Naturwissenschaften im Fokus II: Grundlagen der Mechanik einschließlich solarer Astronomie und Thermodynamik

527 Pages·2017·15.47 MB·German

by  Christian Petersen (auth.)

Christian Petersen
Natur-
wissenschaften
im Fokus II
Grundlagen der Mechanik
einschließlich solarer Astronomie
und Thermodynamik
Naturwissenschaften im Fokus II
Christian Petersen
Naturwissenschaften
im Fokus II
Grundlagen der Mechanik
einschließlich solarer Astronomie
und Thermodynamik
ChristianPetersen
Ottobrunn,Deutschland
ISBN978-3-658-15297-0 ISBN978-3-658-15298-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-15298-7
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Vorwort zum Gesamtwerk
DieNaturaufErdenistinihrerVielfaltundSchönheiteingroßesWunder,werwird
esleugnen?ErweitertmandieSichtaufdenplanetarischen,aufdengalaktischen
und auf den ganzen kosmischen Raum, drängt sich der Begriff eines überwälti-
gendenundgleichzeitiggeheimnisvollenFaszinosumsauf.WiekonntedasAlles
nurwerden,werhatdasWerdenveranlasst?–EsisteinegroßegeistigeLeistung
des Menschen, wie er die Natur im Kleinen und Großen in ihren vielen Einzel-
heiten inzwischen erforschen konnte. Dabei stößter zunehmendan Grenzen des
Erkennbaren/Erklärbaren.–
Es lohnt sich, in die Naturwissenschaften mit ihren Leitdisziplinen, Physik,
ChemieundBiologie,einschließlichihrerAnwendungsdisziplinen,einzudringen,
in der Absicht, die Naturgesetze zu verstehen, die dem Werden und Wandel zu-
grundelagenbzw.liegen:WieistdieMaterieaufgebaut,wasistStrahlung,woher
beziehtdieSonneihreEnergie,wieistdieFormelE Dm(cid:2)c2zuverstehen,welche
AussagenerschließensichausderRelativitäts-undQuantentheorie,wiefunktio-
niertdergenetischeCode,wannundwieentwickeltesichderMenschbisheuteals
letztesGlied derHomininen?IstderMensch,biologischgesehen,einemitGeist
undSeeleausgestatteteSonderformimTierreichoderdochmehr?Vongöttlicher
Einzigartigkeit?HiermitstößtmandieTürauf,zurSeins-undGottesfrage.
Für mich war das Motivation genug. Indem ich mich um eine Gesamtschau
derNaturwissenschaftenmühte,gingesmirumErkenntnis,umTiefe.Aberauch
überdieDinge,dieeherzumAlltagderheutigenZivilisationgehören,wollteich
besserBescheidwissen:WasverstehtmaneigentlichunterEnergie,wiefunktio-
nierteineWindkraftanlage,warum kannderWirkungsgradeines aufchemischer
VerbrennungberuhendenMotorsnichtvielmehrals50%erreichen,wieentsteht
elektrischer Strom, wie lässt er sich speichern, wie sendet das Smart-Phone ei-
ne Mail, was ist ein Halbleiter, woraus bestehen Kunststoffe, was passiert beim
Klonen,istGentechnikwirklichgefährlich?WodurchentstehteigentlichdieCO -
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Emission, wie viel hat sich davon inzwischen in der Atmosphäre angereichert,
V
VI VorwortzumGesamtwerk
wieso verursacht CO den Klimawandel, wie sieht es mit der Verfügbarkeit der
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noch vorhandenen Ressourcen aus, bei jenen der Energie und jenen der Indus-
trierohstoffe?Wirdallesreichen,wenndieWeltbevölkerungvonzurzeit7,5Milli-
ardenBewohnernamEndedesJahrhundertsauf11Milliardenangewachsensein
wird?WirddannnochgenügendWasserundNahrungzurVerfügung?VieleFra-
gen,ernsteFragen,FragenethischerDimension.
