PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Mechanik starrer Körper Räumliche Bewegung: Beschleunigung: Gleichmässig beschleunigte Bewegung: Schiefer Wurf: at vt st v v0 a * t 1 a *t2 2 2 v * sin 2 0 g s s 0 v0 * t v02 * sin 2 xmax g x 2v * sin t max 0 v0 g y max Dynamik des Massenpunktes: Actio = Reactio F12 F21 Kraft, Gewichtskraft: Gleitreibungskraft: Haftreibungskraft: Federkraft: Impulserhaltungssatz: Kraft & Impuls: FG m * g F m*a FR G * FN FR H * FN FF D * y D * (l l 0 ) p F p p m*v t ptot pi 0 i Arbeit: Wirkungsgrad: W F * s F * s * cos sB Wauf W AB F * ds Wnutz sA m: Masse [m] = kg F: Kraft [F] = kgms-2 = N g: Fallbeschleunigung = 9.81 ms-2 G: Gleitreibungszahl H: Haftreibungszahl D: Federkonst. [D] = Nm-1 l0: entspannte Feder l: gespannte Feder p : Impuls [p] = kgms-1 = Ns ptot: Gesamtimp. im abgeschl. System W : Arbeit [W] = Nm = J = Ws WAB : verrichtete Arbeit von A nach B Wauf : aufgenommene Arbeit Wnutz: nutzbare, abgegebene Arbeit : Wirkungsgrad E W AB 1 kinetische & potentielle E k mv 2 E p mgh 2 Energie: 1 2 E der gespannten Feder: E F Dy 2 Energieerhaltungssatz: Etot Ei 0 E : Energie Leistung: P : Leistung Energie und Arbeit: i P W AB Fv t Elastischer & unelastischer Stoss: vollkomen v v1 v 2 unelastischer Stoss: v m1v1 m 2 v 2 m1 m 2 E Def Erstelldatum: 06.04.17 23:20 m1 m 2 (v1 v 2 ) 2 2 * (m1 m 2 ) s: Strecke; [s] = m v: Geschwindigkeit; [v] = ms-1 a: Beschleunigung [a] = ms-2 : Abschusswinkel [] = Grad [E] = Nm = J = Ws h: Höhe über gewähltem Bezugsniveau g muss konstant sein D: Federkonstante y: Längenänderung Etot: Ges.energie im abgeschl. System Ei : Teilenergie [P] = Js-1 = W (Watt) v1, v2 : Geschw. vor dem Stoss v'1 , v'2: Geschw. nach dem Stoss EDef : Deformationsenergie nach dem Stoss EDef = EKtot – EK'tot Seite 1 PHYSIK I & UC Formelsammlung: vollkommen elastischer Stoss: Der Rakentenantrieb: Beschleunigung: Geschwindigkeit: Gravitation: Gravitationskraft: minimale Abschussgeschw. Arbeit im Gravitationsfeld: (m1 m2 )v1 2m2 v 2 m1 m2 (m m1 )v 2 2m1v1 v 2 2 m1 m2 v1 EDef = 0 dv FSchub Fext dt m dv u aus dm a g dt m dt manf vend v anf u aus ln gt v mend FSchub Fext uaus dm/dt manf mend tv a G m1 * m2 r2 G m r v0 M 7.9km / s r 1 1 W * M * m W r1 r2 M v0 Zentrifugalkraft / Corioliskraft: Zentripetalkraft mv 2 FZ m 2 r p (wirkt nach innen) / r Zentrifugalkraft (aussen) Corioliskraft/ Coriolisbeschleunigung: Coriolisablenkung: FC 2mv Satz von Steiner: t t t s 2f r J A J S mr 2 Schwingungsdauer um das Trägheitsmoment: T Drehzahl /Drehwinkel: Drehimpuls: Kreisfrequenz der Präzession: Erstelldatum: 06.04.17 23:20 : Schubkraft : externe Kräfte = g = 9.81 ms-2 : FSchub/ (dm/dt) [uaus] = ms-1 : Verbrennungsgeschwindigkeit : Anfangsmasse der Rakete : Endmasse = Nutzlast : totale Verbrennungszeit : Gravitationskraft [G] = kgms-2 = N : Gravitationskonst. = 6.67 *10-11Nm2kg-2 : Massen der jewiligen Planeten/Körper : Abstand der Körper [r] = m : minimale