Physik für BiologInnen - Biologie learn online

Biologie (Subject) / Physik für BiologInnen (Lesson)

Grundlagen der Physik für BiologInnen

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Konzept einer Kraft - Kraft ist die Fähigkeit etwas zu bewirken. - Als physikalischer Begriff bezeichnet Kraft die Fähigkeit die Bewegung eines Körpers zu ändern ( Richtungsänderung, Beschleunigung, Abbremsung) oder auch eine Körper zu verformen
Arten von Kräften: - elastische Kraft - Reibungskraft - Federkraft - Elektrische Kraft - Schwerkraft (Gravitation)
Gleichförmige geradlinige Bewegung - Diese Bewegung ist gegeben, wenn in gleichen Zeiten gleiche Wege zurückgelegt werden. - Graphische Darstellung dieser Bewegung im Weg- Zeit Diagramm. (x- Achse: Zeit(t), y- Achse: Weg (s))
Umrechnung zwischen den gebräuchlichen Geschwindigkeitseinheiten m/s und km/h: 1 km/h = 1000m : 3600s = (1:3,6) m/s = 0,277 m/s
Beschleunigung - Ändert sich die Geschwindigkeit, so wirkt eine Beschleunigung (bzw. Abbremsung)
Zusammensetzung von Bewegungen Führt ein körper mehrere Bewegungen aus, so ergibt sich: Gesamtbewegung = Addition der Einzelbewegungen Gesamtweg = vektorielle Addition der einzelnen Wege Gesamtgeschwindigkeit = Addition der einzelnen Geschwindigkeiten
vektorielle Addition Also ist (http://www.mathematik-wissen.de/addition_von_vektoren.htm)
Freier Fall - Bewegung mit konstanter Beschleunigung - Ein frei fallenender Körper wird immer schneller
Isaac Newton's 1. Axiom (Trägheitsprinzip) Ein Körper verharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, solange die Summe aller auf ihn einwirkenden Kräfte Null ist.
Trägheit eines Körpers Die Trägheit eines Körpers ist proportional zur Masse Die Trägheit ist eine inhärente (inbegriffen, eingeschlossen) Eigenschaft der Masse das Gewicht ist von der Gravitation abhängig.
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Isaac Newton's 2. Axiom (Aktionsprinzip) Die Änderung der Bewegung einer Masse ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt.
Kraft F Kraft ist die Ursache einer Beschleunigung und auch proportional zur Beschleunigung. Auf Galileis Experimenten aufbauend formulierte Newton das Aktionsprinzip Kraft ist unsichtbar, aber man erkennt sie an ihrer Wirkung( man spricht in der Physik von Wechselwirkung) Resultate dieser Wirkung sind z.B. Bewegungsänderungen, Verformungen Materieumwandlungen,..
Isaac Newton's 3. Axiom (Reaktionsprinzip) Die Beobachtung, dass Kräfte immer bei Wechselwirkungen auftreten, bedeutet, dass auch zu jeder Kraft eine Gegenkraft existieren muss. Diese hat Newton folgendermaßen formuliert. Kräfte treten immer paarweise auf. Übt ein Körper A auf einen anderen Körper B eine Kraft aus (actio), so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von Körper B auf Körper A (reactio).
Schwerkraft Bekannteste Kraft auf unserem Planeten. Frei fallende Körper führen eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung aus, mit der ziemlich konstanten Beschleunigung g=9,81 m/s2 Die Beschleunigung ist durch die Schwerkraft Fg= m*g hervorgerufen Die Schwerkraft steht normal auf die Erdoberfläche Eine Masse von 1 kg wird von der Erde mit der Kraft von 9,81 N (Newton) angezogen. Diese Kraft wird auch Gewicht genannt F = Kraft in Newton m = Masse in Kg a = Beschleunigung in m/s^2 Fg = Gewichtskraft in Newton g = Erdbeschleunigung (Bei uns 9.81 m/s^2)
Gravitationsgesetz Das Newton´sche Gravitationsgesetz besagt, dass sich die Gravitationskraft F, mit der sich zwei Massen m und M anziehen, proportional zu den Massen beider Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes r der Massenschwerpunkte verhält.
