Physik im Alltag für Dummies E-Book

Wilhelm Kulisch

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2016

Seitenzahl: 301

Beschreibung

Wenn man so will, lässt sich so ziemlich alles, was wir um uns herum sehen, auf physikalische Phänomene zurückführen. Wilhelm Kulisch erklärt Ihnen von der Warte eines Physikers die Dinge, die Ihnen in Ihrem Alltag begegnen. Seien es nun Auto und Fahrrad, Mikrowelle und Kühlschrank, Blitz und Regenbogen und vieles mehr. Kurz und knapp beschreibt er, was es hierzu zu wissen gibt, und ermöglicht Ihnen so eine andere Sicht auf die Dinge, die Sie vielleicht sonst als alltäglich kaum wahrgenommen haben oder bei denen Sie sich schon immer gefragt haben, was denn da wohl dahinter steckt.

Leseprobe

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d‐nb.de abrufbar.

1. Auflage 2016

© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

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Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: © iStock.com/drbimages

Korrektur: Frauke Wilkens

Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza

Print ISBN: 978‐3‐527‐71056‐0

ePub ISBN: 978‐3‐527‐80442‐9

mobi ISBN: 978‐3‐527‐80443‐6

Über die Autoren

Dr. Wilhelm Kulisch ist Privatdozent für Experimentalphysik an der Universität Kassel. Er studierte Physik in Münster und Kassel und arbeitete lange am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik in Kassel im Bereich der Dünnschichttechnologie. Er arbeitete unter anderem an Nanoschichten für Computerchips, nanokristallinen superharten Materialien, Schichten mit molekularem Design sowie Nanobeschichtungen für künstliche Gelenke. Derzeit ist er an Nanodiamant und Kohlenstoff‐Nanoröhrchen für biomedizinische Anwendungen interessiert. Er ist Autor einer Reihe von … für Dummies‐Büchern.

Dr. Regine Freudenstein studierte Physik in Göttingen, Hannover und Kassel. Sie promovierte mit einer Arbeit über nanokristalline Schichten aus superhartem kubischem Bornitrid am Institut für Nanosystemtechnologie und Analytik der Universität Kassel; ihr Spezialgebiet ist die Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung von Nanoschichten mit herausragenden mechanischen Eigenschaften.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Schummelseite

