Physik im Bauwesen Grundwissen und Bauphysik ; mit 126 Beispielen, 35 Versuchen, 63 Tabellen und 102 Aufgaben mit Lösungen
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| Format: | Buch |
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München
Fachbuchverl. Leipzig im Carl Hanser Verl.
2008
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| Schriftenreihe: | Lehrbücher des Bauingenieurwesens
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Grundlagen..........................................................................................................13
1 Einführung.....................................................................................................................................................13
1.1 Physikalische Größen.....................................................................................................................................13
1.1.1 Symbolik..........................................................................................................................................................13
1.1.2 Maßeinheiten...................................................................................................................................................13
1.1.3 Größen- und Zahlenwertgleichungen..............................................................................................................14
1.2 Fehlerrechnung...............................................................................................................................................15
1.2.1 Fehlerarten......................................................................................................................................................15
1.2.2 Fehler einer Messreihe....................................................................................................................................16
1.2.3 Fehlerfortpflanzung.........................................................................................................................................17
1.2.4 Lineare Regression (Ausgleichsgerade).........................................................................................................19
2 Mechanik........................................................................................................................................................22
2.1 Kinematik und Dynamik...................................................................................................................................22
2.1.1 Punktmasse, starrerund elastischer Körper...................................................................................................22
2.1.2 Eindimensionale Bewegung............................................................................................................................23
2.1.3 Bewegung im Raum........................................................................................................................................24
2.1.4 NEWTONsche Axiome......................................................................................................................................26
2.1.5 Arbeit, Leistung und Energie...........................................................................................................................29
2.2 Erhaltungssätze...............................................................................................................................................31
2.2.1 Impulssatz.......................................................................................................................................................31
2.2.2 Energiesatz.....................................................................................................................................................31
2.3 Bewegte Bezugssysteme................................................................................................................................32
2.3.1 Inertialsystem..................................................................................................................................................32
2.3.2 Translatorisch beschleunigte Bezugssysteme...............................................................................................32
2.3.3 Gleichförmig rotierendes Bezugssystem........................................................................................................33
2.4 Aufbau der Stoffe............................................................................................................................................34
2.4.1 Atome, Moleküle, Ionen...................................................................................................................................34
2.4.2 Bindungskräfte und -arten, Aggregatzustände..............................................................................................36
2.4.3
Kontinuum
.......................................................................................................................................................37
2.5 Feste Körper....................................................................................................................................................40
2.5.1 Starrer Körper..................................................................................................................................................40
2.5.2 Kräfte am starren Körper.................................................................................................................................40
2.5.3 Statik................................................................................................................................................................42
2.5.4 Starrer
Rotator
.................................................................................................................................................44
2.5.5 Äußere Reibung..............................................................................................................................................45
2.5.6 Elastische Stoffe..............................................................................................................................................46
2.6 Flüssigkeiten und Gase...................................................................................................................................49
2.6.1 Kennzeichen der Flüssigkeiten und Gase......................................................................................................49
2.6.2 Oberflächenspannung.....................................................................................................................................49
2.6.3 Druck in Flüssigkeiten und Gasen..................................................................................................................50
Inhaltsverzeichnis
2.6.4 Flüssigkeiten und Gase im Schwerefeld.........................................................................................................51
2.6.5 Bewegte Flüssigkeiten und Gase....................................................................................................................51
3 Felder..............................................................................................................................................................56
3.1 Gravitationsfeld...............................................................................................................................................56
3.1.1 Feldstärke........................................................................................................................................................56
3.1.2 Potenzial..........................................................................................................................................................56
3.2 Statisches elektrisches Feld............................................................................................................................57
3.2.1 Elektrostatik.....................................................................................................................................................57
3.2.2 Elektrostatik der Metalle..................................................................................................................................58
3.2.3 Nichtleiter im elektrischen Feld.......................................................................................................................59
3.3 Stationärer elektrischer Strom.........................................................................................................................60
3.3.1 Gleichstrom in Metallen und Flüssigkeiten....................................................................................................60
3.3.2 Gesetze des Ladungstransportes...................................................................................................................61
