Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Kompetenzbereich: Mechanik II 6f3h8q Links: Start einer Trägerrakete mit Space Shuttle. Raketen funktionieren nach dem Rückstoßprinzip. Mitte: Schräg gestellte, rotierende Kreisel fallen nicht um. Rechts: Der Pulsar im Zentrum des Krebs- nebels ist ein kosmischer Kreisel. Er ist der kompakte Rest eines Sterns, der unter dem eigenen Gewicht auf einen Durchmesser von ca. 30 km, verdichtet wurde. Wegen der Drehimpulserhaltung dreht er sich nun 30mal pro Sekunde statt einmal pro Monat. In Physik 5 haben wir mittels der Newton’schen Gesetze einfache Bewegungen stu- diert, Fall- und Wurfgesetze abgeleitet. Die Bewegung auf gekrümmten Bahnen führte auf die Kepler’schen Gesetze, die der Bewegung der Planeten und Erdsatel- liten zu Grunde liegen. Es mag überrascht haben, dass Schwerelosigkeit bei jedem freien Fallen auftritt und nicht durch fehlende Gravitationskraft verursacht wird. Reibung ist einerseits unerwünscht, da sie Bewegungen bremst, andererseits ist sie aber zur sicheren Fortbewegung notwendig. Schließlich wurde mit der Energie einer der wichtigsten Begriffe der Physik eingeführt. Potenzielle und kinetische Energie eines physikalischen Systems wurden zunächst als unterschiedliche Energieformen eingeführt, sie können jedoch vollständig in- einander umgewandelt werden. Damit wird nahegelegt, dass die Summe dieser Energien – bei Vernachlässigung von Reibungseffekten – konstant ist, wenn nur Kräfte innerhalb des Systems wirken. Dabei sind alle Bewegungsformen (Transla- tion, Rotation, Schwingungen,…) zu berücksichtigen. Da bei Reibung die beteiligten Körper wärmer werden, wird Bewegungsenergie in innere Energie (ungeordnete Wärmebewegung der Atome und Moleküle) umgewandelt. Berücksichtigt man ne- ben der inneren Energie noch weitere Energieformen (chemische Energie, elektri- sche Energie,…), dann gilt der Energieerhaltungssatz: Die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Daraus folgt z. B. die Unmöglichkeit eines „Perpetuum mobile“, einer Maschine, die einmal in Gang gesetzt wird und danach ständig weiterläuft, wobei sie sogar noch Arbeit verrichtet. (Patentämter weisen Patentanträge für solche Maschinen ab, noch nie wurde ein funktionsfähiges Gerät vorgestellt.) Die Physik kennt weitere Erhaltungssätze. In den folgenden zwei Kapiteln werden die mechanischen Größen Impuls und Drehimpuls eingeführt. Für den Ge- samtimpuls und den Gesamtdrehimpuls abgeschlossener Systeme gelten Erhal- tungssätze. Auf dem Gesetz der Impulserhaltung beruht das Rückstoßprinzip, das nicht nur Raketen, sondern auch allen Lebewesen die Fortbewegung ermöglicht. Eine weitere Erhaltungsgröße ist die elektrische Ladung. Im Rahmen der Elemen- tarteilchenphysik werden zusätzliche Erhaltungsgrößen eingeführt. Erhaltungssätze sind Buchhaltungshilfen. Durch den Vergleich z. B. der Gesamt- energie vor und nach einem gedachten Vorgang lässt sich entscheiden, ob dieser Vorgang überhaupt möglich wäre. 7 | Impuls und Drehimpuls Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv