Physik? Hab ich noch nie verstanden! Der Thread für Physik-Fragen an die Profis

[Knuddelbearli]

Niemand weiss, was Dunkle Materie und Energie überhaupt ist. Und du sagst jetzt, dass sie für die Expansion de Universums verantwortlich ist. Warum?

Niemand weiß was es ist, da der Begriff eingeführt wurde um eine Mathematische Lösung zu bieten dafür was wir im Weltall beobachten. Der Dunklen Materie ist man sogar bereits auf der Spur ( was aber nicht heißt das es 100% sicher ist das sie überhaupt existiert ) die WIMPs Theorie hat bisher nichts ergeben, dafür setzt man jetzt sehr große Hoffnungen auf Axionen ( Baut gerade an einem Detektor dafür ) was so ziemlich das komplette Gegenteil von WIMPs sind. Man hat auch vor kurzem eine Galaxie entdeckt die scheinbar nahezu keinerlei dunkle Materie beinhaltet, was auch wieder eine Menge interessanter Fragen aufwirft.

Bei dunkler Energie weiß man dagegen eigentlich noch absolut gar nichts, außer das es sie geben sollte.

[Cr4ck]

Achtung Spoiler:

Ich hab einen Plattenkondensator ohne Dielektrikum. Der Plattenabstand d0 = 2mm und A=500cm², Zunächst mit einer angelegten Spannung U0=1kV
Dazu sind einige kurze Aufgabenteile gestellt, die im Prinzip auch kein Problem dar stellen, aber bei teil e) bzw. f) kommt es dann zum Problem.

a) Berechnen sie die Kapazität. C=e0A/d = 2,25*10^-10 Farad !?

b) Berechnen sie den Betrag E des Elektrischen Feldes. E=U/d = 500kV/m

c) Berechnen die Betrag F der elektrostatischen Kraft, die auf die Platten wirkt. Also F = E*Q wobei Q berechnet wurdet über C=Q/U; der Betrag den ich raus hatte steht in meinem Block, den hab ich grad nicht zur Hand. War aber von der Ordnung 10^-3

nun wird, nach Trennung von der Spannung, sodass E=const und Q=const gilt, die Platte um weitere 2mm auf d1=4mm weg gezogen.

d) Berechnen sie die Spannung U1. Hier gilt E1=E0=U0/d0=U1/d1 . Aus d1=2d0 folgt direkt U1=2U0. = 2kV

e) berechen sie die Arbeit Wq, die beim Verschieben aufgebracht wurde.

Hier hab ich W=F*(d1-d0) = F*0.002 angesetzt, weil F konstant is und sich das Integral so auflöst. Das ergab bei meinen Zahlen 2.5J. Wenn ich die Arbeit jedoch als Energiedifferenz im Elektrischen Feld berechne, mit W=E1-E0=1/2*C1*U1² - 1/2*C0*U0², kommt etwas ganz anderes raus.

Für f) wird der Ausgangszustand U0 und d0 hergestellt, dann, bei aktiver Spannungsquelle also U=const=U0 wieder auf d1 vergrößert.

f) Berechnen sie die hierbei geleistete Arbeit ( und begründen sie warum das Ergebnis anders zu e) ist)

Hier erwarte ich natürlich, wegen der gefragten Begründung, ein anderes Vorzeichen, weil ich ja Energie aus dem Feld raus nehme, weil sich C verkleinert aber U konstant ist.

Ich setze also an Wu=E1-E0=1/2U0²(C1-C0), weil ich sonst ja meine Kraft abhängig von d angeben und korrekt integrieren müsste.

Das problem bei e und f liegt also darin, ob der Ansatz W=F*d, sofern F noch konstant ist, sonst halt das Integral, hier angebracht ist, oder ob W=E1-E0 das richtige ist?

Hat sich erledigt, irgendwo hat ein Faktor 1/2 gefehlt.

[Rorschach]

Mal eine Anfängerfrage

Was ist der Unterschied zwischen Impuls und kinetischer Energie?

[Ramkhamhaeng]

Wikipedia, dritter Absatz (Liest sich meiner Meinung nach recht verständlich.)
Du kannst den Impuls also als eine Verallgemeinerung des Kinetische Energie-Begriffs auffassen.

[Rorschach]

Ich verstehe es nicht

Impuls(Erhaltung) ist ja z.b. dass eine Billardkugel sich bewegt, wenn ich sie anspielen.

Kinetische Energie ist dass, das mein Auto (und mich) verformt, wenn ich vor die Wand fahre.

Das eine ist ein mit einer Richtung versehener Bewegungszustand und das andere die Energie in einem Gegenstand.

