Zusammenfassung:
Diese Lehrveranstaltung untersucht die kontinuierlichen Körper in der Physik. Sie beginnt mit punktförmigen Objekten, zeigt jedoch, wie die newtonsche Mechanik erklärt, dass aus vielen Teilchen bestehende Objekte die Kontinuität der Natur simulieren können. Sie rekapituliert die Newtonschen Gesetze, um die Bewegung und die Ursachen in den Teilchen zu verstehen. Hervorgehoben wird, dass zusammengefügte Körper einzigartige Eigenschaften erwerben und je nach Reaktion auf äußere Kräfte in Festkörper, Flüssigkeiten und Gase klassifiziert werden.

Lernziele:
Nach Abschluss dieser Stunde wird der Studierende in der Lage sein:

1. zu verstehen, wie die möglichen Zustände der relativen Bewegung zwischen den Punkten der Materie die Zustände der Materie reproduzieren können.
2. die neuen Eigenschaften zu erkennen, die aus den Teilchen entstehen, wenn diese ein Konglomerat bilden.
3. den Zusammenhang zu verstehen zwischen der Mechanik der Teilchen und derjenigen der kontinuierlichen Medien.

INHALTSVERZEICHNIS:
KONTINUIERLICHE KÖRPER IN DER PHYSIK
WIE KÖNNEN WIR KONTINUIERLICHE KÖRPER IN DER PHYSIK VERSTEHEN?
DIE PHYSIK DES KONTINUUMS

Kontinuierliche Körper in der Physik

In der Physik beginnt man häufig mit der Untersuchung punktförmiger Objekte und idealer, bevor man sich komplexeren und realistischeren Systemen zuwendet. Obwohl die Natur keine punktförmigen Objekte aufweist, ist dieser Ansatz sinnvoll, weil er die Konzepte einfacher und verständlicher zugänglich macht. Die newtonsche Mechanik wurde beispielsweise vor der Physik des Kontinuums entwickelt; daher ist es wichtig, mit ihren Gesetzen vertraut zu sein, um zu verstehen, wie kontinuierliche Objekte, die aus einer großen Anzahl winziger Teilchen bestehen, die Kontinuität, die wir in der Natur beobachten, „simulieren“ können.

Erinnerung an die Newtonschen Gesetze

Die Physik untersucht die Phänomene, die sich in der Natur verändern, denn ohne Veränderung ist keine Wahrnehmung möglich. Deshalb ist es wichtig, die grundlegenden Konzepte der newtonschen Mechanik in Erinnerung zu rufen, die es uns ermöglichen, die Bewegung der Teilchen und ihre Ursachen sowie die Position, den Impuls und deren Veränderungen zu verstehen.

Position und Impuls sind Eigenschaften der Materie, die sich auf den Ort und die Bewegung eines Objekts im Raum beziehen. Alle massiven Objekte haben eine Position und einen Bewegungszustand.

Erinnern wir uns an die drei Newtonschen Gesetze.

• ERSTES GESETZ: Trägheitsgesetz:
  In Abwesenheit einer äußeren Einwirkung behält jeder Körper seinen Bewegungszustand bei
• ZWEITES GESETZ: Kraft- und Massengesetz:
  Wenn sich der Bewegungszustand eines Körpers ändert, geschieht dies durch die Einwirkung einer Kraft, und diese ist gleichbedeutend mit der zeitlichen Änderung des Bewegungszustands

  \displaystyle\vec{F}= \frac{d\vec{p}}{dt}

• DRITTES GESETZ: Actio-et-Reactio-Gesetz
  Jeder „Aktion“-Kraft entspricht eine andere „Reaktion“-Kraft gleicher Größe, jedoch entgegengesetzter Richtung.

Wie können wir kontinuierliche Körper in der Physik verstehen?

Ein kontinuierlicher Körper ist ein Konglomerat punktförmiger Objekte; der Ast eines Baumes oder das Blut unseres Körpers bestehen aus Teilchen, die so klein in ihrer Größe und zahlreich sind, dass sie zusammengefügt einer „Kontinuität“ ähneln.

Körper, die aus einem Konglomerat gebildet werden, erwerben Eigenschaften, die ihre Teile einzeln nicht besitzen.

• Die Position jedes Teilchens in Bezug auf die übrigen bestimmt die Form des Körpers.
• Der Bewegungszustand des gesamten Körpers beruht auf dem kollektiven Bewegungszustand aller Teilchen als Ganzes.
• Und die Möglichkeiten der relativen Bewegung zwischen den Materiepunkten erzeugen die Zustände der Materie.