Kräftezerlegung auf der schiefen Ebene Die Kraft FG ist die Gewichtskraft des Körpers. Diese berechnet sich aus Masse mal Erdbeschleunigung für das Objekt. Die Einheit ist Newton. FA ist die Hangabtriebskraft. Diese entspricht der Kraft, welche das Objekt nach unten rutschen lässt. Die Einheit ist Newton. FN die Normalkraft. Diese entspricht der Kraft, welche das Objekt auf den Berg drückt. Die Einheit ist Newton.
Arbeit, Energie und Leistung Mechanische Arbeit W wird verrichtet, wenn ein Körper entgegengesetzt zu einer wirkenden Kraft bewegt wird. Also in diesem Fall gilt: ARBEIT = KRAFT* WEG Der Körper hat das Potenzial Arbeit zu verrichten er besitzt eine potenzielle Energie. Da in Ruhe keine Arbeit geleistet werden kann, kann der Körper beim Runterfallen von der Höhe h die aufgewendete Arbeit abgeben. Jetzt wird aber die potenzielle Energie in Bewegungsenergie, kinetische Energie, umgewandelt.
Leistung Leistung= verrichtete Arbeit/ Zeit Aus dieser Definition kann der bekannte Begriff der Kilowattstunde (kWh) ermittelt werden. Leistung * Zeit= Energie 1kWh= 1000W * 3600s= 3,6 * 106 J=3,6 MJ
Energieerhaltungssatz Die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System bleibt konstant.
Drehbewegung (starrer Körper) Die Drehung wird stärker mit zunehmender Kraft F und wenn der Hebelarm r verlängertwird Wir definieren: Drehmoment M= Hebelarm r * Kraft F Die wirkende Kraft F kann in 2 Komponenten zerlegt werden. Nur die F1 Komponente erzeugt ein Drehmoment M M= r x F ; [M]= 1 Nm (nicht Joule!!!!) - Vektorprodukt: - Das Ergebnis ist ein Vektor, mit Richtung senkrecht zu den beiden Ausgangsvektoren - Der Betrag des Ergebnisvektors entspricht der von den Ausgangsvektoren aufgespannten Fläche - Betrag: „ Produkt der Beträge beider Vektoren und des Sinus des Winkels zwischen den Vektoren“
Drehung um eine Achse - Winkelgeschwindigkeit - Unter der Winkelgeschwindigkeit versteht man die zeitliche Änderung des Drehwinkels bei einer Rotation - Die Winkelgeschwindigkeit gibt an, wie schnell etwas rotiert. - Winkelgeschwindigkeit ist unabhängig von der Entfernung von der Drehachse - Die Einheit der Winlegeschwindigkeit ist red/s bzw. 1/s
Reibungskräfte - Schiebt man Körper gegeneinander, so werden unabhängig vom vorliegenden Aggregatzustand, Reibungskräfte wirksam. - äußere Reibung: Reibung zwischen den Außenflächen fester Körper - Innere Reibung: Fluidreibung, d.h. Reibung zwischen den Fluidteilchen ( Zähigkeit, Viskosität) - Die Reibungskräfte zwischen den Berührungsflächen zweier Körper sind der Bewegungsrichtung stets entgegengesetzt. - Auch die Luft verursacht Reibung, was die Höchstgeschwindigkeit von Objekten begrenzt.. Hier spielt die Körperform eine große Rolle
Elastizität und Festigkeit - Elastische und nichtelastische Deformation - Festigkeit von Stoffen - Tragfähigkeit von Strukturen Jede Krafteinwirkung führt zu einer Deformation des Körpers. (Dehnung, Kompression, Scherung, daraus ableitbar Torsion und Biegung)
Hooke`sches Gesetz Das Hooke`sche Gesetz beschreibt das elastische Verhalten von Festkörpern, deren elastische Veformung linear proportional zur anliegenden Spannung σ ist. D=F/s D= Federkonstante (N/m) F= Kraft (N) s= Federdehnung (m)
Schweredruck in Flüssigkeiten Dichte= Masse/ Volumen - Der Schweredruck hängt nur von der Höhe der Flüssigkeitssäule und der Dichte ab (linearer Anstieg) - In nach oben göffneten Gefäßen wirkt zusätzlich noch der äußere atmosphärische Druck auf die Flüssigkeitsoberfläche.
