1 N := 1 kg·m/s² Ein Newton ist somit die Kraft, die benötigt wird, einen Körper der Masse 1 kg in 1 s auf die Geschwindigkeit 1 m/s zu beschleunigen. Das entspricht ungefähr der Gewichtskraft eines Körpers der Masse 102 g auf Meereshöhe. Die mittlere Erdbeschleunigung ist gN = 9,80665 m/s². Das Einheitenzeichen kann mit den üblichen Vorsilben für Maßeinheiten kombiniert werden. Kategorie:SI-Einheit ja:ニュートン ko:뉴턴 ms:Newton

Kraft

Kraft ist eine Fähigkeit, etwas zu bewirken. Als physikalischer Fachbegriff bezeichnet Kraft die Fähigkeit, Körper zu beschleunigen oder zu verformen. Als physikalische Größe wird Kraft durch das Formelzeichen F (von frz./engl. force) bezeichnet. Ihre Einheit ist das Newton (N), zu Ehren von Sir Isaac Newton, der mit seinen Bewegungsgesetzen den modernen physikalischen Kraftbegriff schuf.

Wort- und Begriffsgeschichte

Das Wort Kraft ist altgermanischen Ursprungs; im Englischen hat craft infolge der Konkurrenz durch Altfrz. force eine eingeengte Bedeutungsentwicklung genommen. In der physikalischen Fachsprache ist Kraft spätestens im 17ten Jahrhundert mit Lat. vis, Frz. force gleichgesetzt worden (Kant: Von der wahren Schätzung der lebendigen Kräfte, 1747). Jenseits der Physik hat force im Engl. und Frz. breitere Bedeutungen als im Dt. und kann auch als Macht oder Stärke übersetzt werden (la force militaire d'un pays; la force du vent). Das griechische Wort für Kraft, δύναμις, lag der CGS-Einheit dyn zugrunde und lebt fort in Dynamik, was als physikalischer Fachbegriff die Lehre von der Bewegung unter dem Einfluss von Kräften bezeichnet. Im Deutschen bezeichnet Kraft eine körperliche oder geistige Voraussetzung zu bestimmten Handlungen (Muskelkraft; Krafttraining). In der zweiten Bedeutung – der Ausführung der Tätigkeit selbst (eine Kraft ausüben; unter der Kraft zusammenbrechen) kommt die Alltagsvorstellung von Kraft dem physikalischen Fachbegriff nahe. Der umgangssprachliche Kraftbegriff umfasst jedoch auch die Arbeitskraft oder die Schreibkraft. Der Begriff wurde früh auch auf Nichtlebendiges übertragen, so in Heilkraft (getrockneter Kräuter oder eines bestimmten Wassers). In der Rechtssprache bedeutet Kraft seit dem Mhd. Gültigkeit, heute nur noch in bestimmten Formeln: in/außer Kraft bleiben/treten/setzen, vgl. rechtskräftig. Aus in/durch Kraft entstand die Präposition kraft (kraft Amtes). Als physikalischer Fachbegriff wurde Kraft von Archimedes eingeführt und von Galilei aufgegriffen. Isaac Newton gelang es in seinen Bewegungsgesetzen (veröffentlicht 1687) den Begriff Kraft in bis heute gültiger Weise zu präzisieren. Bis weit ins 19te Jahrhundert benutzten Physiker das Wort Kraft jedoch auch in Bedeutungen, die nicht durch die newtonschen Gesetze gedeckt waren, und zwar insbesondere auch in der Bedeutung von Energie, denn der moderne Energiebegriff wurde erst mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Julius Robert von Mayer, 1842) geschaffen. Während die Kraft wie auch die Energie in der Physik von Newton über ihre Ursachen und Wirkungen differenziert betrachtet wird (Reibungskraft, Fliehkraft, Schwerkraft, kinetische Energie, potentielle Energie, Wärmeenergie usw.), unterscheidet die moderne Physik noch vier Grundkräfte und nennt sie auch Wechselwirkungen:
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Starke Wechselwirkung
- Gravitation Die Erscheinungen, die durch den Magnetismus und "magnetische Kräfte" beschrieben werden, sind lediglich ein relativistischer Nebeneffekt elektrischer Ströme. Alle newtonschen Kräfte lassen sich auf diese vier zurückführen. Eine wahrscheinliche Hypothese geht davon aus, dass auch sie in Wirklichkeit nur verschiedene Ausprägungen der selben Sache sind. Allerdings ist es bisher erst gelungen, die Elektromagnetische und die Schwache Wechselwirkung einheitlich zu erklären ("Elektroschwache Wechselwirkung").

Wirkung und vektorieller Charakter von Kraft

Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen:
- Eine Kraft kann die Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Körpers ändern.
- Eine Kraft kann einen Körper verformen (Deformation).
Davon gibt es zwei Arten: #Elastizität: Fähigkeit von Stoffen, eine Formänderung rückgängig zu machen, sobald die einwirkende Kraft wegfällt. #Plastizität (Duktilität): Vermögen eines Werkstoffes, seine Gestallt beizubehalten, die durch eine Krafteinwirkung entstanden ist. Um eine Kraft zu beschreiben, genügt es nicht, Zahlenwert und Einheit anzugeben; wichtig ist auch die Richtung, in die die Kraft wirkt:
- Wenn die Kraft in die gleiche Richtung zeigt wie die Geschwindigkeit des Körpers, auf den sie wirkt, beschleunigt sie ihn (Beschleunigung). Wenn die Kraft der Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, bremst sie ihn ab. Bei jedem anderen Winkel zwischen Kraft und Geschwindigkeit bewirkt die Kraft auch eine Richtungsänderung (Querbeschleunigung).
- Die Verformung eines Körpers kommt genau genommen nicht durch eine einzelne Kraft zustande, sondern dadurch, dass an verschiedenen Angriffspunkten verschiedene Kräfte wirken (Spannung). Je nachdem, wie diese Kräfte gerichtet sind, wird der Körper gedehnt, komprimiert oder verzerrt. Eine physikalische Größe, die wie die Kraft erst durch die Angabe von Zahlenwert, Einheit und Richtung festgelegt ist, nennt man eine vektorielle Größe. Solche Größen kann man als Pfeile darstellen. In einem kartesischen Koordinatensystem hat ein Kraftvektor drei Komponenten: :F = (Fx; Fy; Fz) Hier und im Folgenden kennzeichnen wir Vektoren durch Fettdruck. Um beispielsweise die Gewichtskraft FG zu beschreiben, mit der ein Körper der Masse m von der Erde angezogen wird, wählt man ein Koordinatensystem mit vertikaler z-Achse und erhält (mit der Erdbeschleunigung g) :FG=(0; 0; m · g). Um mechanische Spannungen zu beschreiben, muss man Kraft sogar als ein vektorielles Feld auffassen: in jedem Angriffspunkt, bezeichnet durch den Ortsvektor r, kann prinziell eine andere Kraft F(r) herrschen.

Kraft in den newtonschen Gesetzen

Zum vektoriellen Charakter der Kraft gehört, dass sich entgegengerichtete Kräfte nach den Regeln der Vektoraddition aufheben können. Ist das der Fall, herrscht ein Kräftegleichgewicht. Ein Körper bewegt sich geradlinig, solange die auf ihn wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Insbesondere bleibt ein ruhender Körper in Ruhe. Auf diesem ersten newtonschen Axiom beruht die gesamte Statik. Nach dem zweiten newtonschen Axiom bewirkt eine Kraft F, die auf einen freien Körper ausgeübt wird, eine Änderung von dessen Impuls p: in jedem infinitesimal kurzen Zeitraum dt ändert sich der Impuls des Körpers um dp gemäß :F = d p / d t. Der Impuls eines Körpers hängt über p = m v mit Masse m und Geschwindigkeit v zusammen; da die Masse des Körpers in den meisten Anwendungen konstant bleibt (bekannte Ausnahme: die Herleitung der Raketengleichung), schreibt man das zweite newtonsche Axiom meistens in der Form :F = m d v / d t = m · a wobei a für die auf den Körper wirkende Beschleunigung steht. Diese Gleichung ist der Prototyp einer Bewegungsgleichung: wenn die Kraft F(r; t), sowie die Anfangsposition und Anfangsgeschwindigkeit eines Körpers gegeben sind, dann legt die Gleichung F = m · a den gesamten weiteren Bewegungsverlauf des Körpers fest. Die Hauptaufgabe der theoretischen Mechanik besteht darin, mit Hilfe der Vektoranalysis oder unter Nutzung des Lagrange- oder Hamilton-Formalismus diese Berechnung tatsächlich auszuführen. Die grundsätzliche, wenn auch nicht praktische Möglichkeit, aus gegebenen Anfangsbedingungen und Kräften die Bewegung beliebig komplizierter Systeme vorauszuberechnen, trug im 18. Jahrhundert zur Verbreitung eines mechanistischen Weltbildes bei. Das mechanistische Weltbild erklärt gut konservative Systeme, aus denen keine Energie entweicht. In der Praxis kommen jedoch nicht nur konservative Kräfte vor, sondern auch Reibungskräfte, die zur Erzeugung von Wärme führen, was nichts anderes ist, als ungeordnete Bewegung auf mikroskopischem Niveau. Die Entropie jedes Systems erhöht sich somit unumkehrbar, man spricht auch vom Wärmetod. Die Thermodynamik ergänzt die Mechanik entsprechend. Die Paradoxa der statistischen Mechanik, die Quantenmechanik und die Chaostheorie zeigten seit ungefähr 1900 grundsätzliche Grenzen der Berechenbarkeit in Modellen der klassischen Physik auf.

