Mechanische Physik

Die Mechanische Physik ist ein Teilbereich der Physik. Sie ist damit auch Teil des Lehrplans von einem Studenten, der den Beruf des Physikers ergreifen möchte. Die Mechanische Physik befasst sich mit der sogenannten “mechanischen Arbeit”. Um jedoch die Mechanische Physik verstehen zu können, muss der Student natürlich etwas von dem Thema Physik schon einmal gehört haben und auch die Grundkenntnisse der Physik bereits besitzen. Das heißt, dass der Teilbereich der Mechanischen Physik natürlich auch dann erst einsetzt, wenn das Grundstudium der Physik, das zwei Jahre dauert, abgeschlossen ist. Nur dann können die Studenten mit den Begriffen, die ihnen im Rahmen der Mechanischen Physik begegnen auch wirklich etwas anfangen.

Newton

Eine sehr große Rolle im Bezug auf die Mechanische Physik spielen die Newtonschen Gesetze und die Gleichförmige Bewegung sowie die Gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Doch um zu begreifen, was hinter der Mechanischen Physik muss man auf jeden Fall auch erst einmal wisse, was Mechanische Arbeit ist. Und dies ist nun ja wirklich leicht zu beantworten. Denn Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn der Körper durch irgendeine Kraft bewegt oder aber verformt wird. Dargestellt werden kann die Mechanische Arbeit mit der Hilfe von einem Kraft-Weg-Diagramm bzw. einem F-s-Diagramm. Die Mechanische Arbeit spielt aber nicht nur in der Mechanischen Physik eine Rolle, sondern auch im Bezug auf die Mechanik selbst. Doch sowohl in der Mechanik, wie auch in der Physik unterscheidet man verschiedene Arten der Mechanischen Arbeit. Und zwar gibt es die Hubarbeit, die Verformungsarbeit und die Beschleunigungsarbeit. Eine weitere Form der Arbeit ist die Reibungsarbeit.

Begrifflichkeiten

Um die Mechanische Physik verstehen zu können, muss man natürlich auch wissen, was hinter den Begriffen Hubarbeit, Verformungsarbeit, Beschleunigungsarbeit und Reibungsarbeit steckt. Die Hubarbeit wird zum Beispiel durch einen Kran auf einer Baustelle verrichtet. Und wenn ein Körper verformt wird, dann wird Verformungsarbeit geleistet. Die Beschleunigungsarbeit indes ist eine Arbeit, die ein Körper verrichtet, wenn dieser beschleunigt wird. Die Reibungsarbeit indes entsteht, wenn Reibungskräfte auf einen Körper einwirken.

Die Lehre der Schwingungen

Die Mechanische Physik beschäftigt sich hauptsächlich auch mit der Lehre der Schwingungen und den Wellen. Gemeint sind hierbei natürlich die mechanischen Wellen. Diese breiten sich in einem Vakuum aus. Hierzu zählen vor allem die elektromagnetischen Wellen, die Materiewellen und auch die Gravitationswellen. Das Grundprinzip, das jede Welle hat, ist hierbei die Umwandlung von zwei physikalischen Größen. Bei den mechanischen Wellen sind die die potentielle Energie und die kinetische Energie. Die direkt wahrnehmbaren Wellen wie die Schallwellen, die Wasserwellen und das Licht spielen im Studium der Physik, wenn sich der Student für den Studiengang Mechanische Physik entschieden hat, natürlich eine sehr große Rolle. Die Studenten, die diesen Studiengang gewählt haben befassen sich dann im Rahmen von ihrem Studium mit Themen wie der Erzeugung der Wellen und auch mit der Übertragung der Wellen. Die Mechanische Physik spielt heute in sehr vielen Bereichen eine Rolle. Natürlich müssen sich die Studenten, die den Studiengang erwählt haben auch frühzeitig überlegen, ob sie ein Lehramt ausüben wollen oder aber in die Wirtschaft gehen. Auch für Absolventen aus diesem Teilbereich der Physik gibt es auf dem Arbeitsmarkt jede Menge Angebote in Wirtschaft und Forschung.