3.4 Statisches magnetisches Feld........................................................................................................................63
3.4.1 Magnetostatik..................................................................................................................................................63
3.4.2 Stoffe im Magnetfeld.......................................................................................................................................63
3.4.3 Magnetische Wirkungen elektrischer Ströme.................................................................................................65
3.4.4 Kräfte im Magnetfeld.......................................................................................................................................66
3.5 Instationäre Felder..........................................................................................................................................66
3.5.1 Elektromagnetische Induktion.........................................................................................................................66
3.5.2 Wechselstrom..................................................................................................................................................67
4 Schwingungen und Wellen..........................................................................................................................69
4.1 Mechanische Schwingungen..........................................................................................................................69
4.1.1 Harmonische Schwingungen..........................................................................................................................69
4.1.2 Gedämpfte harmonische Schwingung............................................................................................................70
4.1.3 Erzwungene harmonische Schwingungen.....................................................................................................71
4.1.4 Überlagerung von Schwingungen...................................................................................................................74
4.1.5 Schwingungen ausgedehnter Medien.............................................................................................................76
4.2 Mechanische Wellen.......................................................................................................................................77
4.2.1 Wellengleichung..............................................................................................................................................77
4.2.2 Wellenarten.....................................................................................................................................................79
4.2.3 Reflexion, Brechung und Beugung.................................................................................................................79
4.2.4 Stehende Wellen.............................................................................................................................................81
4.2.5 Doppler-Effekt.................................................................................................................................................81
4.3 Elektromagnetische Wellen.............................................................................................................................82
4.3.1 Wellengleichung..............................................................................................................................................82
4.3.2 Elektromagnetisches Spektrum......................................................................................................................82
4.3.3 DOPPLER-Effekt für elektromagnetische Wellen..............................................................................................83
4.3.4 Strahlenoptik...................................................................................................................................................83
4.3.5 Wellenoptik......................................................................................................................................................87
5 Thermodynamik.............................................................................................................................................90
5.1 Temperatur und Wärmemenge.......................................................................................................................90
5.1.1 Temperaturskalen...........................................................................................................................................90
Inhaltsverzeichnis
5.1.2 Thermische Ausdehnung................................................................................................................................90
5.1.3 Wärmekapazität..............................................................................................................................................91
5.2 Zustandsänderungen......................................................................................................................................92
5.2.1 Zustandsgrößen..............................................................................................................................................92
5.2.2 Zustandsgieichungen......................................................................................................................................92
5.2.3 Thermodynamische Prozesse.........................................................................................................................93
5.3 Phasenumwandlungen....................................................................................................................................95
5.3.1 Aggregatzustände und Phasen.......................................................................................................................95
5.3.2 Umwandlungswärmen.....................................................................................................................................96
6 Strahlung und Materie..................................................................................................................................98
6.1 Atomspektren..................................................................................................................................................98
6.1.1 Quantelung der Energie..................................................................................................................................98
6.1.2 Induzierte Emission.........................................................................................................................................99
6.2 Wechselwirkung von Strahlung und Materie.................................................................................................100
6.2.1 Photo-und COMPTON-Effekt..........................................................................................................................100
6.2.2 Bremsstrahlung.............................................................................................................................................100
6.2.3 Paarbildung...................................................................................................................................................101
6.3 Radioaktivität.................................................................................................................................................101
6.3.1 Instabile Kerne..............................................................................................................................................101
6.3.2 Zerfallsgesetz................................................................................................................................................101
Bauphysik..........................................................................................................104
7 Gegenstand der Bauphysik........................................................................................................................104
8 Wärmetransport...........................................................................................................................................106
8.1 Temperaturausgleich.....................................................................................................................................106
8.1.1 Temperaturmessung.....................................................................................................................................106
8.1.2 Arten des Wärmetransportes.......................................................................................................................107
8.2 Wärmeleitung................................................................................................................................................108
