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Rhena Krawietz, Wilfried Heimke
Physik im Bauwesen
Ein einführendes Lehrbuch mit Beispielen
Vorwort
7
Vorwort zur 2. Auflage
8
Inhaltsverzeichnis
9
1 Einführung
15
1.1 Physik und Bauphysik
15
1.2 Physikalische Größen
15
1.2.1 Symbolik
15
1.2.2 Maßeinheiten
16
1.2.3 Größen- und Zahlenwertgleichungen
18
1.3 Fehlerrechnung
18
1.3.1 Fehlerarten
18
1.3.2 Fehler einer Messreihe
19
1.3.3 Fehlerfortpflanzung
20
1.3.4 Lineare Regression (Ausgleichsgerade)
22
2 Grundlagen der Mechanik
25
2.1 Kinematik und Dynamik
25
2.1.1 Punktmasse, starrer und elastischer Körper
25
2.1.2 Eindimensionale Bewegung
26
2.1.3 Bewegung im Raum
27
2.1.4 Newtonsche Axiome
29
2.1.5 Arbeit, Leistung und Energie
32
2.2 Erhaltungssätze
34
2.2.1 Impulssatz
34
2.2.2 Energiesatz
34
2.3 Bewegte Bezugssysteme
35
2.3.1 Inertialsystem
35
2.3.2 Translatorisch beschleunigte Bezugssysteme
35
2.3.3 Gleichförmig rotierendes Bezugssystem
36
2.4 Aufbau der Stoffe
37
2.4.1 Atome, Moleküle, Ionen
37
2.4.2 Bindungskräfte und -arten, Aggregatzustände
39
2.4.3 Kontinuum
40
2.5 Feste Körper
43
2.5.1 Starrer Körper
43
2.5.2 Kräfte am starren Körper
43
2.5.3 Statik
45
2.5.4 Starrer Rotator
47
2.5.5 Äußere Reibung
48
2.5.6 Elastische Stoffe
49
2.6 Flüssigkeiten und Gase
52
2.6.1 Kennzeichen der Flüssigkeiten und Gase
52
2.6.2 Druck in Flüssigkeiten und Gasen
52
2.6.3 Flüssigkeiten und Gase im Schwerefeld
53
3 Wärmetransport und Wärmeschutz von Gebäuden
55
3.1 Temperatur und Wärmemenge
55
3.1.1 Temperaturskalen
55
3.1.2 Thermische Ausdehnung
55
3.1.3 Temperaturmessung
56
3.1.4 Wärmekapazität
58
3.2 Temperaturausgleich
60
3.2.1 Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
60
3.2.2 Arten des Wärmetransportes
60
3.2.3 Wärmestrom und Wärmestromdichte
61
3.3 Wärmeleitung
61
3.3.1 Stationärer Wärmestrom
61
3.3.2 Messverfahren für die Wärmeleitfähigkeit
63
3.3.3 Wärmedurchlass
63
3.3.4 Wärmeübergang
65
3.3.5 Wärmedurchgang
65
3.3.6 Temperaturverlauf in einer Wand
66
3.3.7 Komplexe Bauteile
68
3.3.8 Wärmebrücken
70
3.3.9 Wärmediffusion
72
3.3.10 Temperaturwellen
74
3.3.11 Kurzzeitige Wärmeableitung
78
3.4 Wärmekonvektion
80
3.4.1 Bewegte Flüssigkeiten und Gase
80
3.4.2 Luftdichtheit und Lüftung von Gebäuden
83
3.4.3 Konvektionsstromdichte
85
3.4.4 Lüftungswärmeverlust
87
3.5 Wärmestrahlung
87
3.5.1 Energietransport durch elektromagnetischeWellen
87
3.5.2 Strahlungsgesetze
88
3.5.3 Strahlungsabsorption, -reflexion und -transmission
89
3.5.4 Solare Wärmegewinne
92
3.6 Energieberechnungen
94
3.6.1 Energieeinsparverordnung
94
3.6.2 Berechnung des Nutzenergiebedarfs für Heizen und Kühlen nach DIN V 18599-2
97
3.6.3 Mindestwärmeschutz
102
3.6.4 Sommerlicher Wärmeschutz
103
3.6.5 Energieausweise
103
4 Feuchtigkeitstransport
105
4.1 Das Phasendiagramm von Wasser
105
4.2 Zustandsänderungen von Gasen
107
4.2.1 Zustandsgrößen
107
4.2.2 Zustandsgleichungen
108
4.2.3 Thermodynamische Prozesse
109
4.3 Mechanismen des Wassertransportes in Baustoffen
111
4.4 Kapillarer Wassertransport
112
4.4.1 Oberflächenspannung
112
4.4.2 Kapillarität
113
4.4.3 Maßnahmen gegen kapillaren Wassertransport
114
4.5 Luftfeuchtigkeit
115
4.5.1 Absolute und relative Luftfeuchtigkeit
115
4.5.2 Taupunkt
118
4.5.3 Messverfahren für die Luftfeuchtigkeit
118
4.6 Wasserdampfdiffusion
119
4.6.1 Wasserdampfdiffusion in Luft
119
4.6.2 Wasserdampfdiffusion in Bauteilen
121
4.6.3 Wasserdampfdurchgang durch eine Wand
122
4.6.4 Maßnahmen zum Tauwasserschutz
127
5 Schallausbreitung
128
5.1 Schwingungen
128
5.1.1 Harmonische Schwingungen
128
5.1.2 Gedämpfte harmonische Schwingungen
129
5.1.3 Erzwungene harmonische Schwingungen
131
5.1.4 Überlagerung von Schwingungen
133
5.2 Wellen
135
5.2.1 Wellengleichung
