Massenpunkt

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Der Massenpunkt [1] [2] [3] (seltener auch Massepunkt [4] oder Punktmasse [5] ) ist in der Physik die hochstmogliche Idealisierung eines realen Korpers : Man stellt sich vor, dass seine Masse in seinem Schwerpunkt konzentriert ist. Dies vereinfacht die Beschreibung seiner Bewegung.

Das Fachgebiet, das sich mit der Bewegung von Massenpunkten befasst, wird als Punktmechanik bezeichnet. Der Korper wird als mathematischer Punkt betrachtet, der eine von Null verschiedene Masse und eventuell eine elektrische Ladung besitzt. Eigenschaften, die mit seiner Nicht-Punktformigkeit (seiner Ausdehnung) zusammenhangen, wie Abmessungen, Volumen, Form und Verformbarkeit, werden vernachlassigt. Insbesondere kann ein Massenpunkt nicht rotieren, also auch keine Rotationsenergie aufnehmen.

Die angenaherte Beschreibung eines ausgedehnten Korpers durch einen Massenpunkt ist in vielen Fallen nutzlich, selbst wenn der Korper rotiert. Beispielsweise folgen geworfene Gegenstande, aber auch ganze Himmelskorper oft sehr genau der Bahn eines Massenpunkts. Effekte, die sich aus der Ausdehnung des Korpers ergeben, wie Eigendrehung mit Prazession und Nutation oder Verformungen , lassen sich besser mit den Methoden der Kontinuumsmechanik oder der Mechanik starrer Korper behandeln. Deren Mathematik ist jedoch ungleich komplizierter, nicht zuletzt, weil ein starrer Korper sechs Freiheitsgrade und ein verformbarer Korper unendlich viele Freiheitsgrade besitzt.

Die Bewegung eines Massenpunkts wird in der newtonschen Mechanik durch das newtonsche Bewegungsgesetz beschrieben:

mit

  • = Kraft vektor
  • = Masse
  • = Beschleunigungsvektor.

In der klassischen Mechanik legen die Variablen Ort und Impuls den Zustand eines Massenpunkts fest: Zu jeder Zeit befindet er sich an einem bestimmten Ort und besitzt einen bestimmten Impuls (Masse mal Geschwindigkeit). Bei gegebener auf ihn wirkender Kraft wird die Anderung des Bewegungszustands durch das oben genannte newtonsche Bewegungsgesetz bestimmt.

Der Massenpunkt fuhrt folglich nur Translations- , aber keine Rotationsbewegungen aus. Die Bahn, die er dabei beschreibt, heißt Trajektorie .

Mathematischer Reprasentant fur einen Korper

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Die Punktmasse ist der einfachste mathematische Reprasentant fur ein ausgedehntes Volumenelement, fur einen materiellen Korper. Sie bildet daher den Anfang jeder elementaren Dynamik . [6]

In diesem mathematischen Modell besteht die Vereinfachung darin, die Objektmenge von uberabzahlbar vielen Korperelementen auf ein einzelnes Element zu verringern. Mathematisch wird also eine Zuordnung

eingefuhrt, wobei die Punktmasse am Punkt des Ortsvektors bezeichnet.

Abb. 1: Der Massenpunkt als Korpermittelpunkt

Diese Vereinfachung gelingt unter der Annahme des Kontinuitatsprinzips , dass fur den Raumbereich die Massenverteilung homogen und ortlich unveranderlich ist. Dann (und nur dann) existiert eine konstante Materialdichte im Raumbereich des Korpers. [7] Daraus wird die Vorstellung gefolgert, dass die gesamte Korpermenge in einem festen Punkt mit den Ortskoordinaten im Euklidischen Raum konzentriert ware, im Idealfall in einem infinitesimal kleinen Element . Dieser Wert ist in diesem Fall Anteil des linearen Moments des Korpers und kann durch den einfachen Zahlwert , der Masse , ersetzt werden (siehe Abb. 1). [8] Der Ort mit dem Abstandbetrag des Massenpunktes fallt dann auch mit dem Massenmittelpunkt zusammen. [9]

bzw. .

