Physik A Teil 1: Mechanik - Physik-Institut - Universität Zürich

haben, beschreibt der Schwerpunktssatz die Translation des Körpers. Solange wir nur
an dieser interessiert sind, können wir den Körper durch einen Massenpunkt ersetzen.
Um jedoch über Drehbewegungen etwas aussagen zu können, brauchen wir eine weitere
Bewegungsgleichung, den Drehimpulssatz (Kapitel 5).
Wir nennen ein System abgeschlossen, wenn die Summe der äusseren Kräfte
∑ ⃗ Fi = ∑ d⃗p i
dt
= 0 verschwindet. Dann bleiben auf Grund des Impulssatzes der Gesamtimpuls
und nach dem Schwerpunktssatz die Schwerpunktsgeschwindigkeit erhalten:
In einem abgeschlossenen System
ist ∑ i ⃗p i = ⃗p = konst, ⃗v s = konst.
Impulserhaltungssatz (13)
Wenn ⃗v s = konst., so sind nur relative Lageänderungen innerhalb des Systems oder
Drehungen des Gesamtsystems möglich (vgl. Kap.3.7 und 8.6).
Unsere Herleitung des Impulserhaltungssatzes basiert auf der Gültigkeit der Newtonschen
Mechanik. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser Satz auch in solchen
Gebieten der Physik gilt, wo die Newtonsche Mechanik unzulänglich ist, z.B. in der Quantenmechanik
und in der Relativitätstheorie. Deshalb wird dem Impulserhaltungssatz eine
fundamentalere Bedeutung als der Newtonschen Mechanik beigemessen. In Kap. 10 wird
die Impulserhaltung aus der Symmetrie des Raumes abgeleitet. Der Raketenantrieb ist
eine Anwendung der Impulserhaltung (Kap.3.7).
2.4 Die vier fundamentalen Kräfte
Es sind bisher nur vier fundamentale Kräfte bekannt (vgl. Anhang ??):
1. Die Gravitation,
}
2. die elektromagnetische Wechselwirkung,
elektroschwache Wechselwirkung
3. die schwache Wechselwirkung und
4. die starke Wechselwirkung der Quarks.
Andere Kräfte 18 wie van der Waals-Kräfte in der Chemie, die Kernkraft oder Reibungskräfte,
lassen sich im Prinzip alle auf die vier fundamentalen Kräfte zurückführen.
Die ersten beiden Wechselwirkungen haben eine unendliche Reichweite, da sie mit dem
inversen Quadrat des Abstandes abnehmen, die letzten beiden sind nur wirksam innerhalb
nuklearer Dimensionen (≃ 10 −15 m). Die Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung
der Quarks (ähnlich den van der Waals-Kräften der elektomagnetischen Wechselwirkung)
verursacht die Kernkräfte zwischen den Bausteinen (Nukleonen: Protonen und Neutronen)
des Atomkerns und ist für dessen Zusammenhalt verantwortlich. Die schwache Wechselwirkung
tritt beim β-Zerfall des Atomkerns auf (z.B. Umwandlung eines Neutrons in ein
Proton unter Emission eines Elektrons und eines Neutrinos). Gegenwärtig wird sehr intensiv
untersucht, ob sich diese verschiedenen Kräfte auf eine einzige Ursache zurückführen
lassen (Vereinheitlichung der Kräfte), was bereits für die 2. und 3. der Wechselwirkungen
gelungen ist.
Wechselwirkungen werden nach dem heutigen Bild der Quantenfeldtheorie durch Austauschteilchen
vermittelt, die virtuell zwischen Materieteilchen ausgetauscht werden. Masselose
Austauschteilchen wie das Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung und
18 Eine superschwache Wechselwirkung als Ursache der beobachteten Verletzung der Zeitumkehrinvarianz
und damit eventuell der extremen Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum oder
eine fünfte Kraft in der Gravitation, wurden bisher nicht gefunden.
17