Abschussgeschwindigkeit dass der Körper nicht auf die Erde zurückfällt : Arbeit bei der Bewegung im Schwerefeld : Masse des von r1 zu r2 bewegten Körpers m: Masse des Körper v : Geschw. des Körpers r: Radius der Kreisbahn : Winkelgeschw. des Körpers p : Impuls des Körpers [m] = kg [v] = ms-1 [r] = m [] = s-1 [p] = Ns a C 2v : Winkelgeschw. des Systems [] = s-1 1 s v * t 2 a C * t 2 s: örtliche Verschiebung des Auftreffens 2 Dynamik der Drehbewegung: Drehmoment: M l F J * Winkelbeschleunigung: Florian Berthoud, XB JA 1 f mgr L J * r p rmg rmg L J M : Drehmoment l : Hebelarm : Winkelbeschleunigung : Winkelgeschwindigkeit : Drehwinkel [M] [r] [] [] [] = Nm =m = s-2 = s-1 = rad =1 JS : Trägheitsmoment im Schwerpunkt [J] = kgm2 JA : Trägheitsmoment in einer verschobenenAchse r : Abstand der zueinander paralellen Achsen m : Masse des Körpers [m] = kg f : Frequenz [f] = Hz = s-1 L : Drehimpuls [L] = Nms : Winkelgeschw. der Präzession [] = s-1 r : Radius des drehenden Körpers [r] = m Seite 2 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Mechanik deformierbarer Körper: Dehnung: Spannungs-Dehnungskurve: Spannung bis A A: bis B B: bis C C: bis D O A B C Dehnung Hooksche Gesetz: Änderung der Querschnittsabmessung: relative Volumenänderung: l F l E A* E d l d l V 1 2 V [] [] [E] [A] [F] [] =1 = Nm-2 = Nm-2 = m2 =N =1 : Schubspannung : Scherungswinkel G : Scher- oder Schubmodul A : Fläche F : Kraft, paralell zur Fläche a : max. mögliche Auslenkung l : Länge des Körpers [] [] [G] [A] [F] [a] [l] = Nm-2 = rad = 1 = Nm-2 = m2 =N = m3kg-1 =m 2l * M Gr 4 M Gr 4 D 2l : Drillwinkel [] M : Drehmoment [M] G : Torsions- = Schubmodul [G] r : Radius des Zylinderquerschnittes l : Länge des Zylinders [l] = rad = 1 = Nm = Nm-2 V * p V p V 3 (1 2 ) V E p E = m2N-1 = Nm-2 = Nm-2 =1 G Schubmodul: G Torsion (Drillung): Drillwinkel: Richtmoment: Kompression (allseitiger Druck): relative Volumenänderung: Erstelldatum: 06.04.17 23:20 D: : Dehnung, rel. Längenänd. : Spannung E : Elastizitätsmodul A : Querschnittsfläche F : Kraft : Poisson-Zahl ( 0.2 bis 0.5) Scherung : maximale Auslenkung: D gilt das Hooksche Gesetz Proportionalitätsgrenze ist die Dehnung reversibel Elastizitätsgrenze bleibt eine Restdeformation übrig Fliessgrenze ohne mehr Spannung weitere Dehnung möglich Bruchgrenze / Zerreissgrenze F A E 2(l ) a max F *l3 3E * J A : Kompressibilität : hydrostatischer Druck : Elastizitätsmodul : Poisson-Zahl ( 0.2 bis 0.5) [] [p] [E] [] =m Seite 3 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Mechanik der Flüssigkeiten Kolbendruck: Auftriebskraft: F1 A1 d 12 F2 A2 d 22 p gh pG p S gh FA Vg m Fl g waagrecht rotierende Flüssigkeitssäule: y Schweredruck: Gesamtdruck: 2r 2 2g Austrittsgeschw. aus einer Flüssigkeitssäule: vi 2 ghi waagrechte Spritzweite: si 4 * hi H hi Oberflächenspannung: W F (spez. Oberflächenergie) A Abfallender Tropfen aus einem Zylinder: FG F F d FG gVT mT g Überdruck einer