Resonanz ist in Physik und Technik das verstärkte Mitschwingen eines schwingungsfähigen Systems. Bei periodischer Anregung muss die Anregungsfrequenz in der Nähe einer Resonanzfrequenz des Systems liegen. Eine Folge von Anstößen mit der Eigenfrequenz führt zur großer Amplitude –Resonanz
Schwebung Als Schwebung bezeichnet man die Resultierende der additiven Überlagerung (Superposition) zweier Schwingungen, die sich in ihrer Frequenz nur wenig voneinander unterscheiden, so dass es zu Interferenz kommt.
Zentrifugalkraft auch Fliehkraft, ist eine Trägheitskraft, die radial von der Rotationsachse nach außen gerichtet ist. Sie wird durch die Trägheit des Körpers verursacht. die Zentrifugalkraft ist diejenige Kraft , die mit der Zentripetalkraft im dynamischen Gleichgewicht steht.
Bernoullische Gleichung Es besteht das Gesamt- Druckgleichgewicht und Energiegleichgewicht im System. Die geleistete Arbeit beim Strömen ist gleich der kin. Energie der bewegten Wassermenge.
Stokes Gesetz Die Reibungskraft FStokes, die eine in einer viskosen Flüssigkeit fallende makroskopische Kugel erfährt ist proportional zur Geschwindigkeit v.
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Hagen-Poiseuille`sches Gesetz Daraus resultiert, dass die Geschwindigkeit im Zentrum am höchsten ist und zu den Wänden hin abnimmt. Das Strömungsprofil wird parabolisch - Die Durchflussmenge ist proportional der druckdifferenz - Durchflussmenge ist umgekehrt proportional der Rohrlänge und der Zähigkeit - Die Durchflussmenge ist proportional zu der 4. Potenz des Radius der Röhre
Schwingungen Schwingungen sind zeitlich periodische Prozesse (z.B. Pendel, Molekülschwingung) - Harmonische Schwingungen (ungedämpft) sind zeitlich periodische Prozesse, deren Größe (Auslenkung) z.B. einer Sinusfunktion folgt. Schwingung in physikalischen Systemen: Eine Schwingung beschreibt den Verlauf einer Zustandsänderung, wenn ein System auf Grund einer Störung aus dem Gleichgewicht gebracht und durch eine rücktreibende Kraft wieder in Richtung des Ausgangszustandes gezwungen wird. Schwingen eines Systems basiert auf der Energieumwandlung zwischen zwei Energieformen. Harmonische Schwingung– Proportionalität zwischen der Auslenkung aus der Ruhelage und rücktreibender Kraft
Wellen-Ausbreitung von Schwingungen - Wellen sind zeitlich und räumlich periodische Prozesse - Wellen können transversal / longitudinal sein
Longitudinalwellen Die Schwingung (Störung) des Mediums erfolgt parallel zur Ausbreitungsrichtung. Schall als Druckwelle, in Luft, in Festkörpern(Lärm dringt auch durch Fensterscheiben) oder in Flüssigkeiten (Walgesang).
Transversalwellen Die Schwingung (Störung) des Mediums erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wasserwellen als Oberflächenwellen. Sie breiten sich waagrecht aus, die Schwingung selbst erfolgt jedoch in der Senkrechten. Stehende Welle: Beispiel -eine Seilwelle.
Schall - eine mechanische Welle, die durch einen schwingenden Körper erzeugt wird. - Die Moleküle des Mediums (elastisch) werden zum „Mitschwingen“ veranlasst und übertragen die Störung. - Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium nach allen Richtungen symmetrisch von der Schallquelle weg aus.
Frequenzbereiche - Infraschall < 16 Hz ; für Menschen nicht hörbar - Hörschall 16 Hz -20 kHz ; ist für Menschen hörbar - Ultraschall 20 kHz -1 GHz; für Menschen nicht hörbar
Hörprozess Umwandlung mechanischer Energie (Druckänderungen in der Luft) durch Hörvorhang in Signale die im auditiven Hirnbereich verarbeitet werden. Die Hörfläche ist ein Frequenz-und Pegelbereich von Schall, der vom normalen menschlichen Gehör wahrgenommen werden kann.