Der Massenpunkt in den Grundlagen der Mechanik

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Die Bedeutung des Massenpunktes fur die Physik ist Gegenstand der Grundlagen der Mechanik . Dieser Bereich der theoretischen Physik und der Wissenschaftstheorie beschaftigt sich u. a. mit der Frage, unter welchen einschrankenden Bedingungen ein beliebiger Korper eindeutig und vollstandig reprasentiert werden kann. [10] Diese Fragestellung ist seit Beginn der theoretischen, neuzeitlichen Mechanik bis heute kontrovers und umstritten. [11] Symptomatisch dafur sind die zum Teil konfrontativen Positionen zwischen Physikern, Mathematikern und Technikern, die im Umfeld der Beschreibung von Punktmassen, mathematischen Korpern und materiellen Kontinua eingenommen werden. [12]

Aus den Grundlagen geht ebenso hervor, dass der Massenpunkt nur eindeutig bezeichnet ist, wenn die Verbindungslinien unveranderlich sind, der Korper also starr ist. Diese Behandlung der Mechanik eroffnet die Punktmechanik . Ihre axiomatische Fassung [13] wird heute unabhangig vom realistischen Aufbau der Materie behandelt. Der physikalische Aufbau der Materie umfasst unabhangige Zusatzannahmen , die vor allem unabhangig von der Verbindung zur Physik der Kristallgitter oder von weiteren phanomenologischen Feststoffmodellen sind.

Die heute noch in manchen Lehrbuchern zu findende Behauptung, die logischen und empirischen Verknupfungen zwischen den einzelnen Disziplinen der Mechanik gelingen ?einwandfrei? [14] und seien ohne Schwierigkeiten aufzustellen, ignoriert die Geschichte und die Grundlagenfragen der Mechanik. Sie hat bis heute fur zusatzliche Polemik gegenuber padagogischen Vereinfachungen gesorgt. [15] [16]

Elementarteilchen als Massenpunkte

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Das Konzept des Massenpunkts hat sich in vielen Bereichen und Anwendungen bewahrt und ermoglicht es, Aspekte der Relativitatstheorie , der Quantenmechanik und der Teilchenphysik zu behandeln. Dabei bleibt die Darstellung ubersichtlich und auch fur Einsteiger zuganglich. [17] :V ff.

Elementarteilchen wie beispielsweise Elektronen werden nach heutigem Kenntnisstand als punktformige Objekte betrachtet. Sie sollten daher der Idealisierung eines Massenpunkts sehr nahe kommen. Mit Ausnahme des Higgs-Bosons besitzen sie jedoch eine Eigenschaft, die sich mit der Vorstellung eines Massenpunkts nicht erklaren lasst: Sie haben einen Spin , also einen Eigendrehimpuls , der aber nicht als Rotation eines starren Korpers um eine Achse verstanden werden kann. Im Gegensatz zum klassischen Eigendrehimpuls eines Korpers ist der Spin eine physikalische Große , die fur alle Teilchen der gleichen Art unveranderlich den gleichen Wert hat, nur ihre Orientierung entlang einer Achse kann variieren.

Grenzen des Modells

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Kein physikalischer Korper ist ein Massenpunkt. Genauso wenig kann das Newtonsche Kraftgesetz nur fur einen einzelnen Massenpunkt gelten. [18] Dennoch liefert dieses idealisierende Modell oft brauchbare Ergebnisse, beispielsweise wenn die betrachteten Objekte viel kleiner sind als die Distanzen zwischen ihnen oder wenn Rotationen der Korper aufgrund mechanischer Zwangsbedingungen ausgeschlossen oder keine Rolle spielen. Außerdem mussen die auftretenden Krafte so gering sein, dass eine Verformung der Korper vernachlassigt werden kann.

Die Planeten verhalten sich aufgrund der großen Entfernungen im Sonnensystem nahezu wie Massenpunkte. Ihre Bahnen lassen sich daher vergleichsweise genau vorhersagen, wenn man sie als punktformig annimmt. Das Modell des Massenpunkts ist aber vollig ungeeignet, um Phanomene wie die Prazession der Erdachse , Gezeiten , gebundene Rotation etc. zu beschreiben.

Auch bei der Beschreibung von Schwerependeln werden die Grenzen des Modells offenbar: Beschreibt man das Pendel als eine Punktmasse am Ende eines starren, aber masselosen Stabes, so gelangt man zum so genannten mathematischen Pendel . Im physikalischen Pendel wird auch die Ausdehnung der Masse und die Masse des Stabes mitberucksichtigt, die das Schwingungsverhalten mehr oder weniger stark beeinflussen. Dieses Modell kommt der Realitat also erheblich naher.

