Physik

Physik beschäftigt sich mit außerlich erkennbaren Vorgänge in der Umwelt, den Eigneschaften und Verhalten von Materie, Kräften, Wirkungen und Ursachen.

Es gibt in der Physik jede Menge Formeln, die bestimmte Dinge erklär und errechenbar mache sollen, im einzelnen nun eine kleine Auswahl.

Ein Teilgebiet der Physik ist die Mechanik. Diese beschäftigt sich mit der Wirkung von Kräften auf Körper.

Masse und Gewichtskraft

Jeder Körper hat eine Masse m, eine Dichte rho, ein Volumen V und eine Energie, die entweder statisch (in der Ruhe) oder dynamisch (in der Bewegung) gespeichert ist. Um den Körper in eine andere Position, Bewegung oder Form zu bringen, sind Kräfte (englishc: FORCE) nötig, die diesem Drang, im momentanen Zustand zu verbleiben, entgegenwirken.

Diesen Drang der Masse, im momentanen Zustand zu verharren, nennt man Trägheit der Masse.

Der Englische Physiker Newton fasste diese Gesetzmäßigkeiten als erster zusammen.

Die Gewichtskraft (G) eines Körpers ist das Produkt aus der Masse (m) und der einwirkenden Kraft der Erdanziehung (g).

G = m * g

Diese Erdanziehungskraft wurde als Konstante der Fallbeschleunigung mit 9,81 m /s² festgelegt.

Somit hatte Newton festgelegt, daß ein Körper mit 1kg Gewicht eine Gewichtskraft von 10 N besitzt. Die Maßeinheit für Kraft ist also N(ewton)

Allgemein heißt das Newtonsche Gesetz F = m * a also Kraft = Masse mal Beschleunigung

Diese Beschleunigungskraft ist eine resultierende Kraft F aus der Richtung und der Größe der einwirkenden Kraft; somit sind Kräfte zusammensetzbar und erzeugen dann eine resultiernde Kraft mit der Wirkung der Bewegung (v [m/s]) und Beschleunigung (a [m/s²]) der Masse eines Körpers

Kräfte sind u.a.

Kraft

Formelzeichen

Formel

Gewichtskraft

G oder F(g)

G = m*g

Fliehkraft (Zentrifugalkraft)

F(z)

Z = m*v² / r (r= mittlerer Radius)

Reibungskraft

F(R)

R=m*r (Reibungskoeffizient)

magnetische Kraft (Lorenzkraft)

F(M)

F(M)=F=Q*v*B; [B=µr*µ0*H]
falls B (magnetische Flussdichte) senkrecht zur Geschwindigkeit der Ladungsträger Q ist)

Hangabtriebskraft

F(H)

H = m * (v X g) (Resultierende Kraft aus der Beschleunigung in der Ebene und der Erdbeschleunigung

Kraft im allgemeinen

F

F = m * a

Beispiel: Ein Körper hat eine Masse von 3 kg und wird der Erdanziehung ausgesetzt. Wie hoch ist seine Gewichtskraft in [N] und sein Gewicht in [kg]?
F = m * g => F[N] = 3 kg * 10 m/s² = 30 kg m /s² = 30 N ( in der Praxis rechnet man mit dem Faktor 10 m/s² für g statt 9,81 m/s²)

Arbeit, Energie, Leistung

Der Zusammenhang der physikalischen Größen muß zunächst einmal erklärt werden.

Wir wissen bereits, dass Kraft [N] das Produkt aus Masse mal Beschleunigung (oder Geschwindigkeit zum Quadrat) ist.
F [N] = m * a [kg m /s²]

Arbeit ist das Resultat aus der eingesetzten Kraft und dem zurückgelegten Weg also:

Arbeit W [Nm] = Kraft F [N] * Weg s [m], also
=> W[Nm] = m [kg]* a [m/s²]* s [m]
=> W[Nm] = m*a*s [kg m² /s²]

Energie ist die gespeicherte Arbeit im End- oder Zielzustand des betrachteten Körpers,

Energie [W] oder [Nm] = Masse [kg] * Beschleunigung [m /s²] * Weg [m] also beispielsweise:

Potentielle Energie Wpot = m * g * h (h = Höhe in m)(statische oder Lageenergie)
kinetische Energie Wkin =1/2 *m * v² (bei senkrechtem Fall :m*(g*t)² /2) (Bewegungsenergie)

Leistung ist die eingesetzte Arbeit pro Zeiteinheit, also die geleistete Arbeit in einem Zeitraum (gemessen in Sekunden):
Leistung P [W] = Arbeit W [Nm] / Zeit t [s]
=> P [W] = F * s / t [Nm /s]
=> P[W]=m*a*s / t [kg m² /s]

Also ist Arbeit auch die Leistung mal einer Zeit P[W]*t[s] = W[Nm] => 1 [Nm] = 1 [Ws]

Druck ist die Kraft pro Fläche, die auf einen Körper wirkt, also:

Duck p [Pa] = F [N] / A [m²]

Dichte eines Körpers

Die Dichte eines Körpers hat Einfluss aus sein Verhalten in der Umwelt, seine Reaktion auf aüßere Kräfte und beispielsweise sein Schwimmverhalten

Als Dichte bezeichnen wir den Faktor von Masse und Volumen, anders ausgedrückt: Wie viele Atome und Moleküle pro Liter Volumen in einem Körper sind.