Blase: p Kapillarität: Kapillardruck: Steighöhe: reibungsfreie Strömungsgeschwindigkeit durch Röhren: Durchflussgleichung: Viskosität (Zähigkeit): 2l 2 r 2 h g rK 2 * cos h *g *r p V Avt A1v1 A2 v2 const. FR Av p : Druck in der Tiefe h [p] = Pa=Nm-2 p von 10 m Wassersäule 105 Pa = 1 bar pS : Stempeldruck der Erdlufthülle = 1.013 bar : Dichte der Flüssigkeit [] = kg m-3 h : Höhe der Flüssigkeitssäule [h] = m V : Volumen des Körpers in der Flüssigkeit mFL: Masse der verdrängten Flüssigkeitsmenge y : Steigung der Flüssigkeitssäule [y] = m : Winkelgeschwindigkeit [] = s-1 r : Radius der rotierenden Flüssigkeitssäule g : Fallbeschleunigung = 9.81 ms-2 hi : Tiefe des Lecks unter der Wasseroberfläche H : Gesamttiefe der Flüssigkeitssäule : Oberflächenspannung [] = Jm-2= Nm-1= kgs-2 l: Länge der Randlinie [y] = m W: Arbeit zur Oberflächenänderung A: Vergrösserung der Oberfläche F: nötige Kraft zur Oberflächenvergrösserung F FG d mT : haltende Kraft am Zylinder : Gewichtskraft des Tropfens : Aussendurchmesser des Zylinders : Masse des Tropfens p : Überdruck in der Blase r : Radius des Blase : dynamische Viskosität [] = Pa s-1 FR : innere Reibungskraft [FR] = N d : Abstand der verschobenen und der festen Begrenzungsflächen voneinander v : Relativgeschw. zwischen den Flächen A : Behrürungsfläche [A] = m2 laminare Strömung um eine Kugel: m * a FG FA FR FG : Gewichtskraft, FG = m*g Erstelldatum: 06.04.17 23:20 [p] = Pa [r] = m V : Volumen der durch den Querschnitt strömenden Flüssigkeit t : Zeitdauer der Strömung A : Querschnitt des Rohres an einer Stelle v : Geschwindigkeit im Rohr an einer Stelle d * 2A * v FR d FR 6 * * r * v 2 K Fl gr 2 9*v =N =N =m = kg h : kapillare Steighöhe [h] = m : Randwinkel, cos =rK/r [] = Grad r : Radius des Röhrchens [r] =m : Dichte der Flüssigkeit [] = kg m-3 rK : Radius der kugelförmigen Flüssigk.oberfläche Viskosität einer dünnen Platte: Stokessche Gesetz: [F] [F] [y] [m] FA k Fl r v : Auftriebskraft, FA = VFlg : Dichte der Kugel : Dichte der Flüssigkeit : Radius der Kugel : Sinkgeschw. der Kugel [FG] [FA] [] [] [r] [v] =N =N = kg m-3 = kg m-3 =m = m s-1 Seite 4 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Fortsetzung: Mechanik der Flüssigkeiten laminare Strömung durch ein Rohr (Zylinder): Gesetz von Hagen-Poiseuille: Reynoldssches Ähnlichkeitsgesetz: v(r ) p r 2 a2 4l * * p * t * r 4 V 8 * * l e *l *v Widerstand realer Strömungen: v 2 const. 2 2 p Ges p pGes p v FW cW A* *v 2 : Geschw. im Abstand a vom Rohrmittelachse : Druckunterschied zwischen den Rohrenden : Radius zum Abstand a der Rohrmittelachse : Innenradius des Rohres [r] =m : Länge des Rohres [l] =m : dynamische Viskosität [] = Pa s-1 t : Zeitdauer des Flusses [t] =s V : Volumen der durchströmenden Flüssigkeit Fl : Dichte der Flüssigkeit [] = kg m-3 v : Geschw. der Strömung [v] = m s-1 e : Reynoldszahl [e] = 1 ekrit. 