Kurzum:EswarenzweidominanteMotive,warumichmichdemThemaNatur-
wissenschaftengründlicherzugewandthabe,gründlicheralsich darinvieleJahr-
zehntezuvorinderSchuleunterwiesenwordenwar:
(cid:3) ZumeinenhoffteichdieinderNaturwaltendenZusammenhängebesserver-
stehenzukönnenundwagtedenVersuch,vondenQuarksundLeptonenüber
die rätselhafte, alles dominierende Dunkle Materie (von der man nicht weiß,
wassieist),zurLetztbegründungallenSeinsvorzustoßenund
(cid:3) zumanderenwollteichdiestarktechnologischgeprägtenEntwicklungeninder
heutigenZeitsowiedenzivilisatorischenUmgangmit‚meinem‘Heimatplane-
tenunddieFolgendarausbesserbeurteilenkönnen.
Es liegtaufder Hand:Willmantiefer indieGeheimnissederNatur, inihre Ge-
setze, vordringen, ist es erforderlich, sich in die experimentellen Befunde und
hypothetischenModellehineinzudenken.Sogewinntmandieerforderlichenna-
turwissenschaftlichenKenntnisseundErkenntnissefüreinvertieftesWeltverständ-
nis. Dieses Ziel auf einer vergleichsweise einfachen theoretischen Grundlage zu
erreichen, ist durchaus möglich. Mit dem vorliegenden Werk habe ich versucht,
dazu den Weg zu ebnen. Man sollte sich darauf einlassen, man sollte es wagen!
WoderTextdemLeser(zunächst)zuschwierigist,leseerüberdiePassagehinweg
undstudierenurdieFolgerungen.Woes imText tatsächlich spezieller wird, ha-
beicheineetwasgeringereSchriftgrößegewählt,auchbeidiversenAnmerkungen
undBeispielen.VielleichtsindesandererseitsgeradedieseTeile,dieinteressierte
SchülerundLaiensuchen.–ZentralsinddieAbbildungenfürdieVermittlungdes
Stoffes,siewurdenvonmirüberwiegendentworfenundgezeichnet.Siesolltenge-
meinsammitdemText‚gelesen‘werden,sietragenkeineUnterschrift.–Dieam
Ende pro Kapitel aufgelistete Literatur verweist auf spezielle Quellen. Sie dient
überwiegend dazu, auf weiterführendes Schrifttum hinzuweisen, zunächst meist
auf Literatur allgemeinerer populärwissenschaftlicher Art, fortschreitend zu aus-
gewiesenenLehr-undFachbüchern.–Esistbereicherndundspannend,nebenviel
Neuemin denKünstenundGeisteswissenschaften, andenFortschritten aufdem
drittenArealmenschlicherKultur,denNaturwissenschaften,teilhabenzukönnen,
wie sie in den Feuilletons der Zeitungen, in den Artikeln der Wissenszeitschrif-
VorwortzumGesamtwerk VII
tenundinSachbüchernregelmäßigpubliziertwerden.Sowird derBlickaufdas
Ganzeerstvollständig.