Beugung von Wellen - Beugung ist die Ablenkung von Wellen um Hindernisse oder Kanten von Öffnungen. - Tritt eine Welle auf eine Öffnung so ergeben die Kugelwellen nach dem Passieren dieser Öffnung je nach ihrer Größe diverse Formen der Wellenfläche. - Die Beugung wird bemerkbar wenn die Größe d von Öffnungen (Hindernissen) vergleichbar mit der Wellenlänge ist λ.
Geometrische Optik - Die Erfahrung zeigt, dass sich Licht in einem homogenen Medium geradlinig ausbreitet. - An den Grenzschichten zu anderen Medien kann Licht reflektiert, gebrochen oder aufgespalten werden. - Die geometrische Optik ist eine Näherung der Optik, in der die Welleneigenschaften des Lichtes vernachlässigt werden, weil die mit dem Licht wechselwirkenden Strukturen (Spiegel, Linsen, Platte, ...) groß im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichtes sind. - Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von ca. 400-700 nm. Diese Größe ist somit wesentlich kleiner als Alltagsgegenstände.
Wirkung eines Hohlspiegels Für die Hauptstrahlen gilt folgendes: Parallelstrahlen gehen durch den Brennpunkt F Brennstahlen werden parallel reflektiert Mittelpunktstrahlen werden in sich reflektiert
Wellenoptik Die geometrische Optik kann nicht die Erscheinungen wie Interferenz, Beugung oder Streuung erklären. Es sind typische Welleneigenschaften.
Auflösungsvermögen -Mikroskop Der kleinste noch beobachtbare Abstand zweier Punkte d, nennt man das Auflösungsvermögen. Es ist beschränkt durch die Beugungseffekte. ist gegeben durch : NA –numerische Apertur eines Objektives (beschreibt das Vermögen eines optischen Elements, Licht zu fokussieren)
Wiensches Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien) - Erhitzt man zunehmend einen Körper, so wird seine Wärmestrahlung immer kurzwelliger und man kann erreichen, dass er sichtbares Licht abstrahlt. - Die Regel, dass die Wellenlänge der Wärmestrahlung bei steigender Temperatur kleiner wird(Rotglut→Weissglut(bläulich)) , nennt man nach dem Physiker Wilhelm Wien Wiensches Verschiebungsgesetz. Dieses Gesetz wurde empirisch gefunden
Kirchhoffsches Strahlungsgesetz Nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz sind für jeden Körper für jede Wellenlänge das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen für thermische Strahlung proportional zueinander
Dispersion des Lichtes - Licht unterschiedlicher Wellenlänge(Farbe) wird unterschiedlich stark gebrochen an der Grenze zweier Medien (z. B. Glas-Luft). - In den üblichen optischen Gläsern wird blaues Licht stärker gebrochen als rotes Licht. Der physikalische Grund dafür ist die von der Wellenlänge des Lichtes abhängige Brechzahl n. - Dies bezeichnet man in der Optik als Dispersion.
Thermodynamik - Konzept der Temperatur, - Temperaturmessung und - Wärmeaufnahme von Körper, - Wärmetransport - Umwandlungswärmen - Aggregatzustände vom Wasser - Relative Feuchte
Temperatur - Entstehung der phänomenologischen Temperaturskalen (Fahrenheit, Reaumur, Celsius) - Sind zwei Körper unterschiedlicher Temperatur in Wärmekontakt, so wird solange Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen, bis beide im thermischen Gleichgewicht stehen und die gleiche Temperatur angenommen haben. - Es gibt dabei drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung
Nullter Hauptsatz der Thermodynamik: Wenn ein System A sich mit einem System B sowie B sich mit einem System C im thermischen Gleichgewicht befinden, so befindet sich auch A mit C im thermischen Gleichgewicht –das Gleichgewicht ist transitiv.
Physikalischer Nullpunkt physikalischen Nullpunkt – die absolute Temperatur von 0K= -273,16°C