Messung von Kräften

Die Definition der SI-Einheit Newton als abgeleitete Einheit, 1 N = 1 kg · m / s², beruht auf der Möglichkeit, gemäß F = m · a eine Kraft über die von ihr verursachte Beschleunigung zu messen. Im Schulunterricht und in einigen anspruchslosen Anwendungen der Mechanik misst man Kräfte hingegen über die Verformung von Federn (die letztlich gegen F = m · a kalibriert sind). Dabei nutzt man das Hooke'sche Gesetz, demzufolge eine nicht zu starke Ausdehnung (Überdehnung) einer Spiralfeder der ausgeübten Kraft proportional ist. Die Kraft für das Zusammendrücken oder Auseinanderziehen ist jeweils: F = k · s, wobei s die Verlängerung oder Verkürzung in beispielsweise Zentimetern [cm] ist. Der Ausdruck k steht für die Federeigenschaft (weich oder hart), der sogenannten Federkonstante mit der Einheit [kp/cm]. Ist der Federweg z. B. 10 cm bei einer Feder mit k = 5 kp/cm, dann ist das Produkt F = 5 kp/cm · 10 cm = 50 kp

Verschiedene Kräfte

Gewichtskraft, träge und schwere Masse, ultra schwere Masse

Die Gravitation macht sich als Schwerkraft oder, gleichbedeutend, Gewicht oder Gewichtskraft bemerkbar. Gewichtskraft ist die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Diese Kraft ist proportional zur Masse m des Körpers, :FG = m · g. Der Proportionalitätsfaktor g ist schwach ortsabhängig; im Schulunterricht wird er daher Ortsfaktor genannt. Er hat in Mitteleuropa den ungefähren Zahlenwert g = 9,81 N / kg; für viele Anwendungen genügt es, mit der Näherung 10 N/kg zu rechnen. Wenn man FG in die linke Seite der newtonschen Bewegungsgleichung F = m · a einsetzt, erhält man m · g = m · a, wobei g für einen senkrecht nach unten gerichteten Vektor mit Betrag g steht. Aus dieser Beziehung kürzt sich die Masse m heraus, so dass man den Ortsfaktor g als eine Beschleunigung, die Erdbeschleunigung, identifizieren kann; folglich gibt man g auch in der Einheit m/s2 an. Dass die Masse eines Körpers sowohl in die Bewegungsgleichung F = m · a als auch in die Gewichtskraft FG = m · g eingeht, ist vielleicht der erstaunlichste Befund der newtonschen Mechanik. Man hat zwischen träger Masse (in der Bewegungsgleichung) und schwerer Masse (in der Bestimmung der Gewichtskraft) unterschieden und experimentell Abweichungen gesucht, aber nicht gefunden. Erst mit der allgemeinen Relativitätstheorie wurde erklärt, warum träge und schwere Masse tatsächlich exakt übereinstimmen.