DasWerkistinfünfBändegegliedert,dieZahlderKapitelindiesenistunter-
schiedlich:
BandI: GeschichtlicheEntwicklung,Grundbegriffe,Mathematik
1. Naturwissenschaft–VonderAntikebisinsAnthropozän
2. GrundbegriffeundGrundfakten
3. Mathematik–ElementareEinführung
BandII: Grundlagen der Mechanik einschl. solarer Astronomieund Ther-
modynamik
1. MechanikI:Grundlagen
2. MechanikII:Anwendungeneinschl.AstronomieI
3. Thermodynamik
BandIII: Grundlagen der Elektrizität, Strahlung und relativistischen Mechanik,
einschließlichstellarerAstronomieundKosmologie
1. ElektrizitätundMagnetismus–ElektromagnetischeWellen
2. StrahlungI:Grundlagen
3. StrahlungII:Anwendungen,einschl.AstronomieII
4. RelativistischeMechanik,einschl.Kosmologie
BandIV: GrundlagenderAtomistik,QuantenmechanikundChemie
1. Atomistik–Quantenmechanik–Elementarteilchenphysik
2. Chemie
BandV: GrundlagenderBiologieimKontextmitEvolutionundReligion
1. Biologie
2. ReligionundNaturwissenschaft
Abschließendseinochangemerkt:WährendsichderInhaltdesBandesII,dermit
MechanikundThermodynamik(Wärmelehre)fürdieGrundlagenderklassischen
TechnikstehtundsichdeminteressiertenLeserehererschließt,istdasbeimStoff
derBändeIIIundIVnurnochbedingtderFall.DasliegtnichtamLeser.DieIn-
varianzderLichtgeschwindigkeitetwaunddiehiermitverbundenenFolgerungen
inderRelativitätstheorie,sindvommenschlichenVerstandnichtverstehbar,etwa
diedarausfolgendeKonsequenz,dassdieräumlicheAusdehnung,auchZeitund
Masse,vonderrelativenGeschwindigkeitzwischen denBezugssystemenabhän-
gig ist. Ähnlich schwierig ist die Massenanziehung und das hiermit verbundene
gravitativeFeldzuverstehen.DieGravitationwirdaufeinegekrümmteRaumzeit
zurückgeführt. Der Feldbegriff ist insgesamtein schwieriges Konzept. Dennoch,
es muss alles seine Richtigkeit haben: Der Mond hält seinen Abstand zur Erde
VIII VorwortzumGesamtwerk
und stürzt nicht auf sie ab, der drahtlose Anruf nach Australien gelingt, die Da-
ten des GPS-Systems und die Anweisungen des Navigators sind exakt. Analog
verhält es sich mit den Konzepten der Quantentheorie. Sie sind ebenfalls prinzi-
piellnichtverstehbar, etwadieDualitätderStrahlung,garderAnsatz, dassauch
alle Materie aus Teilchen besteht und zugleich als Welle gesehen werden kann.
Genau betrachtet, ist sie weder Teilchen noch Welle, sie ist schlichtetwas ande-
res.WiemansichdieElektronenimUmfelddesAtomkernsalsLadungsorbitale
vorstellen soll, ist wiederum nicht möglich, weil unanschaulich und demgemäß
unbegreiflich. Man hat es im Makro- und Mikrokosmos mit Dingen zu tun, die
ausdervertrautenWeltherausfallen,siesindgänzlichverschiedenvondenDin-
gen der gängigen Erfahrung. Im Kleinen werden sie gar unbestimmt, für ihren
jeweiligenZustandlässtsichnureineWahrscheinlichkeitsaussagemachen.Füral-
ledieseVerhaltensweisen istunserDenk-undSprachvermögennichtkonzipiert:
InderEvolutionhabensichDenkenundSprechenzurBewältigungdertäglichen
Aufgabenentwickelt,fürdasvorOrtErfahr-undDenkbare.NurmitdenMittelnei-
nerabgehobenenKunstsprache,derMathematik,sinddieKonzeptedermodernen
PhysikinFormabstrakterModelledarstellbar.Unanschaulichbleibensiedennoch,
auch für jeneForscher, diemitihnen arbeiten, in derAbstraktion werden sieih-
nenvertraut. Damitstelltsich dieFrage: Wiesolles möglichsein, solcheDinge
dennochverständlich(populärwissenschaftlich)darzustellen?DieErfahrungzeigt,
dass es möglich ist, auch ohne höhere Mathematik. Man muss mit modellmäßi-
genAnnäherungenarbeiten.Dabeigelingtes,eineAhnungdavonzuentwickeln,
wie alles im Großen und Kleinen funktioniert, nicht nur qualitativ, auch quanti-
tativ.Mansolltevielleichtgelegentlichversuchen,dieeineundandereAbleitung
mitStiftundPapiernachzuvollziehenundmitHilfeeinesTaschenrechnersdasei-
neundandereZahlenbeispielnachzurechnen.–Themen,dienochungelöstsind,
wieetwaderVersuch,Relativitäts-undQuantentheorieinderTheoriederQuan-
tengravitation zu vereinen, bleiben außen vor: Das Graviton wurdebislang nicht
entdeckt,einequantisierteRaum-ZeitisteininkonsistenterAnsatz.Nurwasdurch
messendeBeobachtungundExperimentverifiziertwerdenkann,hatAnspruch,als
naturwissenschaftlichgesichertangesehenzuwerden.–DerInhaltdesBandesV
istdemLeserleichterzugänglich.AlserstesgehtesumdasGebietderBiologie.
