Das physikalische Rüstzeug des Ingenieurs
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Das physikalische Rüstzeug des Ingenieurs Dr.-Ing. habil., Dr. rer. techn. WERNER ZELLER Dr.-Ing. und ALEXANDER FRANKE apl. Prof. Universität Stuttgart Beratender Ingenieur Studienprofessor 10., neubearbeitete Auflage Mit 527 Bildern und 248 Aufgaben l VEB FACHBUCHVERLAG L E I P Z I G INHALTSVERZEICHNIS Seite 0. Vorbemerkungen 15 0.1. Größen und Einheiten 0.1.1. Physikalische Größen 0.1.2. Größen- und Zahlenwertgleichungen 0.1.3. Grundgrößen, Dimensionen und Einheitensysteme 0.1.4. Die Einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI-Einheiten) 0.1.5. Bemerkungen zu den Einheiten 0.1.6. Zusammenstellung von Einheiten 15 15 18 20 23 37 39 0.2. Vektoren als physikalisches Darstellungshilfsmittel 0.3. Komplexe Zahlen als physikalisches Darstellungshilfsmittel 0.4. Winkel als physikalische Größen 45 50 51 1. Mechanik ... 1.1. Bewegungen 1.1.1. Grundbegriffe 1.1.2. Bewegung mit gleichbleibender Geschwindigkeit in der Bahn 1.1.3. Bewegung mit gleichbleibender Beschleunigung in der Bahn 1.1.4. Bewegung mit nicht gleichbleibender Beschleunigung in der Bahn 1.1.5. Bewegung auf gekrümmter Bahn 1.1.6. Kreisbewegung 1.1.7. Zusammengesetzte Bewegungen 1.1.8. Relativbewegungen 55 55 55 56 57 61 63 65 70 74 1.2. Dynamisches Grundgesetz 1.2.1. Formulierung und Erklärung 1.2.2. Gewicht und Masse 1.2.3. Krafteinheiten und ihre Zusammenhänge 1.2.4. Wichte und Dichte 1.2.5. Impulssatz 1.2.6. Zentraler Stoß 1.2.7. Raketenantrieb 1.2.8. Kräfte bei Drehbewegungen 1.2.9. Mechanische Momente 1.2.10. Der symmetrische Kreisel 81 81 84 86 87 92 95 102 107 114 126 1.3. Energie *. 1.3.1. Arbeit 1.3.2. Potentielle und kinetische Energie 1.3.3. Energiesatz 1.3.4. Leistung 1.3.5. Wirkungsgrad 130 130 132 133 135 136 8 Inhaltsverzeichnis Seite 1.3.6. Trockene Reibung und Laufwiderstand 1.3.6.1. Haftreibung > 1.3.6.2. Radantrieb 1.3.6.3. Trockene Gleitreibung 1.3.6.4. Rollwiderstand und Laufwiderstand 1.3.7. Gravitation 1.3.7.1. Weltsysteme und Planetengesetze 1.3.7.2. Gravitationsgesetz 1.3.7.3. Gravitationsfeld und potentielle Energie 1.3.7.4. Geschwindigkeit von Körpern im Gravitationsfeld 1.3.7.5. Bahnen von Körpern im Gravitationsfeld v 1.4. Statisches Grundgesetz 1.4.1. Formulierung und Erklärung 1.4.2. Zusammensetzen und Zerlegen von Kräften . . / 1.4.3. Gleichgewichtsbedingungen und Gleichgewichtsarten 1.4.4. Prinzip der virtuellen Arbeit 1.4.5. Prinzip von D'ALEMBERT 1.4.6. Mechanische Übersetzungen (einfache Maschinen) 1.4.7. Massenmittelpunkt (Schwerpunkt) 1.4.8. Einige Grundlagen der Festigkeitslehre 139 139 140 143 144 149 149 153 158 160 163 175 175 175 178 181 183 185 200 211 1.5. Der mechanische Schwinger 217 1.5.1. Schwingungstechnische Grundbegriffe 218 1.5.2. Eigenschwingungen des einfachen Schwingers 221 1.5.2.1. Der geradlinige Schwinger 221 1.5.2.2. Der Drehschwinger 226 1.5.3. Erzwungene Schwingungen des einfachen Schwingers bei Fliehkrafterregung . 230 1.5.4. Komplexe Behandlung erzwungener Schwingungen des einfachen Schwingers . 