Elektromagnetische Kräfte

Elektromagnetische Kräfte können als Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern oder zwischen Magneten beobachtet werden. Viel bedeutsamer ist aber, dass solche Kräfte auch im Inneren von Materie wirken. Unsere Stoffwelt ist zusammengesetzt aus elektrisch positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Positive und negative Ladungen kompensieren sich gegenseitig, so dass Alltagsgegenstände als ganze in der Regel elektrisch ungeladen sind. Selbst in elektrostatisch aufgeladenen Gegenständen herrscht, relativ gesehen, nur ein ganz geringer Elektronenüber- oder unterschuss. Deshalb sind die im Inneren von Materie wirkenden Kräfte um viele Größenordnungen stärker als elektrostatische Kräfte zwischen Alltagsgegenständen. Im wesentlichen bestehen die elektromagnetischen Kräfte im Inneren von Materie aus der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung zwischen Elektronen und Atomkerne sowie aus der Lorentzkraft, die auf in Magnetfeldern bewegte Elektronen wirkt. Diese fundamentalen Kräfte machen sich in vielfältiger Weise bemerkbar:
- als Widerstand, den ein Körper einer Verformung entgegensetzt (Federkraft, Kompressibilität, Schubmodul);
- als Reibung zwischen den Oberflächen verschiedener Körper;
- als elektromotorische Kraft, die Elektronen durch einen Leiter treibt;
- in Fluiden als Kompressibilität und Viskosität.

Scheinkräfte

Im einfachsten Anwendungsfall beschreibt die newtonsche Bewegungsgleichung F = m · a die Bewegung eines einzelnen Körpers in einem gegeben Kraftfeld. In dieser Gleichung steht a für die zweite Zeitableitung des Ortsvektors r(t) des Körpers; die Kraft F ist in der Regel orts-, wenn nicht auch noch zeitabhängig. Das volle mathematische Problem der newtonschen Mechanik lautet also, unter gegebenen Anfangsbedingungen r(0) und v(0) aus der vektoriellen Differentialgleichung :F(r(t)) = m · d2 r(t) / d t2 den zeitlichen Verlauf von r(t) zu bestimmen. Die mathematische Struktur dieser Gleichung ist so anspruchsvoll, dass selbst eine so einfach formulierte Aufgabe wie die Berechnung einer Planetenbahn im Feld einer mit 1 / r2 abnehmenden Zentralkraft im gymnasialen Schulunterricht in aller Regel unzugänglich bleibt. Nichtsdestoweniger sind Ergebnisse der newtonschen Mechanik längst in unser Alltagsdenken eingedrungen. Das wurde möglich, indem man an diese Ergebnisse eine eigene Begrifflichkeit geknüpft hat. Diese Begrifflichkeit besteht insbesondere aus einer ganzen Reihe von Scheinkräften, hinter denen sich partielle Lösungen oder Umformungen der newtonschen Gleichung verbergen. Beispiele für solche Scheinkräfte sind
- die Zentrifugalkraft, (Fliehkraft; siehe auch Zentripetalkraft);
- die Coriolis-Kraft;
- diverse Zwangskräfte in der technischen Mechanik. Ein Beispiel für einen anderen Begriff, der eine ganze Klasse von Kraftwirkungen zusammenfasst, ist das Drehmoment.

Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte, Auflagerkräfte

Um in der Technischen Mechanik technische Systeme (z. B. Tragwerke) einer Berechnung zugänglich zu machen, werden Bindungen zwischen den Körpern des Systems bzw. zwischen dem System und seiner Umwelt, die nur geringe Formänderungen zulassen, als starre Bindungen idealisiert. Solche starren Bindungen sind in der Regel Gelenke zwischen den Körpern oder Auflager. Damit geht der physikalische Charakter dieser Bindungen verloren, und die durch diese Bindungen bedingte mechanische Wechselwirkung der Körper wird durch die Zwangskräfte repräsentiert. Im Gegensatz dazu stehen die eingeprägten Kräfte, die – wie oben erläutert – ihre Ursache in physikalischen Gesetzen haben. Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte erfüllen zusammen die Gleichgewichtsbedingungen.

Weblinks


- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m06_hooke.htm Krafteinführung und Gesetz von Hooke]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m07_zus_zerl.htm Kraftaddition und Zerlegung] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mechanik ja:力 simple:Force (physics)

Schwerebeschleunigung

Die Schwerebeschleunigung (Erdbeschleunigung, Fallbeschleunigung) gibt an, wie schnell Gegenstände auf der Erde fallen. An der Erdoberfläche beträgt ihr Mittelwert g = 9,81 m/s², variiert aber wegen Zentrifugalkraft, Erdabplattung und Höhenprofil regional um einige Promille. Die Norm-Fallbeschleunigung ist definiert als 9,80665 m/s². Allgemein hängt die Schwerebeschleunigung von der Masse des Himmelskörpers ab. Die Formel v(t) = g · t gibt an, welche Fallgeschwindigkeit v ein Gegenstand im Vakuum nach der Fallzeit t erreicht. Sie erhöht sich theoretisch in jeder Sekunde um den Wert g. Ausserhalb des Vakuums verringert der Luftwiderstand je nach Körperform die Beschleunigung und führt zu einer maximalen Fallgeschwindigkeit (siehe auch Wurfparabel).