Bei der Beschreibung idealer , einatomiger Gase werden die Gasatome als Massenpunkte angenommen. Besteht das Gas aus mehratomigen Molekulen, so geht das einfachste Modell davon aus, dass ein Molekul aus Massenpunkten besteht, die starr miteinander verbunden sind. Nach diesem Modell sind Rotationen um die Langsachse eines linearen Molekuls ausgeschlossen, weshalb ein zweiatomiges Molekul zwei Rotationsfreiheitsgrade hat, ein gewinkeltes Molekul aus drei oder mehr Atomen jedoch drei Rotationsfreiheitsgrade. Ist die Bindung nicht starr, sondern elastisch, treten entsprechende Vibrationsfreiheitsgrade hinzu. Dies schlagt sich unter anderem in der Formel fur die Innere Energie von idealen Gasen nieder. Daher macht die Vorstellung, dass ein Gas aus frei beweglichen Molekulen aus Massenpunkten besteht, viele Aussagen uber dessen Verhalten, die sich experimentell bestatigen lassen. Allerdings konnen andere Beobachtungen nicht erklart werden, weil dieses Modell außer Acht lasst, dass die Atome ein gewisses Eigenvolumen besitzen und nicht starr sind. Zu diesen Phanomenen zahlen Van-der-Waals-Krafte und der Joule-Thomson-Effekt . Folglich lasst sich ein reales Gas nur teilweise mit dem Modell der Massenpunkte erklaren (siehe kinetische Gastheorie ).

Zur Geschichte der Mechanik von Massenpunkten

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Die naturphilosophische Auffassung zu einer allgemeinen Punktmechanik, die zunachst wenig Beachtung gefunden hat, geht auf R. Boskovich zuruck. [19] Dort fallt die Auffassung auch mit dem atomistischen Modell zusammen, was i. A. allerdings nicht zwingend der Fall sein muss. [20]

Das mathematische Programm zur Durcharbeitung der gesamten Mechanik und Physik auf Basis von Punktmassen geht hingegen erst auf P.-S. Laplace zuruck. [21] Samtliche Befurworter dieses Programms berufen sich dabei auf die einfache und allgemeine Struktur von Massenelementen mit Zentralkraftwirkung , wie sie erstmals von I. Newton fur die Gravitation beschrieben wurde. [22] Die Beschrankung auf Punktmechanik ist kein explizites Ergebnis der Newtonschen Mechanik , sondern eine Ubertreibung und Vereinfachung, die sich bis heute auf viele Physiklehrbucher ubertragen hat. [23]

Vor der neuzeitlichen Dynamik ist die Punktmasse Gegenstand der klassischen Statik gewesen. Das statische Modell zur Ersetzung eines (starren) Korpers durch eine Punktmasse findet man wie selbstverstandlich in den mechanischen Werken Galileis und Baldis . [24] [25] [26] Eine Statik von Punktmassen sowie eine Schwerpunktmechanik wurde bereits von Archimedes begrundet [27] und von Jordanus weiterentwickelt. [28]