Titel

Impressum

Über den Autor

Einleitung

Über dieses Buch

Konventionen in diesem Buch

Was Sie nicht lesen müssen

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wie es weitergeht

Kapitel 1: Freie Fahrt für alle: Das Auto

Die sportive Variante: Der Ottomotor

Die gediegene Variante: Der Dieselmotor

Doppelte Klasse oder nichts Halbes und nichts Ganzes? Das Hybridauto

Problemlos in die Kurve: Das Differenzialgetriebe

Keine unnötige Energie verheizen: Turbolader

Geht dem Abgas an den Kragen: Der Katalysator

Drehen Sie nicht durch: Das ABS

Warum das Auto in den Main fuhr: Das GPS

Windschnittige Karossen: Der

c

W

‐Wert

Erwischt: Die Radarfalle

Kapitel 2: Zu Land, zu Wasser und in der Luft: Weitere Fortbewegungsmittel

Über den Wolken: Das Flugzeug

Schneller, als die Polizei erlaubt: Überschallflugzeuge

Senkrecht in die Luft: Hubschrauber

Ein Zeppelin fliegt, ein Ballon fährt

Nichts als heiße Luft? Die Dampflokomotive

Die besten Bremsen zischen nicht: Der ICE

Auf Wolke sieben schweben: Der Transrapid

Mit Vollgas über das Wasser: Tragflügelboote

Über dem Wasser schweben: Luftkissenboote

Radfahren verlernt man nicht

Kapitel 3: Physik in Ton und Bild

Volles Programm: Das Radio

Immer mehr Hightech: Von der Röhre zum Transistor

Auf Sendung gehen mit AM oder FM

Bewegte Bilder: Fernsehen

Bunt nach Wunsch: Farbmischungen

Plasmabildschirm

LCD‐Bildschirm

Musik aus der Konserve: Schallplatte und Tonband

Auf der Suche nach dem blauen Laser: CD, DVD und Blu‐ray Disc

Da wackelt die Luft: Lautsprecher

Kapitel 4: My Home Is My Castle

Strömchen wechsle dich: Wechselstrom

Ich glaub, ich dreh durch: Der Drehstrom

Wenn es die rechte Spannung sein soll: Transformatoren

Gratisenergie vom Dach: Sonnenkollektoren und Solarzellen

Kuschelig warm: Wärmedämmung

Heiße Luft steigt auf: Konvektion

Mit allen Wassern gewaschen

Ihre Verbindung nach außen: Telefon

Fast so schnell wie das Licht: Glasfaserkabel

Gib Einbrechern keine Chance: Bewegungsmelder

Kapitel 5: Physik im Haushalt

Keine verbrannten Finger: Induktionskochfelder

Wenn Wellen wärmen: Der Mikrowellenherd

Immer kalte Getränke: Der Kühlschrank

Keine Leine? Der Wäschetrockner

Viel Licht mit wenig Strom: Energiesparlampen

Spannung mobil: Batterien und Akkus

Heiß oder kalt? Thermometer

Heißer Kaffee oder Eistee: Die Thermoskanne

Wer ist die Schönste im ganzen Land?

Der physikalische Werkzeugkasten

Kapitel 6: Physik im Dienste Ihrer Gesundheit

Hören, wie das Herz schlägt: Das Stethoskop

Wenn das Blut kocht: Der Blutdruck

Ganz schön durchdringend: Röntgenaufnahmen

Schnitte durch den Körper: Die Tomografie

Klare Sicht mit Schall: Die Sonografie

Tiefe Einblicke: Endoskope

Mit Licht schneiden: Laser‐Augenoperationen

Mit Strahlen gegen Krebs

Den Durchblick haben: Linsen und Brillen

Sie geben den Takt vor: Herzschrittmacher

Kapitel 7: Physik in der Freizeit

Glattgegangen: Schlittschuhlaufen

Hart am Wind: Segeln

Am seidenen Faden: Bungee‐Jumping

Ultraleicht und ultrafest: Kohlefaserverbundstoffe

Neopren

Schutz und Schick: Sonnenbrillen

Blick in die Ferne: Fernrohre und Teleskope

Pixel für Pixel: Die Digitalkamera

Jaja, das Jo‐Jo

Zwei seltsame Flugobjekte: Frisbee und Bumerang

Kapitel 8: Wind und Wetter

Welche Größen bestimmen das Wetter?

Der Nebel lichtet sich: Wichtige Begriffe rund ums Wetter

Gegen den Uhrzeigersinn: Tiefs

Verheerende Folgen: Tropische Wirbelstürme

Tornados und Windhosen

Potz Blitz: Gewitter

Benjamin Franklins Vermächtnis: Der Blitzableiter

Die weiße Pracht: Schnee

Leuchtet in allen Farben: Der Regenbogen

Prima Klima: Der Golfstrom

Kapitel 9: Verblüffende Naturphänomene

Wer kreist hier eigentlich um wen?

Sonnen‐ und Mondfinsternisse

Besucher aus dem All: Sternschnuppen und Kometen

Der Mond tanzt mit dem Meer: Ebbe und Flut

Monsterwellen aus dem Nichts: Tsunamis

Warum gefriert Wasser von oben her?

Wir sehen fast nichts: Das elektromagnetische Spektrum

Warum ist der Himmel eigentlich blau?

Farbe ohne Farbstoff

Bauen Sie keine Luftschlösser: Die Fata Morgana

Kapitel 10: Kleiner als klein: Die Nanotechnologie

Was ist Nano?

Klein, aber oho: Die Physik von Nanostrukturen

Ist das gefährlich?

Je kleiner, desto besser (Teil 1): Halbleiterelektronik

Je kleiner, desto besser (Teil 2): Speichertechnologie

Der Lotoseffekt

Von Geckos und Schmetterlingen

Gesünder und schöner durch die Nanotechnologie

Nanobeauty

Gestatten: Familie Kohlenstoff

Kapitel 11: Das Top‐Ten‐Kapitel

Zentral für die Mechanik: Die drei newtonschen Gesetze

Arbeit, Energie und Leistung: Mechanische Größen

Jetzt geht's rund: Kreis‐ und Drehbewegungen

Noch mehr Kreise: Kreis‐ und Drehbewegungen, Teil 2

Alles im Lot

Von langen und von kurzen Wellen

Das elektromagnetische Spektrum

Das ideale Gasgesetz

Spannende Ströme und ihre Leistung

Induktion und andere elektromagnetische Phänomene

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

Eula

Einleitung

Über dieses Buch

Der Begriff Physik stammt aus dem Griechischen und bezeichnet die Lehre von der uns umgebenden Natur. Sie werden sich wundern, wie voll von Physik die Sie umgebende Welt ist! Ohne Physik könnten Sie nicht verstehen, wie das Wetter funktioniert, auf was für Bahnen Planeten durchs All fliegen, welche Effekte sie dabei hervorrufen und wie Pfützen oder Teiche zufrieren. Ganz zu schweigen von den vom Menschen geschaffenen Technologien, sei es das Auto, das Flugzeug, der Rasenmäher oder die Energiesparlampe! Selbst ein einfacher Schraubendreher beruht auf physikalischen Prinzipien (Stichwort »Drehmoment«). Sogar der Mensch selbst steckt voller Physik. Bewegungen wie Gehen, Laufen oder Werfen lassen sich ebenso mithilfe der Physik beschreiben wie die Wirkungsweise des Auges oder das Prinzip des Blutkreislaufs. Sie sehen also: Die Physik ist in unserem Leben allgegenwärtig.

Leider besitzt die Physik – völlig zu Unrecht – ein eher negatives Image. Sowohl meine Frau als auch ich sind Physiker. Wenn ich zu neuen Bekannten sage: »Ich bin Physiker«, ernte ich zumeist ein staunendes »Wirklich?«. Bei meiner Frau reichen die Antworten bis zu »Wie kann man nur?«. Wenn sich jemand für Physik interessiert, dann stellen sich die meisten Menschen hoch spezialisierte und völlig weltfremde Männer vor …

Ich habe dieses Buch geschrieben, um Sie vom Gegenteil zu überzeugen. Ich möchte Sie für die Physik begeistern und Ihnen zeigen, dass sie eigentlich gar nicht so schwierig ist, wie immer behauptet wird. Physik spielt wie gesagt eine große Rolle in Ihrem Leben. Darüber hinaus kann Physik aber auch extrem spannend sein und Ihre Neugierde stillen. Wenn Sie sich in Zukunft bei einem neuen Gerät fragen »Wie funktioniert das?«, lassen Sie sich nicht mit der Antwort »Das ist Physik« abspeisen, sondern haken Sie nach: »Selbst wenn es auf Physik beruht – ich will verstehen, wie dieses Gerät genau funktioniert!« Genau dies ist das Ziel dieses Buches. In 100 Artikeln lernen Sie die physikalische Wirkungsweise von Geräten, Phänomenen und Effekten, denen Sie in Ihrem alltäglichen Leben begegnen, kennen. Vom Verkehr über Haushalt und Medizin bis hin zum Wetter ist für jeden etwas dabei.

Konventionen in diesem Buch

Es gibt nur eine einzige Vereinbarung in diesem Buch, die Sie sich merken müssen: Physikalische Größen sind kursiv gesetzt. Ein einsames m deutet also auf die Masse hin. Ein nicht kursives m bezeichnet dagegen die Einheit »Meter«. Wichtige Begriffe sind ebenfalls kursiv gesetzt, wenn sie zum ersten Mal auftauchen.

Was Sie nicht lesen müssen

Bis auf die Einleitung sind alle Kapitel sowie die einzelnen Artikel in den Kapiteln völlig gleichberechtigt. Sie können das Buch lesen, wie es Ihnen am besten gefällt – von vorn nach hinten, von hinten nach vorn oder in jeder anderen Reihenfolge.

Törichte Annahmen über den Leser

Meine erste Annahme über Sie, die Leserin beziehungsweise den Leser, ist, dass Sie neugierig sind. Sie möchten also wissen, wie ein Gerät funktioniert oder warum ein bestimmtes Phänomen auftritt, und lassen sich nicht mit der Antwort »Das ist halt Physik« abspeisen. Gleichbedeutend damit ist die Annahme, dass Sie neugierige Kinder haben, die viele Fragen stellen.

Sie benötigen keine Vorkenntnisse, um den Inhalt dieses Buches zu verstehen! Im Top‐Ten‐Kapitel 11 habe ich einige physikalische Zusammenhänge, die in diesem Buch auftauchen, für Sie zusammengefasst. Obwohl die Physik die meisten ihrer Ergebnisse in mathematischen Formeln ausdrückt, spielt Mathematik in diesem Buch kaum eine Rolle. Allerdings sollten Sie in der Lage sein, eine einfache Gleichung wie das ohmsche Gesetz zu interpretieren:

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch ist in zehn Kapitel unterteilt, von denen jedes zehn Artikel zu einem bestimmten Themengebiet enthält. Die Themen sind nicht an den klassischen Kanon der Physik angelehnt (also Mechanik, Optik, Elektrizitätslehre und so weiter), sondern orientieren sich an alltäglichen Lebensbereichen.

Im ersten Kapitel dreht sich alles ums Auto. Sie lernen verschiedene Motortypen und andere wichtige Komponenten rund ums Auto kennen.

Das Thema des zweiten Kapitels ist der Verkehr jenseits des Autos. Es geht also unter anderem um Flugzeuge, Schiffe und den Schienenverkehr. Aber Sie werden auch das gute alte Fahrrad wiederfinden!

Das dritte Kapitel bringt Ihnen die moderne Unterhaltungselektronik wie Fernseher, Radios und Speichermedien näher.

Die nächsten beiden Kapitel beschäftigen sich mit Ihrer Wohnung beziehungsweise Ihrem Haus. In Kapitel 4 erkläre ich Ihnen, wie ein Haus mit Wärme, Strom und Wasser versorgt wird und wie es mit der Außenwelt kommuniziert.

In Kapitel 5 sind dann Haushaltsgeräte an der Reihe. Wie funktioniert ein Induktionsherd? Wie viel Energie spart eine Energiesparlampe? Warum hält eine Thermoskanne Ihren Kaffee warm? Neben Großgeräten wie dem Kühlschrank erfahren Sie auch mehr über eher unscheinbare Geräte wie Spiegel.

Auch in der Medizin spielt Physik eine große Rolle, sei es bei Diagnosetechniken oder medizinischen Hilfen wie Brillen und Herzschrittmacher. Dies ist das Thema von Kapitel 6.

Kapitel 7 ist der Freizeit gewidmet. Zunächst lernen Sie die Physik moderner Freizeitbeschäftigungen wie Drachenfliegen und Bungee‐Jumping kennen. Anschließend gehe ich auf einige Materialien, die bei heutigen Freizeitbeschäftigungen eine große Rolle spielen, ein und erkläre Ihnen Geräte, die bei vielen Freizeitaktivitäten Verwendung finden.

In Kapitel 8 werden Sie überrascht sein, in welchem Maße unser Wetter von der Physik bestimmt wird.

Die Physik bedingt auch eine Reihe erstaunlicher Naturphänomene. In Kapitel 9 erhalten Sie Antworten auf Fragen wie »Warum ist der Himmel blau?« oder »Worauf beruht der Wechsel zwischen Ebbe und Flut?«.

Kapitel 10 ist ein wenig anders aufgebaut als die anderen Kapitel. Es handelt vom noch in der Entstehung begriffenen Feld der Nanotechnologie. Zunächst erläutere ich für Sie, was Nanotechnologie überhaupt ist, welche Vorteile sie bietet und welche Gefahren sie birgt. Im Anschluss stelle ich Ihnen Produkte unter anderem aus der Halbleiter‐ und Speichertechnologie vor, in denen Nanotechnologie bereits zum Einsatz kommt.

