Impuls und Drehimpuls In Physik 5 haben wir mittels der Newton’schen Gesetze einfache Bewegungen studiert bzw. Fall- und Wurfgesetze abgeleitet. Die Bewegung auf gekrümmten Bahnen führte auf die Kepler’schen Gesetze, die der Bewegung der Planeten und Erdsatelliten zu Grunde liegen. Es mag überrascht haben, dass Schwerelosigkeit bei jedem freien Fall 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 ineinander 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 (Translation, Rotation, Schwingungen, …) zu berücksichtigen. Da die beteiligten Körper bei Reibung wärmer werden, wird Bewegungsenergie in innere Energie (ungeordnete Wärmebewegung der Atome und Moleküle) umgewandelt. Berücksichtigt man neben der inneren Energie noch weitere Energieformen (chemische Energie, elektrische Energie, …), dann gilt der Energieerhaltungssatz: Die Gesamtenergie eines isolierten 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 – alle Versuche, ein funktionsfähiges Perpetuum mobile zu bauen, waren erfolglos. In der Mechanik gibt es weitere Erhaltungssätze. In den folgenden zwei Kapiteln werden die mechanischen Größen Impuls und Drehimpuls eingeführt. Für den Gesamtimpuls und den Gesamtdrehimpuls isolierter Systeme gelten Erhaltungssätze. Auf dem Gesetz der Impulserhaltung beruht z. B. das Rückstoßprinzip, das nicht nur Raketen, sondern auch manchen Lebewesen die Fortbewegung ermöglicht. Das Gesetz der Drehimpulserhaltung erklärt beispielsweise den Pirouetten-Effekt beim Eislaufen oder beim Verschmelzen von Schwarzen Löchern wie auch die stabile Flugbahn beim Wurf von Frisbee oder Diskus. Es erklärt auch, warum auf der Nordhalbkugel der Erde Herbst und Winter (23. September bis 21. März) zusammen um acht Tage kürzer sind als Frühling plus Sommer: Wegen des geringeren Abstands von der Sonne bewegt sich die Erde schneller um die Sonne – ebenfalls ein Pirouetten-Effekt! Erhaltungssätze sind Buchhaltungshilfen. Mit ihnen lässt sich beurteilen, ob ein physikalischer Vorgang überhaupt möglich ist. 11.1 Start eines Space Shuttle. Die Triebwerke funktionieren nach dem Rückstoßprinzip. 11.2 Schräg gestellte, rotierende Kreisel fallen nicht um. 11.3 Der Pulsar im Zentrum des Krebsnebels 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. Zum Vergleich: unsere Sonne dreht sich ungefähr fünfzehnmal pro Jahr. 11 Mechanik II XXXXXX Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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