Einzelnachweise

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  1. Gerthsen, Meschede, 2015, S. 13. Mechanik der Massenpunkte, Zusammenfassung
  2. Lew Dawidowitsch Landau , Jewgeni Michailowitsch Lifschiz : Mechanik . 1. Auflage. Akademie-Verlag, Berlin 1962, S.   1 (X, 193 S.).
  3. David Halliday, Robert Resnick: Physik. Teil 1 . Reprint 2020 der 1993er Auflage. de Gruyter, Berlin/Boston 2020, ISBN 3-11-086076-7 , S.   33 (792 S., eingeschrankte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Halliday Physik . Dritte, vollstandig uberarbeitete und erweiterte Auflage. WILEY-VCH, Weinheim, Germany 2017, ISBN 978-3-527-81260-8 (1635 S., eingeschrankte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Horst Stocker (Hrsg.): Taschenbuch der Physik: Formeln, Tabellen, Ubersichten . 6. korrigierte Auflage. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2010, ISBN 978-3-8171-1861-8 , S.   10 (XXIV, 1079).
  6. Siehe Stackel (1905), in der Literatur unten, Seite 449.
  7. Hamel (1967), in der Lit. unten, S. 45. Noll (1959), S. 267.
  8. Siehe Hamel (1967), in der Lit. unten, S. 45 und 49; sowie insbes. Noll (1959), in der Lit. unten, S. 268.
  9. Man vergleiche mit Synge (1960), in der u. a. Literatur, S. 31 (III. Mass distributions and force systems ).
  10. Zu der Bedeutung und den Ergebnissen der Grundlagen siehe insbes. J. L. Synge (1960), in der u. a. Literatur: Introduction , S. 1 f.; sowie C. Truesdell, R. Toupin (1960), in der u. a. Literatur: The field viewpoint in classical physics. S. 228 f.
  11. Noch im 17. und 18. Jahrhundert wurde sie vorwiegend als naturphilosophisches und metaphysisches Problem beschrieben. Ab dem 19. bis Mitte des 20. Jahrhunderts, im Zuge der fortgeschrittenen Mathematisierung aller mechanischen Fragen, wurde sie als vorrangig mathematisches Problem gesehen, das eine eindeutige Losung erfordere. (Selbst diese Eindeutigkeit, bis auf Aquivalenz, ist hoch umstritten und fallt in den Bereich der Metamathematik .) Mit diesem Hintergrund wurde es zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu den mathematischen Problemen nach David Hilbert gefasst. Und zwar ist die Frage dort im Sechsten Problem enthalten: der Versuch, die gesamte Mechanik deduktiv abgeschlossen und einheitlich zu formulieren. Hierzu sind mehrfache parallele Losungsvorschlage zu finden, die ebenfalls aus dem Umfeld der Gottinger Mathematiker-Schule Hilberts stammen, allen voran von G. Hamel . Einen historischen Uberblick zum Sechsten Problem Hilberts siehe etwa L. Corry , David Hilbert and the Axiomatization of Physics (1898-1918) . (Kluwer) Dordrecht, Boston, London 2004.
  12. Das verdeutlicht bereits der Gegensatz in den beiden Handbuch -Eintragen Synge (1960) und Truesdell, Toupin (1960), die in der Literatur unten zu finden sind. Fruhere Quellen zu den gegensatzlichen Positionen zwischen Punkt- und Kontinuumsmechanik, die auch das Sechste Problem Hilberts (siehe vorigen Einzelnachweis) mitgepragt haben, sind in der Reihe Encyklopadie der Mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen , hrsg. v. F. Klein u. C. Muller , zu finden. Online-Zugriff: wikisource . Siehe darin vor allem Art. 1 (Band 4-1) von A. Voss (1901), Die Prinzipien der rationellen Mechanik . Darin Seite 24 ff. (C. Mechanisch-physikalische Prinzipien ); außerdem Art. 23 (Band 4-4) von C. Muller, A. Timpe (1907), Die Grundgleichungen der mathematischen Elastizitatstheorie . Darin Seite 6 f. (2. Die Grundgleichungen als Bewegungsgleichungen des einzelnen Teilchens ). Sowie Art. 25, Bd. 5-3 von M. Born , Atomtheorie des festen Zustands ? Dynamik der Kristallgitter (1922). Darin insbes. S. 530 f. (2. Geometrie und Kinematik des Kristallgitters ).
  13. Siehe etwa Hamel (1967), in der u. a. Literatur, Seite 51 f. Eine erste axiomatische Fassung der Punktmechanik, wie sie in heutigen Lehrbuchern wiederzufinden ist, steht in L. Boltzmann , Vorlesungen ueber die Principe der Mechanik , 1. Theil. (Barth-Verlag) Leipzig 1897, darin Seite 22 (§7. Masse und Kraft ). Boltzmann betont allerdings, dass er speziell den Massenbegriff der Mechanik E. Machs entnommen habe. Online: Textarchiv ? Internet Archive
  14. Das ist zum Beispiel der Wortlaut in Gerthsen, Meschede (2015), in der u. a. Literatur, Seite 13.