2300, darunter ist die Strömung in einem Rohr laminar, darüber wird sie turbulent Zwei Strömungen sind einander ähnlich, wenn: 1. Die geometrischen Verhältnisse in beiden Fällen dieselben sind. 2. Ihre Reynolds-Zahlen übereinstimmen Druck in reibungsfreier Strömung: v p a r l pGes : Gesamtdruck [] = Pa p : statischer Druck [] = Pa : Dichte des Mediums [] = kg m-3 v : Geschwindigkeit des strömenden Mediums FW : Strömungswiderstand [FW] = N cW : Widerstandsbeiwert, abhängig von der Form des umströmten Körpers [cW] = 1 A: grösste der Strömung entgegenstehende Fläche 2 Mechanische Schwingungen Mathematisches Pendel: T 2 (punktförmige Masse an masselosem Faden, Auslenkung klein), sonst T 2 Physikalisches Pendel: l m T : Schwingungsdauer = 1/f 2 l : Pendellänge g D g : Fallbeschleunigung [T] = s [l] = m = 9.81 ms-2 JA : Trägheitsmoment [J] = kgm2 m : Masse des pendelnden Körpers [m] = kg s : Abstand Drehpunkt Schwerpunkt im Körper JA mgs 2 Gedämpfte Schwingung: y 2y 0 y 0 y A0 0 t 2 2 veränderte Kreisfrequenz: 0 Elongation zur Zeit t: Amplitude einer erzwungenen Schwingung: Gekoppelte Schwingung: bei schwacher Kopplung Erstelldatum: 06.04.17 23:20 y A0 * e t sin t A() 02 2 2 * tan 2 0 2 T 2 1 2 : Elongation zur Zeit t [y] = m : Anfangsamplitude [A0] = m : Dämpfungskoeffizient = r / 2m [] = s-1 : Kreisfrequenz am Anfang [] = rad : Kreisfrequenz der gedämpften Schwingung : Zeit [t] = s 2 0 2 2 2 A 0 : Amplitude der Schwingung : Eigenfrequenz 0=f/m : Kreisfrequenz der gedämpften S. : Erregeramplitude : Dämpfungskoeffizient = r / 2m : Phasenverschiebung T : Schwingungsdauer 1 : Kreisfrewuenz der einen Schwingung 2 : Kreisfrewuenz der einen Schwingung Seite 5 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Mechanische Wellen, Schall Longitudinalwellen (Längswellen): Verdichtungen und Verdünnungen wechseln einander ab. Transversalwellen (Querwellen) : Wellenberge und Wellentäler wechseln einander ab c : Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle Ausbreitungsgeschwin[c] = m s-1 digkeit einer Welle: c* f : Wellenlänge [] = m 2 k Wellenzahl: f : Frequenz [f] = Hz =s-1 c k : Wellenzahl [] = m-1 Geschwindigkeit einer F c Seilwelle (Querwelle): F : Spannkraft des Seiles, Saite... [F] = N *A A : Querschnitt des Seiles, Saite... [A] = m2 Geschwindigkeit einer E : Dichte [] = kg m-3 c Längswelle imFestkörper: E : Elastizitätsmodul [E] = Pa erlaubte Schwingungsfrequenzen: Wellengleichung: Intensität & Energiedichte einer Welle: n 2 2 y 2 y v 0 x 2 t 2 c 2 yˆ 2 I w*c 2 Schallgeschwindigkeit in c Flüssigkeiten: Schallgeschwindigkeit in Gasen: F n : Anzahl Schwingungsknoten [n] = 1 n : mögliche Obertöne mit n > 1 [n] = Hz =s-1 p * A v : Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines Buckels cn n 2l 2l c 1 p RT M : Adiabatenzahl: Schallpegel (Dezibel): L P 10 * lg Lautstärke (Phon): L S k v * lg Doppler-Effekt: Vereinfachung, falls vE << c und vS << c Machscher Kegel bei Überschall: Erstelldatum: 06.04.17 23:20 J J0 J J0 c vE c vS v f E f S 1 c