8.2.1 Stationärer Wärmestrom..............................................................................................................................108
8.2.2 Messverfahren für die Wärmeleitfähigkeit.....................................................................................................110
8.2.3 Wärmedurchgang..........................................................................................................................................111
8.2.4 Wärmediffusion.............................................................................................................................................115
8.2.5 Temperaturwellen........................................................................................................................................117
8.2.6 Kurzzeitige Wärmeableitung.........................................................................................................................121
8.3 Wärmekonvektion..........................................................................................................................................123
8.3.1 Konvektionsstromdichte................................................................................................................................123
8.3.2 Lüftungswärmeverlust...................................................................................................................................124
8.4 Wärmestrahlung............................................................................................................................................125
8.4.1 Strahlungsgesetze.........................................................................................................................................125
8.4.2 Strahlungsabsorption,
-reflexion
und
-transmission
.....................................................................................126
8.5 Energieberechnungen...................................................................................................................................128
8.5.1 Wärmedurchgang durch transparente Bauteile............................................................................................128
8.5.2 Jahres-Heizwärmebedarf..............................................................................................................................128
10 Inhaltsverzeichnis
9 Feuchtigkeitstransport...............................................................................................................................130
9.1 Kapillarität......................................................................................................................................................130
9.2 Luftfeuchtigkeit..............................................................................................................................................131
9.2.1 Absolute und relative Luftfeuchtigkeit...........................................................................................................131
9.2.2 Taupunkt........................................................................................................................................................134
9.2.3 Messverfahren für die Luftfeuchtigkeit..........................................................................................................134
9.3 Wasserdampfdiffusion...................................................................................................................................135
9.3.1 Stationärer Dampfstrom................................................................................................................................135
9.3.2 Dampfleitfähigkeit..........................................................................................................................................137
10 Schallausbreitung.......................................................................................................................................140
10.1 Schallfeldgrößen...........................................................................................................................................140
10.1.1 Wellengleichung............................................................................................................................................140
10.1.2 Schallgeschwindigkeit...................................................................................................................................141
10.1.3 Schalldruck und Schallschnelle.....................................................................................................................141
10.1.4 Klanganalyse.................................................................................................................................................142
10.1.5 Stehende Schallwellen..................................................................................................................................143
10.2 Wellenausbreitung.........................................................................................................................................145
10.2.1 Reflexion und Brechung................................................................................................................................145
10.2.2 Beugung........................................................................................................................................................146
10.3 Energiestrom einer Welle..............................................................................................................................147
10.3.1 Energie- und Stromdichte.............................................................................................................................147
10.3.2 Schallstärke und Schallpegel........................................................................................................................148
10.4 Physiologische Akustik..................................................................................................................................149
10.4.1 Hörfläche.......................................................................................................................................................149
10.4.2 Lautheit..........................................................................................................................................................151
10.4.3 Bewertete Schallpegel...................................................................................................................................152
10.4.4 Trägheit der Gehörempfindung.....................................................................................................................152
10.5 Schallabsorption und Schalldämmung.........................................................................................................153
10.5.1 Schluck- und Reflexionsgrad........................................................................................................................153
10.5.2 Schallabsorption............................................................................................................................................154
10.5.3 Nachhall.........................................................................................................................................................155
10.5.4 Schalldämm-Maß..........................................................................................................................................158
10.5.5 Luftschall- und Körperschall-Dämmung........................................................................................................162
10.6 Verkehrslärm.................................................................................................................................................165
10.6.1 Äquivalenter Dauerschallpegel.....................................................................................................................165
10.6.2 Entfernungsgesetz........................................................................................................................................166
10.7 Ultraschall......................................................................................................................................................168
11 Beleuchtung.................................................................................................................................................169
11.1 Lichttechnische Grundbegriffe......................................................................................................................169
11.1.1 Lichtstrom, Lichtstärke, Wirkungsgrad..........................................................................................................169
11.1.2 Beleuchtungsstärke.......................................................................................................................................171
11.1.3 Leuchtdichte, Leuchtdichtefaktor..................................................................................................................171
11.1.4 Messung lichttechnischer Größen.................................................................................................................172
11.2 Tageslicht......................................................................................................................................................173
Inhaltsverzeichnis_____________________________________________________________________________11_
11.2.1 Natürliche Beleuchtung.................................................................................................................................173
11.2.2 Tageslichtquotient.........................................................................................................................................174
11.3 Künstliches Licht...........................................................................................................................................177
11.3.1 Lichterzeugung..............................................................................................................................................177
11.3.2 Temperaturstrahler........................................................................................................................................177
11.3.3 Luminiszenzstrahler......................................................................................................................................178
11.4 Farben...........................................................................................................................................................181
11.4.1 Farbreize.......................................................................................................................................................181
11.4.2 Farbvalenzen.................................................................................................................................................182
11.4.3 Farbempfindungen........................................................................................................................................187
12 Elektrizität....................................................................................................................................................190
12.1 Blitzerscheinungen........................................................................................................................................190
12.1.1 Elektrostatische Grundlagen........................................................................................................................190
12.1.2 Feldstärke und Entladungsmechanismus.....................................................................................................192
12.1.3 Entladungsdauer und
-strom,
Blitzableiter...................................................................................................193
12.2 Elektrostatische Verfahren............................................................................................................................194
12.2.1 Elektrofilter, elektrische Sortierung...............................................................................................................194
12.2.2 Beschichtungsverfahren................................................................................................................................194
12.3 Elektroosmose...............................................................................................................................................195
12.3.1 Unipolare Stromleitung..................................................................................................................................195
12.3.2 Aktive und passive Elektroosmose...............................................................................................................196
12.4 Elektrolytische Erscheinungen......................................................................................................................196
12.4.1 Elektrolytische Verfahren..............................................................................................................................196
12.4.2 Dissoziation...................................................................................................................................................197
12.4.3 Elektrochemisches Entsalzen.......................................................................................................................197
13 Brandschutz.................................................................................................................................................198
13.1 Anforderungen...............................................................................................................................................198
13.2 Brandverlauf..................................................................................................................................................198
13.3 Brandverhalten..............................................................................................................................................200
13.3.1 Stahlkonstruktionen.......................................................................................................................................200
13.3.2 Betonkonstruktionen......................................................................................................................................201
13.3.3 Holzkonstruktionen........................................................................................................................................202
13.4 Nachweisverfahren........................................................................................................................................202
14 Materialprüfung...........................................................................................................................................203
14.1 Grobstrukturuntersuchungen........................................................................................................................203
14.1.1 Wechselwirkung an Atomen, Schwächung..................................................................................................203
14.1.2 Defektoskopie................................................................................................................................................203
14.2 Feinstrukturuntersuchungen.........................................................................................................................204
14.2.1 Wechselwirkung an Gittern, Beugung...........................................................................................................204
14.2.2 Elektronenmikroskopie..................................................................................................................................204
14.2.3 RÖNTGEN-Beugung........................................................................................................................................205
14.3 Sonstige Prüfverfahren..................................................................................................................................207
14.3.1 RÖNTGEN-Fluoreszenzanalyse......................................................................................................................207
12 Inhaltsverzeichnis
14.3.2 Kombinierte Verfahren am Elektronenmikroskop........................................................................................207
14.3.3 Elektronenstrahl-Mikroanalysator
(Mikrosonde)
..........................................................................................208
14.3.4 Streuung von y-Strahlen................................................................................................................................208
14.3.5 Neutronenstreuung........................................................................................................................................210
14.3.6 Magnetische und magnetoinduktive Werkstoffprüfung.................................................................................211
Lösungen....................................................................................................................................................................215
Literaturverzeichnis...................................................................................................................................................225
Verzeichnis der Formelzeichen................................................................................................................................226
Sachwortverzeichnis.................................................................................................................................................236
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