235 1.5.5. Schwingungsübertragung 237 1.5.6. Schwebungen 241 1.6. Mechanik der flüssigen und gasförmigen Körper 1.6.1. Ruhende Flüssigkeiten (Hydrostatik) 1.6.1.1. Druck in offenen Flüssigkeiten (hydrostatischer Druck) 1.6.1.2. Druck in eingeschlossenen Flüssigkeiten 1.6.2. Bewegte Flüssigkeiten (Hydrodynamik) 1.6.2.1. Das Ausflußgesetz 1.6.2.2. Das Durchflußgesetz (Kontinuitätsgesetz) 1.6.2.3. Der Druck in strömenden Flüssigkeiten 1.6.3. Luftdruck 1.6.4. Wasserräder und -turbinen 1.6.5. Wasser- und Luftpumpen 1.6.5.1. Heber und Wasserpumpen 1.6.5.2. Luftpumpen 1.6.6. Innere Reibung und Widerstand des Mittels 1.6.6.1. Innere Reibung bei Flüssigkeiten und Gasen (Viskosität) 1.6.6.2. Schmiermittelreibung 1.6.6.3. Widerstand des Mittels (z. B. Luft, Wasser) 1.6.7. Oberflächenspannung und Kapillarität 1.6.8. Diffusion und Absorption 243 243 243 247 251 251 252 253 257 260 263 263 264 266 266 267 267 272 275 Inhaltsverzeichnis 9 Seite 1.6.9. Grundlagen des Fluges 1.6.9.1. Auftrieb und Widerstand 1.6.9.2. Einfluß der Kompressibilität der Luft 1.6.9.3. Plugzeugantriebe 2. Allgemeine Wellenlehre und Akustik 277 277 282 286 . 289 2.1. Portschreitende Wellen 2.1.1. Die Hauptwellenarten 2.1.2. Zusammenhang zwischen Schwingungen und Wellen 2.1.3. Das Wellenfeld 2.1.4. Ausbreitungsgeschwindigkeit und Energie einer Welle 289 289 291 292 294 2.2. Interferenz 2.2.1. Gleichlauf von Wellen 2.2.2. Gegenlauf von Wellen; stehende Wellen 297 297 298 2.3. Verhalten von Wellen an Hindernissen 300 2.3.1. Reflexion . . . 301 2.3.2. Brechung 302 2.3.3. Beugung 304 2.4. Anwendung der komplexen Schreibweise auf einige Wellenvorgänge 305 2.4.1. Ebene Welle 305 2.4.2. Kugelwelle 305 2.4.3. Akustische Widerstände (Impedanzen) 306 2.5. Relativbewegung zwischen Wellensender und Beobachter (akustischer DoppierEffekt) 307 2.5.1. Bewegter Beobachter, ruhender Wellensender 307 2.5.2. Ruhender Beobachter, bewegter Wellensender 308 2.5.3. Bewegter Beobachter, bewegter Wellensender . 308 2.6. Akustik 310 2.6.1. Schalltechnische Grundlagen 310 2.6.1.1. Tonhöhe . . . 311 2.6.1.2. Schallintensität, Schallpegel 312 2.6.1.3. Klangfarbe 317 2.6.2. Anwendungen 318 2.6.2.1. Baulicher Schallschutz 318 2.6.2.2. Akustik großer Räume (Raumakustik) 321 2.6.2.3. Schallausbreitung im freien Raum und in abgegrenzten Räumen . . . 324 2.6.3. Ultraschall 327 3. Wärmelehre 329 3.1. Grundbegriffe der Wärmelehre 3.1.1. Temperatur 3.1.2. Wärmemenge 3.1.3. Atomwärme, Molwärme 329 329 332 336 3.2. Wärmeausdehnung bei festen und flüssigen Stoffen 3.2.1. Lineare Wärmeausdehnung 3.2.2. Räumliche Wärmeausdehnung, Ausnahmestellung des Wassers 340 340 343 10 Inhaltsverzeichnis Seite 3.3. Verhalten der Gase bei Temperaturänderungen 3.3.1. Das allgemeine Gasgesetz 3.3.2. Kinetische Gastheorie 3.3.3. Der erste Hauptsatz 3.3.4. Zustandsänderungen bei idealen Gasen 3.3.5. Reversible und irreversible Vorgänge 3.3.6. Der Carnotsche Kreisprozeß 3.3.7. Wärmepumpe 3.3.8. Der zweite Hauptsatz 3.3.9. Die Entropie 345 345 353 359 367 377 378 385 387 388 3.4. Vorgänge bei Aggregatzustandsänderungen 3.4.1. Schmelzpunkt 3.4.2. Siedepunkt 3.4.3. Gefrierpunktserniedrigung, Siedepunktserhöhung, pH-Weit 3.4.4. Dämpfe 3.4.5. Luftfeuchtigkeit 395 395 397 398 399 402 3.5. Wärmeübertragung 3.5.1. Wärmeleitung 3.5.2. Wärmemitführung 3.5.3. Wärmestrahlung 404 404 407 408 3.6. Wärmekraftmaschinen 3.6.1. Dampfmaschinen 3.6.2. Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) 3.6.3. Der Wirkungsgrad bei Wärmekraftmaschinen 411 411 412 413 4. Optik 415 4.1. Geometrische Optik 4.1.1. Reflexion (Rückwurf) 4.1.1.1. Reflexion an ebenen Flächen 4.1.1.2. Reflexion an Kugelflächen 4.1.2. Brechung 4.1.2.1. Das Brechungsgesetz 4.1.2.2. Totale Reflexion 4.1.2.3. Brechung am Prisma 4.1.2.4. Brechung an Kugelflächen 416 416 416 418 424 424 426 427 429 4.2. Linsen und ihre Verwendung in optischen Geräten 4.2.1. Abbildungsgesetze 4.2.2. Zusammensetzung zweier Linsen . 4.2.3. Abbildungsfehler 4.2.4. Optische Geräte 4.2.4.1. Das Auge . 4.2.4.2. Vergrößerung durch optische Geräte 4.2.4.3. Lupe 4.2.4.4. Photographenapparat 4.2.4.5. Projektionsapparat ; 4.2.4.6. Astronomisches Fernrohr (KEPLER) 4.2.4.7. Terrestrisches Fernrohr und Prismenfemrohr 434 434 438 440 441 441 444 444 446 448 448 449 Inhaltsverzeichnis 11 Seite 4.2.4.8. Galileisches Fernrohr 4.2.4.9. Fernrohre mit beweglicher Einstellinse 4.2.4.10. Mikroskop 450 451 451 4.3. Wellenoptik 4.3.1. Dispersion (Farbzerlegung) 4.3.2. Interferenz 4.3.3. Beugung 4.3.4. Polarisation 4.3.5. Strahlung 455 455 456 458 459 462 4.4. Grundlagen der Beleuchtungstechnik 4.4.1. Lichttechnische Größen und Einheiten 4.4.1.1. Beurteilung der Lichtempfindung 4.4.1.2. Lichtstrom, Lichtstärke 4.4.1.3. Leuchtdichte 4.4.1.4. Beleuchtungsstärke . . . . " . 4.4.1.5. Lichtausbeute und Lichtwirkungsgrad 4.4.2. Messung der Lichtstärke 4.4.3. Raumbeleuchtung 4.4.4. Lichtquellen 463 463 463 465 466 469 470 470 471 472 5. ElektrizMätslehre 5.1. Grundgesetze der Elektrotechnik 5.1.1. Das Wesen des elektrischen Stromes 5.1.2. Ladung, Spannung 5.1.3. Strom, Stromstärke 5.1.4. Ohmsches Gesetz 5.1.5. Widerstand 5.1.6. Kirchhoffsche Gesetze, Schaltung von Widerständen 5.1.7. Leistung und Arbeit 5.2. Wärme, Licht und chemische Zersetzung als Wirkungen des elektrischen Stromes 5.2.1. Wärme und Licht 5.2.2. Elektrochemische Vorgänge 5.2.2.1. Galvanische Elemente, Akkumulatoren 5.2.2.2. Schaltung von Elementen und anderen Stromquellen 5.2.2.3. Elektrolyse 5.3. Das elektrische Feld 5.3.1. Kräfte im Feld 5.3.2. Kondensatoren 5.3.3. Influenz; elektrische Flußdichte (Verschiebung) 5.3.4. Energie im elektrischen Feld 5.3.5. Bestimmung der Ladung eines Elektrons nach MH-LIKAN 477 477 477 478 482 483 484 486 490 . 