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Thermodynamik

Bei der Thermodynamik handelt es sich um einen Teil der Wärmelehre. Die Thermodynamik ist damit ein Teil der Physik. Die Thermodynamik beschäftigt sich vor allem mit der Möglichkeit, durch Umverteilen der Energie auf verschiedene Erscheinungsformen Arbeiten zu verrichten. Die Thermodynamik hat sich aus verschiedenen Studien der Volumen-, Druck-, Temperaturverhältnisse bei den Dampfmaschinen entwickelt. Im Rahmen der Thermodynamik unterscheidet man zwischen geschlossenen, abgeschlossen (den sogenannten isolierten) und den offenen Systemen. Im Rahmen der Thermodynamik bleibt die Summe aller Energieformen konstant. Allgemein kann man sagen, dass die Thermodynamik die Prozessgrößen Wärme und die Arbeit an der Systemgrenze in Zusammenhang bringt. Und diese beschreiben schließlich den Zustand des Systems. Man unterscheidet im Rahmen der Thermodynamik zwischen intensiven Zustandsgrößen und extensiven Zustandsgrößen.

Die Thermodynamik basiert auf vier fundamentalen Hauptsätzen und auch materialspezifischen, sowie empirischen Zustandsgleichungen zwischen diesen Zustandsgrößen. Zu beachten sind im Rahmen der Thermodynamik aber auch Phasenübergänge. Allerdings macht die Thermodynamik keine Aussagen darüber, wie schnell die Prozesse ablaufen. Aus diesem Grund gibt es in Wissenschaftskreisen auch die Bestrebung, dass der Begriff der Thermodynamik durch den Begriff der Thermostatik ersetzt werden soll. Doch bis heute ist und bleibt wohl auch noch eine sehr lange Zeit die Thermodynamik allerdings auch weiterhin eine eigenständige physikalische Theorie.

Wissenschaftler

Es gibt natürlich auch in diesem Bereich der Physik einige Menschen, die in diesem Bereich großes geleistet haben. Im Bereich der Thermodynamik sind die James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann gewesen. Dank diesen Vorreitern können heute sehr viele Aspekte der Thermodynamik durch mikroskopische Theorien bestätigt werden. Es war aber auch der französische Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot, der im Bezug auf die Thermodynamik die ersten Meilensteine legte. Und zwar war dies im Jahr 1824. Damals untersuchte Carnot die Wärmemengen einer Dampfmaschine und stellte fest, dass heißer Wasserdampf in der Lage ist ein kälteres Wasserreservoir zu erwärmen. Und in diesem Moment wird eine mechanische Arbeit geleistet. Carnot beschrieb diese Vorgänge in der Dampfmaschine damals als Kreisprozess. Dieser Arbeiten von Carnot wurden später von Benoît Pierre Émile Clapeyron in einer mathematischen Form dargestellt. Aber auch der deutsche Arzt

Mayer

Julius Robert Mayer war an der Formulierung der Thermodynamik letztlich beteiligt. Und zwar stellte dieser im Jahr 1841 eine These auf, wonach Energie in einem abgeschlossenen System durchaus eine konstante Größe sein kann bzw. sein sollte. Auch stellte Mayer damals schon die Theorie auf, dass Energie nicht einfach verschwinden kann. Sie kann sich jedoch in eine andere Form verwandeln. Und genau dies ist es auch, was man als Thermodynamik heute definiert. Die vier Hauptsätze der Thermodynamik und ihre Erklärung sind:

Der 0. Hauptsatz lautet dahingehend, dass zwei Systeme mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Dabei stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht.

Der 1. Hauptsatz lautet dahingehend, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, sondern nur in andere Energiearten umgewandelt wird.

Der 2. Hauptsatz lautet, dass Thermische Energie nicht in beliebigem Maße in eine andere Energiearten umwandelbar ist.

Der 3. Hauptsatz laute dahingehend, dass der absolute Nullpunkt der Temperatur unerreichbar ist. Natürlich gibt es hierfür jede Menge Formeln, die im Laufe der Zeit auf den Theorien basierend entwickelt wurden.

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Elektrodynamik

Bei der Elektrodynamik handelt es sich um ein Teilgebiet der Physik. Diese befasst sich mit bewegten elektrischen Ladungen und auch mit zeitlich veränderlichen elektrischen sowie und magnetischen Feldern. Hierbei besteht auch die Abgrenzung zur Elektrostatik, die sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und ihren Feldern befasst.

Maxwell

Die Theorie der Elektrodynamik beruht auf von James Clerk Maxwell in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Hilfe der Maxwell-Gleichungen aufgestellten Formulierung. Die Maxwell-Gleichungen nahm im Jahr 1905 auch Albert Einstein auf für die Formulierung seiner Relativitätstheorie. Doch erst in den 1940er Jahren gelang es die Quantenmechanik mit der Elektrodynamik zu kombinieren, und zwar zur Quantenelektrodynamik. Und deren Vorhersagen stimmen sehr genau mit den Messergebnissen überein. Bei der Elektrodynamik selbst spielen vor allem die elektromagnetischen Wellen eine sehr wichtige Rolle. Als der bekannteste Vertreter zählt hierzu auch das für den Menschen sichtbare Licht. Dieser Bereich stellt allerdings ein eigenes Gebiet der Physik dar, die Optik. Doch diese gehört eigentlich zur Elektrodynamik.

Vergleiche

Vergleicht man nun die Elektrodynamik und die klassische Mechanik miteinander, dann wird man feststellen, dass die Elektrodynamik nicht galilei-invariant ist. Und dies bedeutet, dass letztlich die Maxwell-Gleichungen in diesem Bereich nicht gelten würden. Es gibt hierfür natürlich auch ein ganz einfaches Beispiel: Angenommen wird hierbei, dass ein mit konstanter Geschwindigkeit fliegendes, geladenes Teilchen von einem elektrischen und auch von einem magnetischen Feld umgeben ist. Und ein mit gleicher Geschwindigkeit fliegendes, gleichgeladenes Teilchen wird hierbei durch das elektrische Feld des ersten Teilchens eine abstoßende Kraft erfahren. Die Erklärung hierfür ist natürlich ganz einfach, denn gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab. Dabei erfährt das Teilchen durch das Magnetfeld eine anziehende Lorentzkraft. Und diese kompensiert die Abstoßung teilweise.

Nachweis der Theorie

Nur bei Lichtgeschwindigkeit wäre diese Kompensation vollständig gegeben. Aber im Inertialsystem, in dem die Teilchen ruhen, ist aber kein magnetisches Feld vorhanden. Und aus diesem Grund ist auch keine Lorentzkraft gegeben. Im Gegenteil: Dort wirkt die abstoßende Coulombkraft. Auf diese Weise werden die Teilchen stärker beschleunigt als diese im ursprünglichen System der Fall ist. Um dies alles herauszufinden, bedürfte es natürlich einiger Zeit. Und es waren auch noch sehr viele andere Theorien notwendig. Doch schließlich führte dies alles dazu, dass die Theorie rund um die Elektrodynamik aufgestellt werden konnte. Allgemein steckt die Elektrodynamik voller Strukturen und auch Symmetrien.

Lehre

Die Elektrodynamik wird an Technischen Universitäten gelehrt. Und zwar handelte sich hierbei um einen Teilbereich der Physikvorlesungen. Die Vorlesungen finden meist in Doppelstunden statt. Darüber hinaus gibt es noch sogenannte Übungsstunden. Am des Semesters wird nach dem erfolgreichen Absolvieren der Übungen noch eine Klausur geschrieben. Im Rahmen der Prüfungsordnung für das Studienfach Physik wird der Themenbereich der Elektrodynamik im Rahmen der Vordiplomprüfung abgehandelt. Dabei ist die Elektrodynamik im 3. Semester des Studiums Physik im Lehrplan zu finden. Dies ist natürlich von Universität zu Universität verschieden. Bei Bedarf können dabei natürlich auch weitere Übungsstunden vorgesehen werden, bevor es in die Klausur geht. Denn der Bereich Elektrodynamik ist sicherlich kein Thema, das jedem Studenten leicht in den Kopf geht. Doch bildet die Elektrodynamik einen sehr wichtigen Teilbereich. Denn die anderen Bereich bauen auch immer wieder auf der Elektrodynamik auf.

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