Ihre Fortschritte sind faszinierend und in Verbindung mit Genetik und Biomedi-
zinfürdieZukunftvongroßerBedeutung–DieEvolutionstheorieistinzwischen
zweifelsfreifundiert.IhreAussagenberührendasSelbstverständnisdesMenschen,
dieFragenachseinerHerkunftundseinerBestimmung.Dasbefördertunvermeid-
lich einen Konflikt mit den Glaubenswirklichkeiten der Religionen.Denken und
GlaubensindzweiunterschiedlicheKategoriendesmenschlichenGeistes.Indem
diesergrundsätzlicheUnterschiedanerkanntwird,solltensichallePartnerbeider
VorwortzumGesamtwerk IX
Suchenach der WahrheitmitRespektbegegnen.Was ist wahr? Die Frage bleibt
letztlichunbeantwortbar.DasistdesMenschenLos.JedemstehendasRechtund
dieFreiheitzu,aufdieFrageseineeigeneAntwortzufinden.
Der Verfasser dankt dem Verlag Springer-Vieweg und allen Mitarbeitern im
Lektorat,inderSetzerei,DruckereiundBindereifürihrEngagement,insbesondere
seinemLektorHerrnRalfHarmsfürseineUnterstützung.
Ottobrunn(München),Februar2017 ChristianPetersen
Vorwort zum vorliegenden Band II
InKap.1werden dieGrundlagenderMechanikbehandelt.DieMechanikistdie
ältesteDisziplinderPhysikundkannalsabgeschlossengelten.BegriffewieKraft,
Impuls, Arbeit und Leistung sowie Energie und Energiezerstreuung, werden er-
klärt.UnterletztererverstehtmanReibungundDämpfung,mansprichtauchvon
(Energie-)Dissipation.DasführtaufdenBegriffWirkungsgrad.AnhandeinesBei-
spielswird die‚Gewinnung‘vonEnergieineinerWasserkraftanlagegezeigt,ge-
nauer, die Wandlung von potentieller in kinetische und letztlich in elektrische
Energie.–
Kap. 2 ist umfangreicher. Statik und Festigkeit der Teile von Bauwerken ste-
hen am Anfang. Dann werden Bewegungszustände studiert. Es folgt Statik und
DynamikderFluide.HierunterwerdenFlüssigkeitenundGasezusammengefasst.
AlsBeispielwirddieErzeugungvonEnergiemitHilfeeinerWindkraftanlagebe-
handelt. Hierbei geht es um die Wandlung der Strömungsenergiedes Windes in
elektrische Energie. Es folgen die Themen: Schwingungen und Wellen mit di-
versen Anwendungen,u.a. mit Akustik. Schließlich wird die Himmelsmechanik
anhandderPlaneten-,Mond-undKometenbewegungaufbereitetunddasSonnen-
systembeschrieben(solareAstronomie).–
Nicht minder interessant und wichtig ist die Thermodynamik. Sie ist Gegen-
standdesKap.3.Eswirduntersucht,wiesichFestkörper,FlüssigkeitenundGase
bei Wärmeeinwirkung verhalten. Das führt auf die Gasgesetze und Hauptsätze
derWärmelehreundaufdiehieraufaufbauendenWärmevorgängeund-prozesse,
wiesieinVerbrennungsmotorenablaufen.Das machtesnotwendig,sichmitder
Energieversorgung hierzulande und weltweit zu befassen, mit den fossilen und
nicht-fossilen (erneuerbaren) Energiequellen. Gerade Letztgenannten wie Wind,
Sonne, Geothermie und Biomasse, wird in Zukunft eine immer größere Bedeu-
tungzukommen.DabeistellensichFragen:WiehochistihrBeitragheuteschon?
WerdensiediefossilenEnergiequelleneinesfernenTagesersetzenkönnen?
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