Aber wenn ich vor einen Ball trete, dann hat der doch Impuls und kinetische Energie, die aber nicht gleich sind.

Hätte ich lieber fragen sollen, was der Unterschied zwischen Geschwindigkeit und Impuls ist? (Masse)

[Empirate]

Impuls und kinetische Energie eines bewegten Objekts unterscheiden sich u.a. darin, dass der Impuls eine Richtung hat. Impuls ist ein Vektor, kinetische Energie nur eine Zahl.

[Rorschach]

Ok, danke

[Ramkhamhaeng]

Ich verstehe es nicht

Impuls(Erhaltung) ist ja z.b. dass eine Billardkugel sich bewegt, wenn ich sie anspielen.

Kinetische Energie ist dass, das mein Auto (und mich) verformt, wenn ich vor die Wand fahre.

Das eine ist ein mit einer Richtung versehener Bewegungszustand und das andere die Energie in einem Gegenstand.

Aber wenn ich vor einen Ball trete, dann hat der doch Impuls und kinetische Energie, die aber nicht gleich sind.

Hätte ich lieber fragen sollen, was der Unterschied zwischen Geschwindigkeit und Impuls ist? (Masse)

Naja, kinetische Energie in deinem Autobeispiel ist erst einmal die im Auto gespeicherte Energie, die bei der Kollision dann freigesetzt wird. Sie hat sich also über einen gewissen Zeitraum, der Beschleunigung des Wagens, aufgebaut. Da sehen wir dann auch die Wesensart der Energie, sie ergibt sich durch Integration über die Zeit einer anderen Größe. ¹

Das schägt sich dann auch in den Formeln nieder.
Wenn wir also vom Impuls, p = m*v(t), einem dreizeilgen Vektor, ausgehen und das nach der Zeit integrieren,
erhält man ∫_t p = 1/2 * m * v²(t)
(In jeder Zeile separat nach t integrieren)

Diesen Vektor kann man dann noch normieren und man erhält dann die bekannte Formel, E_kin = 1/2 *m*v²

Aber wenn ich vor einen Ball trete, dann hat der doch Impuls und kinetische Energie, die aber nicht gleich sind.

Wenn wir gedanklich die Masse weglassen, dann entspricht der Impuls der Beschleunigung des Balls und die Energie der Geschwindigkeit nach dem Treten.


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¹) Hoffe das kann man so schreiben. Sonst möge mir ein Physiker bitte widersprechen

[Gullix]

...also, gar nichtmal so einfach zu beantworten, die Frage. Die Antworten bisher find ich schonmal ziemlich gut.

Ich glaube, man muss über Stöße nachdenken, um einen Unterschied zu finden. Stöße können elastisch (mit Energieerhaltung) oder inelastisch (da geht Energie in Wärme oder Verformung über) sein. Das mit der Richtung ist ein guter Ansatz, ich habe mal noch ein paar Denkanstöße.


- Neymar läuft geradeaus, jemand rennt ihn um. Der Impulsübertrag sorgt dafür, dass er aus der Bahn fliegt. Der Energieübertrag sorgt dafür, dass er sich die Knochen bricht.
- Ich schieße mit einem Gewehr auf dich, die Kugel bleibt in einer Bibel in deiner Brusttasche stecken. Wir kriegen beide den gleichen Impulsübertrag (stell dir vor, wir stehen auf Eis) und auch beide den gleichen Energieübertrag. Warum erschießt man sich eigentlich nicht selbst, wenn man ein Gewehr abfeuert?
- Du bist ein Raumschiff, was zum Mars fliegen will. Energie hast du reichlich, weil du ein Atomkraftwerk an Bord hast. Aber Impuls ("Schwung" nach vorne) erzeugen ist schwierig - du musst die ganze Zeit Material nach hinten rauswerfen.

[SvenBvBFan]

Das eine kommt aus der Translationssymmetrie, das andere aus der Zeitsymmetrie.

Achtung Spoiler:

[Rorschach]

Naja, kinetische Energie in deinem Autobeispiel ist erst einmal die im Auto gespeicherte Energie, die bei der Kollision dann freigesetzt wird. Sie hat sich also über einen gewissen Zeitraum, der Beschleunigung des Wagens, aufgebaut. Da sehen wir dann auch die Wesensart der Energie, sie ergibt sich durch Integration über die Zeit einer anderen Größe. ¹

Das schägt sich dann auch in den Formeln nieder.
Wenn wir also vom Impuls, p = m*v(t), einem dreizeilgen Vektor, ausgehen und das nach der Zeit integrieren,
erhält man ∫_t p = 1/2 * m * v²(t)
(In jeder Zeile separat nach t integrieren)

Diesen Vektor kann man dann noch normieren und man erhält dann die bekannte Formel, E_kin = 1/2 *m*v²

Wenn wir gedanklich die Masse weglassen, dann entspricht der Impuls der Beschleunigung des Balls und die Energie der Geschwindigkeit nach dem Treten.