Im Gegensatz zu den meisten … für Dummies‐Büchern finden Sie in diesem Buch keinen Top‐Ten‐Teil, sondern nur ein Top‐Ten‐Kapitel. Darin erkläre ich Ihnen einige immer wiederkehrende physikalische Grundsätze und Gesetze, sodass diese in den betreffenden Artikeln nicht jedes Mal neu erläutert werden müssen.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

In diesem Buch werden zwei Symbole verwendet, um auf besondere Textstellen hinzuweisen:

Das Tippsymbol verweist auf Zusammenhänge des jeweils behandelten Themas mit anderen Artikeln. Häufig gibt es Ihnen aber auch nur eine kleine Anregung zum weiteren Nachdenken.

Das Warnungssymbol weist auf unverzeihliche Fehler hin, die zu gefährlichen Situationen oder zur Zerstörung eines Geräts führen können.

Wie es weitergeht

In diesem Buch haben Sie wirklich die freie Auswahl. Ein‐ oder zweimal werden Sie einen Hinweis finden, zunächst den Artikel X in Kapitel Y zu lesen. Ansonsten gib es keine Einschränkungen beim Lesen! Die einzelnen Kapitel sowie die Artikel in einem Kapitel bauen nicht aufeinander auf. Lesen Sie das Buch am Stück oder in kleinen Happen, von vorn nach hinten oder beginnen Sie mit denjenigen Artikeln, die Sie besonders ansprechen. Falls Ihnen ein Begriff völlig spanisch vorkommt, können Sie ihn im Stichwortverzeichnis am Ende des Buches nachschlagen.

Kapitel 1

Freie Fahrt für alle: Das Auto

In diesem Kapitel

Die gängigsten Motoren

Die wichtigsten physikalischen Bauteile des Autos

Immer wichtiger: elektronische Komponenten

Können Sie sich heute noch ein Leben ohne Ihr Auto vorstellen? Bei der Organisation Ihres täglichen Lebens und für Ihre Freizeit eröffnet Ihnen das Auto völlig neue Möglichkeiten. Auch für die Wirtschaft spielt das Auto eine zentrale Rolle, beispielsweise in der Automobilindustrie oder im Transportwesen.

Es wird Sie nicht überraschen, dass in jedem Auto (vom alten VW Käfer bis zum Ferrari) eine Menge Physik steckt. Dieser Physik wollen wir uns im Folgenden zuwenden. Ich erkläre Ihnen verschiedene Motortypen und andere Bauteile wie den Katalysator oder den Turbolader. Auch bei Autos spielt die Elektronik eine immer größere Rolle, was sich in zwei Artikeln über das ABS und das GPS widerspiegelt. Ganz zum Schluss erfahren Sie, was es mit dem cW‐Wert auf sich hat und wie die Polizei mit ihren Radarfallen messen kann, dass Sie mal wieder zu schnell unterwegs gewesen sind.

Die sportive Variante: Der Ottomotor

In den beiden ersten Artikeln dieses Kapitels geht es um die beiden wichtigsten Motoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, den Ottomotor (auch Benzinmotor genannt) und den Dieselmotor. Sie lernen zunächst die Funktionsweise der beiden Motortypen und deren Vor‐ und Nachteile kennen. Am Ende des Artikels über den Dieselmotor habe ich noch einen abschließenden Vergleich für Sie vorbereitet.

Alle Motoren gehören zu den sogenannten Wärme‐Kraft‐Maschinen. Solche Maschinen wandeln Wärme (die in diesem Fall durch Verbrennung des Kraftstoffs erzeugt wird) in mechanische Energie um. Die allererste vom Menschen gebaute Wärme‐Kraft‐Maschine war die Dampfmaschine. Für individuelle Fahrzeuge war diese zwar noch zu sperrig, in Lokomotiven hat sie jedoch mehr als 100 Jahre lang wertvolle Dienste geleistet (siehe Kapitel 2)!

Die meisten Benzinmotoren arbeiten mit vier Zylindern und je vier Arbeitstakten. Die Takte sind in den Zylindern zeitlich gegeneinander verschoben und werden über sogenannte Wellen gesteuert, an denen die Zylinder befestigt sind. Die vier Takte eines Zylinders sind in dargestellt. Der Zylinder besteht aus folgenden Bestandteilen: