Grundlagen der Physik: Energie, Mechanik und Fluide

Energie und Arbeit

Energie ist die Eigenschaft von Körpern oder materiellen Systemen, Veränderungen zu bewirken, wie etwa Arbeit zu verrichten oder Wärme zu erzeugen.

• 1 J = 0,24 cal
• 1 kJ = 10³ J
• 1 cal = 4,18 J
• 1 kcal = 10³ cal

Mechanische Energie (E_M)

Die mechanische Energie ist mit der Position oder Bewegung von Körpern verbunden. Es gilt: E_M = E_C + E_P

• E_C (Kinetische Energie): Energie aufgrund der Bewegung eines Körpers. Sie hängt von der Masse und der Geschwindigkeit ab.
• E_P (Potenzielle Energie): Energie aufgrund der Position eines Körpers.

Gravitationsenergie

Energie eines Körpers an einem bestimmten Ort im Schwerefeld. Auf der Erdoberfläche wird E_P oft als 0 definiert.

Elastische Energie

Energie eines deformierten Körpers. Der Wert hängt von der Federkonstante und dem Grad der Verformung ab.

Arbeit und Leistung

Arbeit ist die Energie, die durch eine Kraft entlang eines Weges übertragen wird. Sie ist das Produkt aus Kraft und Verschiebung in Bewegungsrichtung.

Leistung (P) ist die physikalische Größe, die die verrichtete Arbeit pro Zeiteinheit beschreibt. Die Einheit ist Watt (W).

• 1 kW = 1000 W
• 1 HP = 736 W

Kepler-Gesetze

1. Gesetz

Alle Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne, wobei die Sonne in einem Brennpunkt steht.

2. Gesetz

Die Verbindungslinie zwischen Planet und Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.

3. Gesetz

Das Verhältnis der Quadrate der Umlaufzeiten zu den Kuben der mittleren Abstände ist für alle Planeten konstant.

Fluide und Hydrostatik

Fluide sind Stoffe (Flüssigkeiten und Gase), deren Teilchen ihre Position leicht verändern können.

Archimedisches Prinzip

Jeder Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, erfährt einen Auftrieb, der senkrecht nach oben gerichtet ist und dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeitsmenge entspricht.

• Gewicht > Auftrieb: Der Körper sinkt.
• Gewicht < Auftrieb: Der Körper steigt.
• Gewicht = Auftrieb: Der Körper schwebt im Gleichgewicht.

Druck in Flüssigkeiten

Der hydrostatische Druck ist direkt proportional zur Dichte der Flüssigkeit und zur Tiefe. Der Druck wirkt in einer Flüssigkeit in alle Richtungen senkrecht auf die Oberfläche eines eingetauchten Körpers.

Atmosphärischer Druck und Pascal

Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe entspricht einer Quecksilbersäule von 760 mm (Torricelli-Experiment). Das Pascal-Prinzip besagt, dass sich der Druck in einer eingeschlossenen Flüssigkeit an jedem Punkt gleichmäßig ausbreitet, was die Grundlage für die hydraulische Presse bildet.