Also: rho = m / V

Dieser Faktor rho wird auch als spezifisches Gewicht (m = V * rho) oder spezifische Dichte eines Körpers bezeichnet.

Als Anwendungsbeispiel sei hier der Schiffbau genannt, der sich die Wasserverdrängung durch ein definiertes Volumen zunutze macht, um das spezifische Gewicht des Körpers kleiner als das des Wassers zu machen, obgleich die verwendeten Materialien selbst meist nicht schwimmen würden.

Beispiel: Ein Körper hat eine Kantenlänge von 1m, eine Breite von 20cm und eine Höhe von 1dm.
Sein Gewicht beträgt 27 kg.

Frage: Schwimmt diese Körper in 4° warmen Wasser?

  1. Schritt : Volumenberechnung 1 m = 100 cm, 20 cm, 1 dm = 10 cm => V=L*B*H
    V= 100 * 20 * 10 [cm³] = 20000 cm³ = 20000 : 1000 [ltr.] = 20 l
  2. Schritt : rho = m / V => 27 kg / 20 l = 1,35
  3. Schritt: rho (Wasser) = 1kg / 1 l = 1


Der Körper hat eine höhere Dichte (1,35) als Wasser (1), somit geht er unter.

Drehmoment

Drehmoment nennt man die Kraft, die eine Körper mit der Masse m auf einen Punkt ausübt, der nicht in der Flucht mit der resultierende Kraft liegt vom Masseschwerpunkt liegt.

Diese Kraft ist in der Technik eine entscheidende Kraft, da uns in der Praxis häufig Drehmomente begegnen und ihre Kraftwirkung zu extremen Deformationen eines Körpers führen kann.

Drehmomente treten z.B. auf, wenn Lasten auf der Gabel des Staplers transportiert werden, deutlich am Durchneigen der Gabeln zu erkennen - um diese Last aufzufangen, wird die Gabel nach hinten geneigt- die Last wird nach hinten zum Stapler verlagert

Betrachen wir diesen Vorgang physikalisch:

Der Angriffpunkt des Drehmomentes ist die Aufhängung der Gabel am Stapler - hier laufen die Kräfte der Last und ihre resultierende Wirkung –abhängig von Größe der Last (Gewichtskraft) und dem Abstand, an diesem Punkt zusammen.

Die vektorielle Berechnung der resultierenden Kraft (Man stelle sich ein Dreick vor: Der Abstand der Last als Zugkraft, die Gewichtskraft senkrecht zum Boden daran angesetzt ergibt die resultierende Kraft) führt in diesem Zusammenhang zu weit - jedoch ist einleuchtend, dass die entstehende Drehmoment bei gleicher Gewichtskraft proportional zum Abstand des Lastschwerpunktes vom Ansatzpunkt (der Gabelaufhängung) wächst - Im Extremfall wird das Drehmoment so groß. dass sich die Gabel an diesem Punkt verbiegt oder bricht.

Drehmomente werden physikalisch durch die Einheit 1 kg m² / s² ausgedrückt und errechnet durch das Vektorprodukt aus Radient r und Gewichtskraft F => M = F x r

Technisch werden Drehmomente aufgefangen, in dem man dieses auf mehrere Angrifspunkte verteilt (Diagonale Stützen, Schräge Stellung, Versteifungen diagonal zum Lastpunkt - z.B. Kragarmregale, Seilbrücken) oder weitesgehend ausschließt (Lastverteilung auf Flächen und senkrechte Ableitung der Kräfte - z.B. ein Regal)

Optik

Optik wird das Gebiet der Physik genannt, das sich mit den Eigenschaften des Lichtes beschäftigt.

Hierbei gibt es die Faktoren Lichtbrechung, optisch dichte und weniger dichte Medien sowie Reflexion und Streuung von Licht an Oberflächen.

Eine Grundregel der Optik ist hierbei Einfallswinkel = Ausfallswinkel bei der Reflexion

Die Lichtbrechung in einem Prisma hängt von der optischen Dichte des Mediums und der Oberflächenform ab (Lichtbrechung findet nur an den Übergangsflächen optisch verschieden Dichter Medien statt)

Linsen bündeln (konkav) oder Streuen (konvex) das einfallende Licht , desgleichen gilt für Hohlspiegel (Satelitenschüssel!) oder Konvexe Spiegel (Weitwinkelaufsatzspiegel für den Außenspiegel eines Autos)

Balistik

beschäftigt sich mit dem Verhalten geworfener oder einmalig beschleunigter Körper , und ist Teilgebiet der Mechanik

Die Regel, daß eine Kanonenkugel im Winkel von 45° abgeschossen am weitesten fliegt, kennt man vielleich noch aus der Schulzeit. Hierbei wird die Gleichung aus den Faktoren der abnehmenden Geschwindigkeit (Beim Verlassen der Mündung ist die Kugel am schnellsten - beim Auftreffen wirkt nur noch die Erdbeschleunigung) und der Wirkung der Erdanziehungskraft zusammengesetzt - Stichwort stetiger Fall.

Meine Ausführungen enden hier vorerst...