c 1 sin 2 v M fE fS y : Elongation I : Intensität w : Energiedichte : Kreisfrequenz ý : Amplitude [y] [I] [w] [] [ý] =m = W m-2 = J m-3 = rad =m c : Schallgeschwindigkeit [c] = m s-1 : Kompressibilität, = 1 / K [] = Pa-1 : Dichte [] = kg m-3 p : Gasdruck [p] = Pa M : Molmasse des Gases [M] =kgmol-1 R : universelle Gaskonstante = 8.31 JK-1mol-1 - für 1-atomige Gase (He,Ne ...) - für 2-atomige Gase (N2,O2,Luft ...) - für mehratomige Gase (NH3,CH4 ...) = 5/3 = 7/5 = 8/6 LP: Schallpegel [LP] = dB J : Schallintensität, J = P/A [J] = W m-2 -12 J0 : Bezugsschallintensität, J0 = 10 W m-2 k : Koeffizient zur Anpassung, bei 1 kHz = 10 LS: (physiologische) Lautstärke [LS] = Phon fS : vom Sender abgestrahlte Frequenz fE : vom Empfänger aufgenommene Frequenz c : Schallgeschwindigkeit vS : Geschwindigkeit des Senders vE : Geschwindigkeit des Empfängers : Öffnungswinkeldes Machschen Kegels v : Geschwindigkeit des Körpers M : Mach-Zahl, Mach 2 = doppelte Schallgeschw. Seite 6 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Das ideale Gasgeset z: Isotherme: (T und n = const.) Isobar: (p und n = const.) Isochor: (V und n = const.) Teilchenzahl: (p und T = const.) p *V n * R * T p Druck p1 * V1 p 2 * V2 V n T R Cv c V1 T1 V2 T2 p1 T1 p 2 T2 V1 n1 V2 n 2 Das chemische Potential B: V R *T n p nRT p cRT V G xJ * J Adiabatengleichungen: pV const. Vm Das molare Volumen: Druck und Konzentration: TV 1 const. T const. p 1 Die Ent halpie H: Änderung des Volumes: Änderung der Temperatur: Die Entropie S: isochore Erwärmung: isobare Erwärmung: isotherme Volumenänderung: Die Gibbsenergie G: Florian Berthoud, XB gasförmiges Volumen Stoffmenge Temperatur universelle Gaskonstante Molare Wärmekapazität Konzentration = c * 10-3 für mol / l [p] [V] [n] [T] R [Cv] [c] = Pa = 105 bar = m³ = 1000 l = mol = 6.022*1023 = Kelvin = 8.31 JK-1mol-1 = JK-1mol-1 = m3 mol-1 Bei Standardbedingungen p° = 105 Pa, TR = 298 K: Vm 0.025 m³ 25 dm³ : chemisches Potential G: Standard-Gibbsenergie xJ: Molenbruch [] = J mol-1 [G] = J mol-1 xJ = nJ / nJ in einatomigen idealen Gasen: CV = 3/2 R, = 5/3 = Cp / CV Cp = CV + R H=U+p*V H = p * V H(T2) = H(T1) + Cp * (T2 - T1) Endotherm: Exotherm: H > 0 -T H < 0 +T S = Q / T bei reversiblen Prozessen isotherme Mischung: Smix = -R*(n1 ln x1 + n2 ln x2) S = Cv * ln T2/ T1 Phasenübergang: S = H / T S = Cp * ln T2/ T1 Q Q S = n*R* ln V2/ V1 irreversible Proz.: S irreversibel reversibel T T G GPr odukte GEdukte H T * S G < 0: Die Reaktion läuft spontan von links nach rechts Druckabhängigkeit: G n * R *T * ln( p2 / p1) G = 0: Die Reaktion ist im stabilen Gleichgewicht Temperaturabhängigkeit: G(T2 ) G(T1 ) S * (T2 T1 ) G > 0: Die Reaktion läuft spontan von rechts nach links Temp.