Das macht es zwar nicht anschaulich verständlich, aber zumindest mathematisch begreifbar

...also, gar nichtmal so einfach zu beantworten, die Frage. Die Antworten bisher find ich schonmal ziemlich gut.

Ich glaube, man muss über Stöße nachdenken, um einen Unterschied zu finden. Stöße können elastisch (mit Energieerhaltung) oder inelastisch (da geht Energie in Wärme oder Verformung über) sein. Das mit der Richtung ist ein guter Ansatz, ich habe mal noch ein paar Denkanstöße.

- Neymar läuft geradeaus, jemand rennt ihn um. Der Impulsübertrag sorgt dafür, dass er aus der Bahn fliegt. Der Energieübertrag sorgt dafür, dass er sich die Knochen bricht.

Während Neymar fällt, verfügt er einen Impuls und kinetische Energie oder?
Sein Impuls überträgt sich auch auf die Erde, allerdings ist er in Relation zu klein, um die Erde zu bewegen. Die Bewegungsenergie wird in Verformungsenergie umgewandelt.

@Gewehr: Man erschießt sich nicht selbst, aber bekommt unter Umständen blaue Flecken.
Das Gewehr hat im Verhältnis zur Kugel eine viel größere Masse und wir dementsprechend nicht so stark beschleunigt, die Energie verteilt sich auf eine größere Fläche und aufgrund der geringeren Geschwindigkeit nicht so "schockartig"

@Raumschiff: Oder allgemein Raketen, dabei wird ein Impuls erzeugt durch das Ausstoßen von heißen Gasen und wenn die Rakete irgendwo aufschlägt, dann macht die kinetische Energie (mal angenommen es gibt keinen Gefechtskopf) Sachen kaputt.

Oder wird Impuls auch in Verformungs-/Wärmeenergie transformiert?

Vielleicht kann ich meine Frage auch anders formulieren, sind Impuls und kinetische Energie zwei verschiedene Aspekte?
Wenn ich vor einen Ball trete, bekommt er dann (Impuls+kinetische Energie) oder (Impuls)+(kinetische Energie)?

Das eine kommt aus der Translationssymmetrie, das andere aus der Zeitsymmetrie.

[justanick]

Vielleicht kann ich meine Frage auch anders formulieren, sind Impuls und kinetische Energie zwei verschiedene Aspekte?

Das wäre wohl die passendste Beantwortung deiner Anfängerfrage. Impuls ist eine vektorielle Größe und skaliert lediglich mit v. Die kinetische Energie skaliert mit v². Impuls bleibt erhalten. Energieerhaltung gilt zwar auch, aber Energie lässt sich in andere Energieformen umwandeln. Bei Impuls gibt es dafür kein Äquivalent, Impuls bleibt Impuls.

[SvenBvBFan]

Vielleicht kann ich meine Frage auch anders formulieren, sind Impuls und kinetische Energie zwei verschiedene Aspekte?
Wenn ich vor einen Ball trete, bekommt er dann (Impuls+kinetische Energie) oder (Impuls)+(kinetische Energie)?

Ja, es sind verschiedene Aspekte. In klassischen Fällen tritt natürlich nicht das eine ohne das andere auf, da jeder Körper eine Masse hat, und wenn er eine Geschwindigkeit hat, hat er Impuls als auch kinetische Energie.
Der Impuls ist direkt mit der Kraft verknüpft über die Zeitableitung: F=d(p)/dt
Wenn die Masse konstant ist, wirkt die Ableitung nur auf die Geschwindigkeit und da steht F=m*a

Zum zweiten:
https://de.wikipedia.org/wiki/Noether-Theorem
Weiß nicht, wie verständlich da das Grundprinzip ist.

[Rorschach]

Zum zweiten:
https://de.wikipedia.org/wiki/Noether-Theorem
Weiß nicht, wie verständlich da das Grundprinzip ist.

Nicht sehr


Aber danke an alle, jetzt weiß ich wenigstens, dass ich es nicht verstehe.

[Peregrin_Tooc]

Nicht sehr


Aber danke an alle, jetzt weiß ich wenigstens, dass ich es nicht verstehe.

Das ist normal. Wer denkt, er hat Physik verstanden, erkennt einfach nur nicht, wie komplex das Problem ist