  15. Siehe dazu etwa die Untersuchung von Clifford Truesdell , Reactions of Late Baroque Mechanics to Success, Conjecture, Error, and Failure in Newton’s Principia . Kap. III in C. Truesdell, Essays in the History of Mechanics , pp. 139?183. (Springer), New York 1968. Darin insbes. S. 141.
  16. Noch grundsatzlicher stellt Paul Feyerabend das nach seinem Verstandnis irrationale Bedurfnis von Lehrbuchautoren nach Auflosung aller konzeptuellen Probleme in Frage. Schwierigkeiten werden den Lernenden bewusst verheimlicht, was gegen das eigene Bekenntnis zur kritischen Wissenschaftlichkeit stehe. Siehe dazu insbes. Feyerabend, Realismus and Instrumentalism: Comments on the Logic of Factural Report (1969), darin Anm. 4, Seite 283. Deutsch erschienen in Kap. 5 in Feyerabend, Der wissenschaftstheoretische Realismus und die Autoritat der Wissenschaften . (Vieweg) Wiesbaden 1978. Titel: Realismus und Instrumentalismus zur Logik der Unterstutzung durch Tatsachen ; darin Anm. 4, Seite 82, ein Auszug im Wortlaut: ≪Der problematische Charakter jeder wissenschaftlichen Theorie wird oft der Offentlichkeit, ja selbst vor Studenten des Fachs verborgen gehalten. Sowohl populare Darstellungen als auch Lehrbucher verweilen bei den Erfolgen einer Theorie, sprechen aber kaum uber ihre weitaus interessanteren Schwierigkeiten≫.
  17. Gottfried Falk : Theoretische Physik auf der Grundlage einer allgemeinen Dynamik . Elementare Punktmechanik. 1. Band. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1966, DNB   456597212 , doi : 10.1007/978-3-642-94958-6 .
  18. Das ist nur ein einfaches Beispiel fur die logisch unentwirrbare Schwierigkeit hinter dem Grundgesetz der Mechanik und dem Zusammenspiel von Masse, Beschleunigung und Kraft in der Klassischen Mechanik . Einflussreiche Untersuchungen dazu sind etwa Carl Neumann , Uber die Principien der Galilei-Newton’schen Theorie . (Teubner), Leipzig 1870. Online: archive.org sowie Henri Poincare , Wissenschaft und Hypothese . (Teubner) Leipzig 1904. Darin Kap. 6.: Die Klassische Mechanik , Seite 90 ff. Textarchiv ? Internet Archive . In Physiklehrbuchern erfahrt man heute uber derartige Schwierigkeiten wenig oder nichts.
  19. Siehe bspw. G. Schiemann , Wahrheitsgewissheitsverlust. Hermann von Helmholtz’ Mechanismus . Darmstadt 1997, Seite 107 ff.
  20. Newton selbst hat sich in dieser Frage zuruckgehalten und das Ganze zu seinen Queries gezahlt (siehe dazu etwa Siehe E. J. Dijksterhuis , Die Mechanisierung des Weltbildes . Kap IV, c): Newtons naturphilosophische Ideen . (Springer-Verlag) Berlin, Heidelberg, New York, 1983. (Nachdruck 2002). S. 546. Leonhard Euler z. B. entwickelte spater die Punktmechanik mit, lehnte den Atomismus aber strikt ab.
  21. Siehe Stackel (1905), in der Literatur unten, Seite 449.
  22. Siehe dazu insbesondere das Vorwort der Principia Mathematica Philosophiae Naturalis , erstmals veroffentlicht London 1687. In der P. Wolfers Ubersetzung, (Oppenheim) Berlin 1872, Seite 2: Online: ( Wikisource )
  23. Ein aufklarender Korrekturversuch ist der im oben genannten Einzelnachweis Truesdell (1968).
  24. Rene Dugas , A History of Mechancs . Engl. Ausgabe des franzos. Originals von 1955. (Dover) New York 1988. Seite 130: ?Die Existenz des Schwerpunktes eines Korpers war fur Galilei genauso eine experimentelle Tatsache wie fur den (damaligen wie heutigen) Schulern.‘
  25. Als Nachweise fur Galilei siehe insbesondere sein Scriptum La Mecaniche . Online-Originalversion: Le mecaniche (Favaro) . Wikisource (italienisch). Ebenso die von Mersenne kommentierte und herausgegebene Fassung Les Mecaniques de Galilee in dem von ihm herausgeg. Gesamtband Mersenne, Questions Inouyes ou Recreation des Scavans . Paris 1634. Darin die Suppositions I bis III auf Seite 445. Ebenso abgedruckt in: E. Jouguet , Lecture de Mecanique . (Gauthier-Villars), Paris 1908, S. 30 f. Online: Textarchiv ? Internet Archive .
  26. Als Nachweis fur Baldi siehe insbesondere B. Baldi, In Mechanica Aristotelis Problemata Exercitationes . Mainz 1621, Seite 2. doi : 10.3931/e-rara-8255 Man beachte die kommentierte Neuauflage von E. Nenci (Hrsg.): Bernardino Baldi’s In mechanica Aristotelis problemata exercitationes , Edition Open Sources 2011, Online , Faksimile-Seite 2.
  27. Siehe etwa E. Jouguet , Lecture de Mecanique . (Gauthier-Villars), Paris 1908, S. 10. Online: Textarchiv ? Internet Archive
  28. Siehe Dijksterhuis (1983), im oben angeg. Einzelnachweis. Kap III, A: Die Schule des Jordanus , S. 276.