& Druck G S ( p1 ) * (T2 T1 ) V (T2 ) * ( p2 p1 ) Gleichgew ichtskonstante K: K e G R*T ln K G R *T Phasenübergänge: fest / flüssig: H B T p p * VB T flüssig / gas: ln p(T2 ) H 1 1 * p R T2 T Gesetz von Henry: p i p K i x i Dampfdruck von Flüssigkeiten: G fl und damit Osmotischer Druck: S H / T p p RTc i Siedepunkterhöhung durch gelösten Stoff: Erstelldatum: 06.04.17 23:20 Temperaturabhängigkeit: ln K (T2 ) ln K (T1 ) H 1 1 R T2 Druckabhängigkeit: p°: HB°: T: T°: VB°: : S: Ki: : ci: T`: xi: Standardruck für den T° bekannt ist molare Schmelz-/ Verdampfungsenthalpie Schmelz-/ Verdampfungspunkttemp. bei p Schmelz-/ Verdampfungspunkttemp. bei p° molare Volumenänderung von B chemisches Potential molare Verdampfungsentropie Henry-Konstante osmotischer Druck Konzentration des gelösten Stoffes Siedetemp. des reinen Lösungsmittels Molenbruch des gelösten Stoffes (T ) 2 R T xi H B T1 K ist nicht druckabhängig x2 [p°] [H] [T] [T°] [V] [] [S] [K] [] [ci] [T`] [x2] n2 n Lösemittel n2 = Pa = J mol-1 =K =K = m³ mol-1 = J mol-1 = J mol-1K-1 =1 = Pa = mol m-3 =K = n2 / n HT T 2 R Seite 7 PHYSIK I & UC Formelsammlung: Florian Berthoud, XB Gleichgewicht: c d C * D Q Aa * Bb Rea ktio n sq uo t ie nt Q : Gleichung: a*A + b*B c*C + d*D a,b,c,d = stöch. Koeffizienten Die Gle ic hg ew i cht s ko n st a nt e : K > 1: Das Gleichgewicht liegt rechts 0 < K < 1: Das Gleichgewicht liegt links K QGG aB B * cB c Die Io ne n st är ke: I ½* ci * z i2 c A kt iv itä t v o n G a s en : p aB B p Gleichgewichtskonstante: K pCc * p Dd a A p *p b B Q < K: Reaktion läuft spontan nach rechts Q > K: Reaktion läuft spontan nach links Q = K: Die Reaktion ist im Gleichgewicht a Cc * a Dd a Aa * a Bb Vereinfachung des Logartrithmenschreibweise: Multiplikation der Reaktionsgleichung mit einem Faktor f: Umkehrung der Reaktionsgleichung: Addition zweier Reaktionsgleichungen: Die A ktiv it ä t : [K] = 1, [Q] = 1, [a] = 1, [I] = 1 ax = Aktivitäten der Spezies pK = lg K Kneu = Kf Kneu = K-1 Kneu = K1 + K2 pKneu = f *pK pKneu = - pK pKneu = pK1 + pK2 B = Aktivitätskoeffizient von B [B] = 1 cB = Stoffmengenkonzentration von B [cB] = molB / dm³sln c° = Standardstoffmengenkonzentration c° = 1 mol / dm3 Es gilt vereinfacht für die Aktivitäten: Von Flüssigkeiten, Feststoffen, Lösemitteln: aB = 1 Von gelösten Spezies (bei Ionen kritisch): aB = cB(aq) p° = Standarddruck = 1 bar = 105 Pa = 105 N/m² = 105 kg/ms2 pB = Partialdruck = xB * pGesamtdruck Kreisprozesse: Einem zyklischen Prozess kann nicht mehr Arbeit abgegeben als Wärme aufgenommen werden. isotherm: isochor: isobar: adiabatisch: isotherm / adiabatisch: W = - n*R*T*ln (V1 / V2) W = 0 W = p * V = - n*R*(T2 – T1) W = 0 Wges = Qges = -nRT(T- T)*ln (V2 / V1) < 0 Q = - W Q = Cv (T2 – T1) Q = U + p*V = H = Cp (T2 – T1) Q = 0 T = höhere Temp. Dynamik des Massenpunktes: Kraft: Arbeit: Energie: Leistung: F W E P = ma =F*s = WAB = WAB / t Wirkungsgrad: thermisch: Q12 Q34 Q12 Erstelldatum: 06.04.17 23:20 FG = mg W = c * m * Ep = mgh Ek = ½mv2 P = F*v wobei Q12 bei der höheren Temp. [F] [W] [W] [P] = Newton = Joule = Joule = Watt im Gas: 1 = kgms-2 = Nm = Ws = Nm = Ws = Js-1 T Abwärme T TBetrieb T Seite 8