Einführung in die klassische Physik

Die klassische Mechanik wird als Grundlage der Physik betrachtet. Die systematischen Untersuchungen der Bewegung einfacher Körper durch Galilei markieren den Beginn der modernen Physik. Darauf baute Newton mit der Formulierung seiner drei Gesetze auf. Dies ermöglichte Vorhersagen von Bewegungsabläufen, und damit war die Basis geschaffen für den Aufschwung der neuzeitlichen Physik. Die Mechanik wird unterteilt in Kinematik (Beschreibung von Bewegung ohne Berücksichtigung von Kräften) und Dynamik (Beschreibung von Kräften bei Bewegungen). Das Verständnis der Bewegungsgrößen Geschwindigkeit und Beschleunigung in Raum und Zeit ist das Lernziel der Kinematik. Die newtonschen Gesetze und die Deutung der Keplerschen Gesetze durch das Gravitationsgesetz von Newton sind grundlegend für das Verständnis aller mechanischer Vorgänge. Mithilfe des Energiekonzeptes ist es in einigen Fällen möglich, Bewegungen zu beschreiben, ohne auf Kräfte Bezug zu nehmen. Die Erfahrung zeigt, dass bestimmte Größen in der Mechanik erhalten bleiben. Dies sind Energie, Impuls, und Drehimpuls.

Mit dem Wort Elektrizität verbindet man viele praktische Dinge, die aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Jeder kennt Computer, elektrisches Licht, elektrische Energie, viele Formen von elektrischen Motoren usw. Sogar das sichtbare Licht ist mit Elektrizität verknüpft. Es begann mit dem Studium der Anziehung von geladenen Stoffen in der Antike. In neuerer Zeit wurde die Verbindung zum Magnetismus entdeckt. In der Elektrizität gibt es eine neue Form von Wechselwirkung, nämlich die Anziehung bzw. Abstoßung von elektrischen Ladungen. Dieser Effekt und die Deutung von Phänomenen mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern stehen im Mittelpunkt des Kapitels.

In diesem Kapitel geht es um die Beschreibung von optischen Phänomenen, also um Effekte, die mit unserer Sinnesempfindung in den Augen zusammenhängt. Das, was uns diese optische Information liefert, also das Licht, wollen wir als Quelle voraussetzen. Die Details, was Licht ist, spielt für die Erklärung und Gesetze der geometrischen Optik keine Rolle.

Die beiden zentralen Größen in der Wärmelehre (bzw. fachlich Thermodynamik) sind Temperatur und Wärme. Einen zugefrorenen See betrachten wir als kalt, er hat eine tiefe Temperatur, eine glühende Herdplatte ist heiß, sie hat eine hohe Temperatur. Vor langer Zeit verstand man Wärme ganz anders als heute. Man hat sie mit dem Fließen eines besonderen Stoffs verknüpft, dies hat sich inzwischen als falsch herausgestellt.

Schwingungen und Wellen sind uns aus dem Alltag geläufig. Alle kennen das Schwingen des Pendels einer alten Standuhr. Wenn die Stoßdämpfer des Autos schon etwas älter sind, schwingt das Fahrzeug etwas nach beim Durchfahren einer Unebenheit. Mithilfe unserer Halsorgane erzeugen wir ständig Schallwellen, und wir kennen auch die Wellen des Wassers, wenn ein Stein in einen ruhenden Teich geworfen wird. Dieses Thema eignet sich besonders, Phänomene aus verschiedenen Teilgebieten der Physik (hier beispielhaft für Mechanik und Elektrizitätslehre) mit einheitlichen mathematischen Mitteln zu beschreiben.

In diesem Kapitel lernen Sie grundlegende Größen der Kontinuumsmechanik kennen. Die Dichte der Teilchen (z. B. in Luft oder Wasser) ist bei Normalbedingungen (auf der Erdoberfläche) so groß, dass über viele Teilchen gemittelt werden kann, und diese sehr kleinen Volumen nennen wir dann Fluidteilchen. Als Fluide bezeichnen wir gleichermaßen die beiden Medien Gase und Flüssigkeiten. Wir beschränken uns hier auf die inkompressible Fluidmechanik.

Es ist viel einfacher, die Fluideigenschaften durch die Angabe von physikalischen Größen als Funktion von Ort und Zeit anzugeben, als die Fluidteilchen zu verfolgen und deren Eigenschaften als Funktion von Kräften anzugeben. Im Rahmen dieses Ort-Zeit -Modells kann man weitere Vereinfachungen vornehmen und Strömungen entlang von Röhren oder Stromfäden analysieren. Mit der Integration der Bewegungsgleichungen entlang solcher Stromfäden erhalten wir einfache Zusammenhänge zwischen Geschwindigkeit und Druck.

Viele Strömungen lassen sich mit zufriedenstellender Genauigkeit ohne Berücksichtigung der Reibung beschreiben. In der Nähe von festen Wänden ist Reibung wegen der Haftbedingung aber die entscheidende Größe, auch wenn diese wandnahe Zone sehr dünn sein mag. Die wichtigsten Medien sind in diesem Kapitel sind Luft und Wasser. Dazu wird das newtonsche Reibungsgesetz für diese Medien hergeleitet. Prandtl entwickelte eine Aufteilung der gesamten Strömung in eine reibungsfreie Außenzone und eine reibungsbehaftete Schicht nahe der Wand.

Zwischen Grenzschichtströmungen und viskosen Rohrströmungen gibt es einen Zusammenhang. Im Einlaufbereich des Rohres bildet sich eine Grenzschichtströmung aus, deren Dicke mit der Lauflänge zunimmt, wie oben beschrieben. In diesem Einlaufbereich gibt es also eine viskose Strömung nahe der Wand und eine reibungsfreie Kernströmung. Diese beiden Zonen wachsen stromab zusammen, und die Rohrströmung ist dann komplett reibungsbehaftet, hat also über den gesamten Rohrquerschnitt viskose Eigenschaften. Die Verluste in Innenströmungen haben eine große technische Bedeutung (z.B. bei durchströmten Kanälen) und werden hier empirisch modelliert.

Reale Strömungen, also Strömungen mit Reibungsverhalten, üben immer Kräfte auf umströmte Körper aus. Nach dem dritten newtonschen Gesetz übt der Körper eine gleich große aber entgegengesetzte Kraft auf die Strömung aus. Bei stumpfen Körpern zeigt die Gesamtkraft nahezu in Anströmungsrichtung und dies bedeutet eine Widerstandskraft. Bei schlanken Körpern gibt es auch Kraftkomponenten senkrecht zur Anströmungsrichtung, dies ist der Auftrieb. Obwohl die Reibung für die Kräfte ursächlich ist, ist es erstaunlicherweise möglich, mit einfachen Methoden den Auftrieb von schlanken Körpern zu berechnen.