Probleme der Terminologie

Die Bezeichnungen Schwerebeschleunigung, Oberflächen- bzw. Fallbeschleunigung, Erdschwerebeschleunigung und neuerdings auch Ortsfaktor werden meist synonym eingesetzt. Gegen die im Internet meistverwendete "Erdbeschleunigung" wird eingewendet, dass sie auch jene Beschleunigung bedeuten kann, der die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterliegt. Missverständlich ist auch Erdanziehung und insbesondere Erdschwere. Unter ersterer versteht man meist eine Kraft (die sog. Schwerkraft), während "Erdschwere" zu schwammig ist. Generell sollte die Terminologie beachten, ob es sich um eine Kraft (F = m·g) oder um eine Beschleunigung (g) handelt, wobei die Masse m den Unterschied ausmacht.

Herleitung

Die Schwerebeschleunigung bestimmt die Kraft F, mit der ein Körper m von einem Himmelskörper angezogen wird: : F = m \cdot g Das Gleichsetzen der Trägheitskraft F mit der Newtonschen Gravitationskraft liefert die Erdbeschleunigung g: : g(r) = \frac Für die Werte der Erde:
- Erdmasse: M=5972 \cdot 10^\,\mathrm
- Erdradius: r=6371\,\mathrm (kugelförmig, ruhend) und mit der
- Gravitationskonstante: G=6674 \cdot 10^\, ergibt sich g = 9,82 m/s². Eine andere Methode beruht auf der Messung der Schwingungsdauer T eines Fadenpendels mit Fadenlänge L: :g = \frac Das sog. Sekundenpendel hat eine Länge von etwa 1m, doch ist eine solche Pendeluhr auf die geografische Breite zu eichen.

Einheiten

Die SI-Einheit der Schwerebeschleunigung ist m/s². Der Millionste Teil davon ist 1 ­µm/s², was etwa der durchschnittlichen Messgenauigkeit entspricht. Im alten CGS-Sytem heißt die Einheit Gal (nach Galileo Galilei oder γ, das in der Gravimetrie und Angewandten Geophysik oft in 1000 Milligal unterteilt wird: :1 Gal = 1γ = 1 cm/s² = 0,01 m/s² :1 mGal = 10-5 m/s² = 10 ­µm/s² (siehe unten). Geophysiker verwenden γ aber meist als Formelzeichen für die theoretische Schwere (unten als gN bezeichnet). Manchmal dient die Erdbeschleunigung g auch selbst als Einheit. Im Mittel der Erde gilt dann genähert : 1 g = 9,81 m/s² = 981 Gal = 981 000 mGal.