135
5.2.2 Wellenarten
137
5.2.3 Reflexion, Brechung und Beugung
138
5.2.4 Stehende Wellen
139
5.2.5 Doppler-Effekt
141
5.2.6 Elektromagnetische Wellen
141
5.3 Schwingungen von Bauteilen
143
5.3.1 Eigenschwingungen homogener, einschaliger Bauteile
143
5.3.2 Eigenschwingungen mehrschaliger Bauteile
144
5.4 Schallwellen und Schallfeldgrößen
146
5.4.1 Wellengleichung von Schallwellen
146
5.4.2 Schallgeschwindigkeit
148
5.4.3 Schalldruck und Schallschnelle
148
5.4.4 Stehende Schallwellen
150
5.4.5 Klanganalyse
151
5.5 Schallpegel
152
5.5.1 Energie- und Stromdichte einer Welle
152
5.5.2 Schallstärke und Schallpegel
154
5.5.3 Überlagerung von Schallfeldern
155
5.6 Ultraschall
156
5.7 Physiologische Akustik
157
5.7.1 Hörfläche
157
5.7.2 Lautheit
158
5.7.3 Bewertete Schallpegel
159
5.7.4 Trägheit der Gehörempfindung
160
5.8 Ausbreitung von Schallwellen
161
5.8.1 Reflexion und Brechung
161
5.8.2 Beugung
162
5.8.3 Schallausbreitung im Freifeld, Entfernungsgesetz
163
5.9 Schallabsorption und Raumakustik
165
5.9.1 Schallabsorptionsgrad
165
5.9.2 Schallabsorber
166
5.9.3 Nachhall
168
5.10 Schalldämmung
172
5.10.1 Lärm
172
5.10.2 Verkehrslärm
172
5.10.3 Luftschalldämm-Maß
173
5.10.4 Messung der Luftschall-Dämmung
177
5.10.5 Trittschalldämmung
180
5.10.6 Anforderungen an die Schalldämmung
181
6 Elektrodynamik im Bauwesen
183
6.1 Felder
183
6.1.1 Feldstärke
183
6.1.2 Potenzial
183
6.2 Statisches elektrisches Feld
184
6.2.1 Elektrostatik
184
6.2.2 Elektrostatik der Metalle
186
6.2.3 Nichtleiter im elektrischen Feld
187
6.3 Stationärer elektrischer Strom
188
6.3.1 Gleichstrom in Metallen undFlüssigkeiten
188
6.3.2 Gesetze des Ladungstransportes
188
6.4 Statisches magnetisches Feld
190
6.4.1 Magnetostatik
190
6.4.2 Stoffe im Magnetfeld
191
6.4.3 Magnetische Wirkungen elektrischer Ströme
192
6.4.4 Kräfte im Magnetfeld
194
6.5 Instationäre Felder
194
6.5.1 Elektromagnetische Induktion
194
6.5.2 Wechselstrom
195
6.6 Blitzerscheinungen
196
6.6.1 Elektrostatische Grundlagen
196
6.6.2 Feldstärke und Entladungsmechanismus
198
6.6.3 Entladungsdauer und -strom, Blitzableiter
199
6.7 Elektrostatische Verfahren
200
6.7.1 Elektrofilter, elektrische Sortierung
200
6.7.2 Beschichtungsverfahren
201
6.8 Elektroosmose
202
6.8.1 Unipolare Stromleitung
202
6.8.2 Aktive und passive Elektroosmose
202
6.9 Elektrolytische Erscheinungen
203
6.9.1 Elektrolytische Verfahren
203
6.9.2 Dissoziation
203
6.9.3 Elektrochemisches Entsalzen
203
7 Optik und Beleuchtung
204
7.1 Strahlenoptik
204
7.2 Wellenoptik
207
7.3 Lichttechnische Grundbegriffe
209
7.3.1 Lichtstrom, Lichtstärke, Wirkungsgrad
209
7.3.2 Beleuchtungsstärke
211
7.3.3 Leuchtdichte, Leuchtdichtefaktor
212
7.3.4 Messung lichttechnischer Größen
213
7.4 Tageslicht
213
7.4.1 Natürliche Beleuchtung
213
7.4.2 Tageslichtquotient
214
7.5 Künstliches Licht
217
7.5.1 Lichterzeugung
217
7.5.2 Temperaturstrahler
217
7.5.3 Lumineszenzstrahler
218
7.6 Farben
222
7.6.1 Farbreize
222
7.6.2 Farbvalenzen
223
7.6.3 Farbempfindungen
229
8 Strahlung und Bauwerke
231
8.1 Strahlung und Materie
231
8.1.1 Quantelung der Energie
231
8.1.2 Induzierte Emission
232
8.1.3 Photo- und Compton-Effekt
233
8.1.4 Bremsstrahlung
234
8.1.5 Paarbildung
234
8.2 Radioaktivität
235
8.2.1 Instabile Kerne
235
8.2.2 Zerfallsgesetz
235
8.2.3 Radioaktive Belastung von Bauwerken
236
8.2.4 Radon und radongeschütztes Bauen
237
9 Brandschutz
239
9.1 Anforderungen
239
9.2 Brandverlauf
239
9.3 Brandverhalten
241
9.3.1 Stahlkonstruktionen
241
9.3.2 Betonkonstruktionen
242
9.3.3 Holzkonstruktionen
243
9.4 Nachweisverfahren
243
Literaturverzeichnis
244
Verzeichnis der Formelzeichen und wichtigen Konstanten
250
Sachwortverzeichnis
263
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