All diese Dinge sind veränderlich. Somit können wir die Körper anhand dieser physikalischen Eigenschaften danach klassifizieren, wie sie sich unter der Wirkung einer äußeren Kraft verändern.

Arten kontinuierlicher Körper in der Physik

Kontinuierliche Körper werden wie folgt klassifiziert:

Diejenigen, bei denen die relative Position zwischen ihren Teilchen in Abwesenheit äußerer Kräfte dazu neigt, konstant zu bleiben.

In Festkörpern neigt die relative Position zwischen den Teilchen, aus denen sie bestehen, dazu, konstant zu bleiben, sofern keine äußere Kraft angewendet wird. In diese Kategorie fallen Körper aus Stahl, Holz, Knochen oder Gummi. Die relative Position zwischen den Teilchen wird durch zwei Arten von Kräften aufrechterhalten: einerseits die rückstellenden Kräfte, die jeder Kraft widerstehen, die versucht, die Teilchen aus ihrer relativen Position zu bewegen, und andererseits die dissipativen Kräfte, die die durch die Einwirkung der äußeren Kraft eingebrachte Energie freisetzen, bis sie verschwindet. Die rückstellenden Kräfte sind dafür verantwortlich, dass eine Feder nach einer Störung schwingt, während die dissipativen Kräfte dafür verantwortlich sind, dass sich eine Eisenstange beim Biegen erwärmt.

Und jene, bei denen im Gegensatz dazu die relative Position zwischen ihren Teilchen selbst in Abwesenheit äußerer Kräfte variiert.

Bei Fluiden hingegen ändert sich die relative Position zwischen den Teilchen, auch wenn keine äußeren Kräfte ausgeübt werden und selbst wenn der Körper seine Form bewahrt. Die in einer Flasche eingeschlossene Luft oder das Wasser in einem Eimer sind solcher Natur. Die rückstellenden Kräfte, die jeden Teil an seinem Platz halten, sind nahezu nicht vorhanden, und die dissipativen Kräfte sind für das Phänomen der Viskosität verantwortlich.

Diese werden in zwei Arten unterteilt:

Flüssige Körper:

Es existieren innere Kräfte, die stark genug sind, um den durchschnittlichen relativen Abstand, jedoch nicht die Position, zwischen den Teilchen zu bewahren, wodurch die Substanz insgesamt dazu neigt, ein konstantes Volumen beizubehalten.

Gasförmige Körper:

In Abwesenheit von Einschränkungen besitzen sie kein festes Volumen. Die Teilchen bewegen sich frei im verfügbaren Raum. Wenn sie in einem Gefäß eingeschlossen sind, stellt jeder Punkt im Innern eine mögliche Position für die Teilchen des Gases dar.

Der Hauptunterschied zwischen Festkörpern und Fluiden besteht darin, dass Festkörper ihre Form zu bewahren versuchen und Fluide nicht. Wenn ein Festkörper seine Form ändert, versucht er entweder, sie wiederherzustellen, oder er erwärmt sich (mindestens eines der beiden), und er kann sogar brechen; hingegen leisten Fluide dem Bewegungsvorgang ihrer Teilchen wenig Widerstand und passen sich im Gegensatz zu Festkörpern dem Gefäß an, das sie enthält.

Die Physik des Kontinuums

Diese Wissenschaft befasst sich mit der Untersuchung kontinuierlicher Körper in einigen der Zustände, die wir gerade beschrieben haben und ihren physikalischen Eigenschaften; aber wie wir gesehen haben, wird angenommen, dass die Anzahl und die Größe der Partikel, aus denen der Körper besteht, so sind, dass er sich wie ein kontinuierliches Objekt verhält. In dieser Wissenschaft spricht man zwar von „Kräften zwischen Teilchen“, geht aber nicht auf ihre Natur ein, sei es elektromagnetisch, quantenmechanisch oder einfache Stöße; stattdessen handelt es sich um eine kollektive Analyse. Eine detaillierte Analyse solcher Situationen, in denen die Arten der Kräfte zwischen Teilchen berücksichtigt werden, gehört eher zur statistischen Mechanik. Aus dieser Wissenschaft gehen andere hervor, je nach Art des untersuchten Körpers und dem Ansatz, der für diese Untersuchung gewählt wird.

• Physik des Kontinuums
  • Mechanik der Festkörper
    Untersucht das Verhalten von festen Materialien unter verschiedenen Arten von Deformationsbelastungen.
  • Fluidmechanik
    • Hydrodynamik: Untersucht das Verhalten der Flüssigkeiten
    • Pneumatik: Untersucht das Verhalten der Gase