Ortsabhängigkeit der Erdbeschleunigung

Da die Erde keine Kugel, sondern annähernd ein Ellipsoid ist und zudem rotiert, hängt die Erdbeschleunigung von der geografischen Breite und zusätzlich von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Die Norm-Erdbeschleunigung ist definiert als die mittlere Erdbeschleunigung gN mit dem Wert:
- 9,80665 m/s² auf dem 45.Breitengrad in Meereshöhe.
- 9,780 m/s² am Äquator.
- 9,832 m/s² an den Polen. Pro Meter Höhe (h) nimmt g um rund 3 µm/s² ab, solange h klein gegen den Erdradius und das Gelände eben ist. Der theoretische Gradient einer völig glatten Erde wäre 3,086 µm/s². Weitere Abweichungen sind auf die Strukturen unterschiedlicher Dichte im Untergrund zurückzuführen. Aus der genauen Vermessung der Erdbeschleunigung kann man deshalb Rückschlüsse auf Strukturen in der Erdkruste sowie deren Veränderungen ziehen. Eine Formel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist die Schwereformel für das Geodätische Referenzsystem 1980 (GRS 80) in Meereshöhe: : g(\phi) =g_\mathrm\frac , wobei : g_\mathrm=97803267715\,\mathrm. die Schwerebeschleunigung am Äquator in Meereshöhe ist. Eine sehr gute (empfohlene) Schwereformel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist gegeben durch: : g(\phi)=g_\mathrm(1+c_1\sin^2\phi+c_2\sin^4\phi+c_3\sin^6\phi+c_4\sin^8\phi) , mit c1 = 0,005 279 0414 c2 = 0,000 023 2718 c3 = 0,000 000 1262 c4 = 0,000 000 0007. Diese Näherung ist auf etwa ±10 nm/s² genau. Eine oft erwähnte einfachere Formel mit etwa ±10 µm/s² Genauigkeit ist : g(\phi) =9780327\,\mathrm\,(1+0005\,3024\sin^2\phi+0000\,005\,8\sin^2(2\phi)) . Eine Korrektur für die Höhenabhängigkeit lautet: : g(\phi,h) =g(\phi)\cdot\left(1-k_1\left(1-k_2\sin^2\right) +k_3\left(\right)^2\right) mit : k_1=315704\cdot10^\,;\quad k_2=000666031\,;\quad k_3=737452\cdot10^ Diese Korrektur ist für fliegerische Höhen recht genau; für den Weltraum (über ca. 100 Kilometer) divergiert sie jedoch. Eine einfache Näherungsformel in Abhängigkeit der geografischen Breite φ und Höhe h lautet: :g = 9780327 \, (1 + 00053024 \, (\sin\varphi) ^ 2) \frac - 000000308 \, h \frac In Deutschland ist die ortsabhängige Erdbeschleunigung im Deutschen Hauptschwerenetz 1996 (DHSN96) festgehalten. Es ist neben dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem für den Ort und dem deutschen Haupthöhennetz für die Höhe die dritte Größe zur eindeutigen Festlegung eines geodätischen Bezugssystems. Das deutsche Schwerenetz stützt sich auf ca. 16.000 Meßpunkte, den Schwerefestpunkten (SFP) [http://www.lverma-mv.de/raum_festpunktfelder.htm].

Meßgenauigkeit

Ein modernes Gravimeter vermag die Erdbeschleunigung mit einer Genauigkeit von 0,01 µm/s² (0,001 mGal) zu vermessen. Man könnte damit eine Höhenverschiebung von weniger als einem Zentimeter registrieren. Schwankungen des Luftdrucks verursachen Änderungen in der gleichen Größenordnung. Wenn man aber Schweremessungen zur Rohstoff-Suche oder zur Bestimmung des Geoids verwendet, kann man sich mit 0,1 mGal begnügen. Denn die Unregelmäßigkeiten des Geländes können 30 mGal ausmachen und lassen sich wegen unsicherer Gesteinsdichte kaum genauer als auf 0,5 mGal oder 5 µm/s² berechnen. Bei Differenzmessungen (etwa zur Bestimmung unterirdischer Hohlräume) ist hingegen die 10-fache Messgenauigkeit sinnvoll. Der Einfluss der Gezeitenkräfte liegt bei 0,005 µm/s², am Meer mit großen bewegten Wassermassen bei 0,1 µm/s². Veränderungen des Grundwasserspiegels können die Meßwerte um 0,2 µm/s² beeinflussen. Aus der Beobachtung von Satellitenbahnen lassen sich Schwankungen des Erdschwerefeldes in der Größenordnung von 200 µm/s² erkennen; die modernste Gradiometrie kann auch noch wesentlich kleinere Bahnstörungen erfassen (siehe GRACE und GOCE).

Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung

GOCE In Bodennähe nimmt g um etwa 3,1 µm/s² pro Meter ab. Für größere Höhen wird die Abnahme von g(r) mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz abgeschätzt (siehe Diagramm). In niedrigen Satellitenhöhen von 300-400 km nimmt die Erdbeschleunigung um 10-15% ab, in 5000 km (Lasersatellit Lageos) ca. 70%. In großen Höhen wird sie keinesfalls Null, sonst würden hochfliegende Satelliten geradlinig davonfliegen. Ihre Besonderheit ist der fortgesetzte freie Fall, der ohne Luftwiderstand nie auf die Erdoberfläche aufschlägt, weil er einer Keplerellipse folgt.

Schwerebeschleunigung anderer Himmelskörper

Die Tabelle vergleicht die Schwerebeschleunigung der Erde mit den Himmelskörpern unseres Planetensystems in Einheiten von g: Zum Vergleich: Kurzzeitig überlebt ein Mensch 15 g, einige Minuten lang etwa 6 g, siehe G-Kraft.

Sprachgebrauch

Unter Erdschwerebeschleunigung oder allgemein Schwerebeschleunigung versteht man die Beschleunigung, die ein Gravimeter auf der Oberfläche eines Himmelskörpers misst (Gravimetrie). Die Zentrifugalkraft eines rotierenden Planeten ist in ihr enthalten. Hingegen bezieht sich die Gravitationsbeschleunigung auf die reine Massenanziehung. Im Umgangs-Sprachgebrauch bleiben die Unterschiede oft unberücksichtigt und müssen aus dem Zusammenhang erschlossen werden.

Siehe auch


- Beschleunigung
- Schweregradient
- Schwereanomalie
- Physikalische Konstanten
- Bezugssystem
- Erdgestalt
- Erdmessung

Weblinks

[http://www.bkg.bund.de/ Bundesamt für Kartographie und Geodäsie] Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie ja:重力加速度

Umgangssprache

Umgangssprache (Alltagssprache oder auch Gebrauchssprache) ist die im (all)täglichen Leben verwendete Sprache mit dem breitesten Kommunikationspotenzial. Sie folgt nicht immer den Regeln der normativ (oder präskriptiv) für allgemeinverbindlich erklärten formellen Schriftsprache bzw. normierten Standardsprache, die vor allem in Fachsprachen Verwendung findet oder in der hochstilisierten Form einer Hoch- und Bildungssprache. Man kann nicht sagen, dass die Umgangssprache dort, wo sie von den präskriptiven Regeln der hochsprachlichen Norm abweicht, falsch ist. Genau genommen stellt sie als Alltagssprache sogar deren eigentliche Grundlage dar; als solche folgt sie zunächst einmal ihren eigenen Regeln. Probleme ergeben sich allein daraus, dass sprachliche Fest-Legungen, wie sie in Gremien von Sprachwissenschaftlern vereinbart, für allgemein verbindlich erklärt und für beispielsweise den staatlich organisierten Unterricht in Schulen vorgeschrieben sowie dann auch in Nachschlagewerken wie z.B. dem Duden gehalten werden, die sprachlichen Regeln im Alltag nicht in ausreichendem Maße berücksichtigen können, zumal diese nicht immer sinnvoll sind und noch dazu dauernder Veränderung unterliegen. Von daher können Eindruck und Meinung aufkommen, Abweichungen der Umgangssprache von der hochsprachlichen Norm seien falsch oder zeugten von Sprachverfall. Umgangssprache ist nicht mit Mundart (Dialekt) bzw. Regiolekt gleichzusetzen. Mit Umgangssprache können zwei verschiedene Begriffe bezeichnet werden: # die Ausgleichsvarietät zwischen Dialekt und Standardsprache, ohne dass diese extreme Dialektismen aufweist. # die Sprachschicht, die für informellere, private Situationen benutzt wird, als es die auf formelle Sprachsitutationen beschränkte Hochsprache erlaubt.

Allgemeines

Die Abweichungen von der Hochsprache sind gering, so dass die Umgangssprache allgemein verständlich ist. Umgangssprache redet, wer wie Martin Luther „dem Volk aufs Maul schaut“. Eine Sprache wird in der Regel nicht von den Sprechern selbst als Umgangssprache bezeichnet. Umgangssprache unterscheidet sich in dieser Hinsicht von der gehobenen Sprache, von öffentlicher Rede, Drama, Gedicht, aber auch dem Lexikonartikel sowie der Zwischenschicht von populärer gehobener Umgangssprache (Essay, Zeitungsartikel, Rundfunk- oder Fernsehsprache (Fernsehdeutsch)). Genauso unterscheidet sich die Umgangssprache des Laien von der Fachsprache mit Spezialausdrücken (Termini der Medizinersprache, Technikersprache). Hier ist nicht die grammatikalische Konstruktion der Sprache, sondern ein ungenaues Benutzen der Fachausdrücke Kennzeichen des Umgangssprachlichen. (Siehe auch: Jargon). Insofern ist der Begriff Umgangssprache nicht wohldefiniert, sondern hängt vom Zusammenhang ab, in dem er gebraucht wird. Es handelt sich bei Diskrepanzen zwischen Fachsprache und Umgangssprache aber nicht durchwegs um Ungenauigkeiten oder Kontextabhängigkeiten. Es gibt unzweideutige, klar definierte Unterschiede zwischen Umgangssprache und Fachsprache, die in unterschiedlichen Werten zwischen bestimmten Berufsgruppenangehörigen und Lai