494 494 497 497 500 504 510 510 515 520 524 525 5.4. Das magnetische Feld 529 5.4.1. Grundbegriffe; magnetische Feldstärke 529 5.4.2. Magnetfeld der langen Zylinderspule 532 5.4.3. Wirkung von elektrischen Strömen auf Magnete; Laplacescher Ansatz, Gesetz von BIOT-SAVART 534 12 Inhaltsverzeichnis Seite 5.4.4. Magnetische Spannung 5.4.5. Zusammenhänge zwischen Einheiten älterer und neuerer Definition 5.4.6. Induktion 5.4.7. Wirkung von Magneten auf elektrische Ströme 5.4.8. Geomagnetische Effekte 5.4.9. Magnetische Eigenschaften der Stoffe 5.4.10. Erdmagnetismus und dessen Messung 5.4.11. Praktische Anwendungen des Elektromagneten 538 541 545 548 554 556 561 562 5.5. Grundgesetze des Wechselstromes 5.5.1. Entstehen eines Wechselstromes und seine Kennzeichen 5.5.2. Selbstinduktion und Wirbelströme 5.5.3. Der Widerstand im Wechselstromkreis 5.5.4. Energie im Magnetfeld 565 565 568 570 572 5.6. Elektrische Maschinen 5.6.1. Generatoren (Dynamomaschinen) 5.6.1.1. Wechselstromgeneratoren 5.6.1.2. Drehstromgeneratoren 5.6.1.3. Gleichstromgeneratoren 5.6.2. Motoren 5.6.2.1. Wechsel- und Gleichstrommotoren 5.6.2.2. Drehstrommotoren 5.6.3. Transformatoren und Umformer 5.6.4. Magnetische Verstärker 574 574 574 575 576 578 578 580 581 584 5.7. Messung von Stromstärke und Spannung 5.7.1. Meßgeräte 5.7.2. Anwendung der Geräte als Amperemeter und Voltmeter 5.7.3. Oszillographen 585 585 586 588 5.8. Elektrische Leitung in Gasen 5.8.1. Gasentladungen 5.8.2. Die Luft als Leiter 5.8.3. Leitung in Gasen bei verringertem Druck (Glimmentladung) 5.8.4. Kathodenstrahlen 5.8.5. Kanalstrahlen 5.8.6. Elektronenröhren 5.8.7. Elektronenmikroskop : 5.8.8. Lichtelektrischer Effekt (Photbeffekt) 5.8.9. Röntgenstrahlen 590 590 591 594 595 600 601 607 611 614 5.9. Elektromagnetische Wellen 5.9.1. Der elektrische Schwingkreis 5.9.2. Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 5.9.3. Rundfunksender 5.9.4. Empfang elektromagnetischer Wellen; Rundfunkempfänger 5.9.5. Fernsehen 618 618 620 623 626 628 5.10. Halbleiter 5.10.1. Physikalische Grundlagen 5.10.2. Halbleiterdioden 5.10.3. Transistoren 5.10.4. Spezialtypen von Dioden und Transistoren 631 631 633 633 635 Inhaltsverzeichnis 13 Seite 6. Aufbau der Materie 6.1. Grundbegriffe 6.2. Zur Entwicklung des Atombegriffs 6.3. Die Versuche L E N A R D S und R U T H E B I ' O B D S 637 637 640 643 6.4. Das Spektrum des Wasserstoffs 647 6.5. Das Bohrsche Atommodell 650 6.5.1. Quantenbedingungen für die erlaubten Bahnen 652 6.5.2. Quantenbedingungen bei kreisförmigem Umlauf 653 6.5.3. Quantenbedingungen bei nicht kreisförmigem Umlauf 654 6.5.4. Quantenbedingungen durch äußere Felder 655 6.6. Das Modell des Wasserstoffatoms 658 6.7. Die Anregung der Atome 664 6.8. Die Erzeugung von Spektrallinien 666 6.9. Optische Spektren 670 6.10. Röntgenspektren 674 6.11. Die Quantenzahlen des Elektrons 679 6.12. Pauli-Prinzip (Ausschließungsprinzip) 683 6.13. Periodensystem der Elemente 685 6.14. Allgemeine Bemerkungen zum Atomkern 698 6.15. Bindungsenergie 702 6.16. Isotope 704 6.17. Radioaktivität; künstliche Kernumwandlung 707 6.18. Kosmische Strahlung ; 712 6.19. Atomenergie . . .• 714 6.20. Einige wichtige Geräte: Nebelkammer, Zählrohr, Beschleuniger für atomare Teilchen 716 6.21. Maser 723 6.21.1. Grundlagen des Maser-Prozesses 723 6.21.2. Praktische Maser-Ausführungen und Anwendungen 723 Sachwortverzeichnis 727 Literaturverzeichnis 759
