Hydrostatics

00:01 Nachdem wir nun den Mechanik-Aspekt dieses Kurses mit den Gleichungen für Bewegung, Kraft sowie Energie und Schwung abgeschlossen haben, sind wir bereit, zu einigen mehr angewandten Situationen überzugehen.

00:13 Wir beginnen mit den Flüssigkeiten. Das Erste, was ich Ihnen sagen muss, ist wo wir waren und wie sich das mit dem, was wir vorhaben, vereinbaren lässt. Wir begannen mit den Gleichungen der Bewegung. Anschließend besprachen wir die Newtonschen Gesetze, insbesondere das zweite Newtonsche Gesetz. Wir haben über die Drehung von Objekten durch Kraft gesprochen, die ein Drehmoment verleiht.

00:35 Wir beendeten den Abschnitt über die Mechanik mit der Erörterung des Energieerhaltungssatzes, sowie der Arbeit, die eine Energieänderung darstellt, und der erhaltenen Impulsgröße.

00:45 Das waren alle unsere Mechanismen, die wir hier oben zusammengefasst haben: die Gleichungen der Bewegung, der Newtonschen Gesetze und der Kraft sowie von Energie, Arbeit und Impuls. Wir sind jetzt bereit, einige mehr angewandte und praktische Situationen zu behandeln, einschließlich Flüssigkeiten und Gase; Elektrizität; Stromkreise und Magnetismus; Wellen, Schall und Licht; Atome und ihre atomare Struktur, wenn wir sie vergrößern; und zum Schluss die Thermodynamik und Thermochemie. Wir werden mit Flüssigkeiten beginnen.

01:11 Genau das werden wir jetzt tun. Wir beginnen mit der reinen Hydrostatik. Dann gehen wir über zu der idealisierten Hydrodynamik, bei der sich Flüssigkeiten durch ein System bewegen können, einschließlich Blut durch Venen oder Arterien. Zum Schluss werden wir uns mit angewandter Hydrodynamik beschäftigen und über Situationen aus der realen Welt, die etwas komplexer sind, sprechen. Wir beginnen mit einer einfachen Hydrostatik, bei der es noch nicht um fließendes Wasser geht. In der Hydrostatik können wir die Eigenschaften von Flüssigkeiten, den hydrostatischen Druck, das Archimedes' Prinzip und das Pascalsche Gesetz besprechen. Wir werden diese der Reihe nach besprechen, beginnend mit den Eigenschaften von Flüssigkeiten. Einige Eigenschaften von Flüssigkeiten sind auch für jedes beliebige andere Material wichtig zu wissen, zum Beispiel die Dichte, die einfach angibt, wie viel Masse wir pro Volumeneinheit des vorliegenden Materials haben. Also, die Dichte wird mit dem Symbol ρ bezeichnet. Dies ist ein griechischer Buchstabe, rho. Die Dichte ist gleich der Masse geteilt durch das Volumen eines bestimmten Objekts. Hier sind einige Beispiele für Dichten, die Sie sich ansehen können, nur zur Information. Wir haben Holz, Wasser und Stahl. Sie können sehen, dass Holz eine geringere Dichte als Wasser hat.

02:23 Sie können sehen, dass Stahl viel dichter ist als Wasser, weshalb Holz natürlich schwimmen würde, während Stahl sinken würde. Wir könnten auch die spezifische Dichte definieren. Dies ist einfach eine Möglichkeit zur Messung der Dichte im Vergleich zu Wasser. Wenn also unsere Dichte größer oder kleiner als die von Wasser ist, können wir dies sehr schnell feststellen.

02:40 Wir definieren also die spezifische Dichte eines beliebigen Stoffes als die Dichte ρ dieses Stoffes geteilt durch die Dichte von Wasser. Unter Verwendung dieser drei Größen hat Holz also eine Dichte der Hälfte der Dichte von Wasser. Es hat also ein spezifisches Gewicht von 0,5. Wasser hat per Definition ein spezifisches Gewicht von 1, da es seine eigene Dichte hat. Dann hat Stahl ein spezifisches Gewicht von 8, da er achtmal dichter ist als Wasser. Es ist wichtig zu wissen, dass wir über Flüssigkeiten sprechen werden, aber Gase, wie Luft, sind auch Flüssigkeiten. Sie haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, sicherlich unterschiedliche Dichten.

03:16 Aber sie fließen und verhalten sich entsprechend der Gesetze wie Wasser, das als Flüssigkeit ebenfalls diesen Gesetzen folgt.

03:23 Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass ein Gas, wenn ich es zum Beispiel in einen Kolben gebe und versuche, es zu komprimieren, komprimiert wird. Sowohl das Volumen, als auch der Druck des Gases werden sich ändern, wenn ich versuche, es zu komprimieren.

03:34 Bei Flüssigkeiten hingegen werden wir einen einfachen, idealistischen Fall von inkompressiblen Flüssigkeiten betrachten. Wenn ich nämlich versuche, Druck auf meine Flüssigkeit auszuüben und sie in einem Kolben nach unten zu drücken, wie Sie hier sehen, kann sich das Volumen nicht ändern. Es bleibt stecken, weil es inkompressibel ist. Der Druck kann sich ändern in einer Flüssigkeit. Beginnen wir mit einem weiteren Beispiel für eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, nämlich der Oberflächenspannung.

04:00 Eine gute Analogie für die Oberflächenspannung ist so etwas wie ein Seil, wie Sie es hier sehen. Wenn ich auf beiden Seiten des Seils ziehe, wird das Seil versuchen, sich gegen die Zugkraft zu wehren.

04:08 Es gibt chemische Bindungen, die versuchen, es zusammenzuhalten, obwohl ich eine mechanische Kraft ausübe.

04:13 Wenn wir eine Flüssigkeit betrachten, passiert dasselbe. Eine Flüssigkeit wird durch die Adhäsionskraft, welche die Kraft zwischen zwei Objekten oder Dingen ist, die sich unähnlich sind, an die Wände eines Behälters gezogen.

04:24 Dies wird mit einer Kohäsionskraft bekämpft, die daraus entsteht, dass Wassermoleküle oder Flüssigkeitsmoleküle sich gegenseitig anziehen und die Moleküle eine Kraft zueinander haben. Wenn diese Kräfte immer an jedem Punkt in dieser Flüssigkeit oder an jedem Punkt in diesem Beispiel eines Seils wirken, schauen wir uns einfach mal das Beispiel dieses Seils an und stellen uns vor, dass wir tatsächlich sehr stark an den Seiten des Seils ziehen. Wenn ich nun einführe, dass wir zum Beispiel einen Schnitt an einer Stelle des Seils habe, sodass das Seil die molekulare Zugkraft nicht aufrechterhalten kann, an diesem Punkt wird sich die Stelle, an der ich das Seil durchschneide, öffnen und ausdehnen, wegen der Kräfte, die es nach außen ziehen. Ähnlich verhält es sich mit einer Flüssigkeit: Wenn ich etwas in die Flüssigkeit fallen lasse, wie Seife, würde das die Kohäsionskraft zwischen den Wassermolekülen zerstören.

05:12 Die Kräfte draußen an der Stelle, an der ich die Oberflächenspannung zerstört habe, würden immer noch ziehen.

05:17 All diese Adhäsions- und Kohäsionskräfte sind immer noch vorhanden. Wir werden sehen, dass das Wasser an der Oberfläche, von sich selbst wegziehen wird, was Sie in eigenen Experimenten veranschaulichen können.