Physik für Wirtschaftsingenieure

Christopher Dietmaier · Matthias Mändl
PHYSIK für Wirtschaftsingenieure

Die Physik ist die Grundlage technischer Disziplinen und spielt daher nicht nur in reinen Ingenieurstudiengängen, sondern auch im Studium Wirtschaftsingenieurwesen eine wichtige Rolle. Die Aufgaben und Tätigkeiten eines Wirtschaftsingenieurs im technischen Umfeld erfordern physikalisches Grundverständnis sowie die Fähigkeit, physikalisch-technische Zusammenhänge zu durchdringen und sich ggf. in neue Gebiete einzuarbeiten. Die Kenntnis und das Verstehen der wichtigsten Begriffe, Konzepte und physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Physik sind hierfür unverzichtbar. Aufgabe und Ziel des Buches ist es, diese Kenntnisse verständlich zu vermitteln.

Die grundlegenden Gebiete der Physik bilden deshalb den Schwerpunkt dieses kompakten Lehrund Übungsbuches für Wirtschaftsingenieure und für interdisziplinäre Ingenieurstudiengänge wie Patentingenieurwesen, Umwelttechnik, Medientechnik, Verfahrenstechnik, Energietechnik, Logistik, Chemieingenieurwesen, Medizintechnik, Biomechanik oder Technische Informatik. Trotz der kompakten Darstellung wird Wert auf Klarheit und Genauigkeit gelegt. Aufgaben mit Lösungen helfen dabei, physikalische Prinzipien und Konzepte zu verstehen und zu lernen. Anwendungsbeispiele zeigen den Praxisbezug auf.

Aus dem Inhalt:

• Mechanik
• Elektromagnetismus
• Thermodynamik
• Schwingungen
• Wellen
• Quanten- und Atomphysik
• Kernphysik
• Festkörperphysik

Über den Autor

Dr. Christopher Dietmaier ist Professor für Physik und Mathematik an der Fachhochschule Amberg-Weiden, Dr. Matthias Mändl ist Professor für Physik und physikalische Analytik an der gleichen Hochschule.


Leseprobe:

1 Einführung ( S. 11)

1.1 Was ist Physik?

Physik ist die grundlegende und umfassende Wissenschaft der unbelebten Natur.

Physik beschäftigt sich mit den letzten und den ersten wissenschaftlich erklärbaren Fragestellungen. Das Forschungsgebiet der Physik reicht von den kleinsten Bausteinen der Natur, den Elementarteilchen, über das Verständnis der Struktur der Materie in der Atom- und Festkörperphysik bis hin zum Einblick in den Aufbau des Universums und dessen Ursprung in Zeit und Raum im Rahmen von Astrophysik und Kosmologie.

Physik ist Grundlage jeder technischen Entwicklung. Erst das physikalische Verständnis der Vorgänge und Zusammenhänge in der Natur und dessen Abstraktion in mathematische Formulierungen ermöglicht einen gezielten technischen Fortschritt. Alle anderen Naturwissenschaften, ebenso wie die Ingenieurwissenschaften, gründen letztlich in der Physik und entwickeln darauf ihre eigene Disziplin. Tatsächlich gingen technischen Innovationen häufig bahnbrechende physikalische Erkenntnisse voraus.

Im 19. Jahrhundert war das Verständnis der Thermodynamik Basis für die Entwicklung thermischer Maschinen wie Dampfmaschine und Verbrennungsmotor. Gleiches gilt für die Erforschung des Elektromagnetismus und den Einzug der Elektrizität in das Alltagsleben. Im 20. Jahrhundert waren es vor allem die Einsichten der modernen Quantenphysik, die Innovationen wie Nachrichtentechnik, Elektronik, Kernenergienutzung oder Laser erst ermöglichten.

Heute erleben wir, wie immer öfter selbst abstrakteste physikalische Einsichten und Konzepte zum Nutzen der Menschen eingesetzt werden. Als nur ein Beispiel sei hierfür die Kernspintomografie genannt. Selbstverständlich profitiert auch die Physik von anderen Wissenschaften, insbesondere von der Ingenieurskunst und der Mathematik. Experimentelle Aufbauten sind ohne den kreativen Beitrag von Ingenieuren ebenso wenig denkbar wie physikalische Theorien ohne die Mathematik.

Die Methode der Physik – wie aller Naturwissenschaften – ist die Erforschung der Natur durch Beobachtung und Experiment und die Erklärung der Erscheinungen durch Modelle und Naturgesetze im Rahmen von Theorien. Eine Naturerscheinung gilt dann als erklärt und verstanden, wenn es eine Theorie, aufbauend auf bekannten bewiesenen Modellen und Gesetzen, dazu gibt.

Umgekehrt gilt eine neue Theorie erst dann als bewiesen, wenn mehrere unabhängige experimentelle Befunde oder Beobachtungen sie bestätigen. Experimentalphysiker und Theoretiker spornen sich bei diesem Wechselspiel auf fruchtbarste Weise gegenseitig an. So wurde die spezielle Relativitätstheorie erst vierzehn Jahre nach ihrer Veröffentlichung, durch exakte Vermessung von Sternpositionen bei einer totalen Sonnenfinsternis, endgültig bestätigt. Andererseits dauerte es fast 30 Jahre, bis die vielfach gemessenen Linienspektren des Wasserstoffatoms eine erste theoretische Begründung im Bohr’schen Atommodell fanden.

1.2 Größen und Einheiten

Eine physikalische Größe besteht aus Zahlenwert und Einheit.

Man unterscheidet skalare und vektorielle Größen. Im Gegensatz zu skalaren Größen benötigen vektorielle Größen zur vollständigen Charakterisierung zusätzlich noch die Angabe einer Richtung im Raum. Beispiele für vektorielle Größen sind die Geschwindigkeit v , , die Beschleunigung a , , die Kraft F roder der elektrische Strom I , .

Die Formelzeichen vektorieller Größen werden zur Kennzeichnung mit einem Pfeil versehen. Wird der Pfeil weggelassen, ist der Betrag des Vektors gemeint. Beispiele für skalare Größen sind die Zeit t, die Masse m oder die Temperatur T. Alle physikalischen Größen gründen auf sieben Basisgrößenarten, denen nach dem internationalen Einheitensystem SI (Système International d’Unités) jeweils eine Basiseinheit zugeordnet ist (Tabelle 1.1).

Die Basiseinheiten werden durch möglichst unveränderliche und ortsunabhängige Normale oder durch Definitionen auf Grundlage von Naturkonstanten festgelegt (Beispiel 1.1). Alle weiteren zulässigen SIEinheiten werden daraus in Form von Potenzprodukten ohne Zahlenfaktor kohärent abgeleitet.