Was versteht man unter der „Mechanik deformier­barer Körper”? Letzt­lich ist jeder Körper deformier­bar. Unter gewissen ideali­sierten Voraus­setzungen kann man solche Deforma­tionen vernach­lässigen. Nach­folgend wollen wir diese Vernach­lässigung aber nicht machen.

Das Modell des starren Körpers, das zuvor behandelt wurde, ist natür­lich in seiner Anwen­dung begrenzt. Was heißt das? Das kann man an einem ganz ein­fachen Beispiel plau­sibel machen. Nehmen wir an, wir haben einen starren Stab, zum Beispiel eine Stange. Wenn man an einem Ende anschiebt, dann wird sich am anderen Ende unmittel­bar eine Bewegung ergeben. Wenn so ein Stab ein Meter lang ist, macht sich der Effekt nicht anschau­lich bemerk­bar. Aber nehmen wir an, wir hätten einen Stab, der von der Erde bis zum Mond reichen würde. Wenn man einen solchen Stab jetzt ein bisschen anschiebt, wird eben­falls unmittel­bar am Mond eine Bewegung zu verzeichnen sein. Man kriegt dort quasi ein Signal überliefert.

Nun weiß man, dass der Mond ca. 1 Licht­sekunde von der Erde entfernt ist. Und man weiß aufgrund relativis­tischer Über­legungen, dass Informa­tionen nicht schneller als mit Licht­geschwindig­keit über­tragen werden können. Als Informations­über­tragung wäre ein solcher Stab natürlich toll. Das Problem ist aller­dings, dass die Umsetzung so nicht funktioniert. Denn in diesen Dimensionen ist es nicht mehr möglich, streng­genommen von einem starren Körper zu sprechen. Weil es sonst Wider­sprüche zu den gut fundierten Ergebnissen der Relativitäts­mechanik geben würde. Also, ganz starre Körper kann es demnach nicht geben.

Insofern ist Stahl auch deformier­bar, wobei die Distanzen letzt­lich keine Rolle spielen. Er wird in irgend­einer Weise deformiert, indem er ein Stück gestaucht wird. Bei einer so langen Distanz wie in unserem Beispiel, werden sich praktisch wellen­förmige Bewegungen ausbreiten. Selbst wenn der Körper sehr starr ist, kommt es auf die inneren Kräfte in dem Körper an. Gerade bei großen Distanzen kann man diese inneren Kräfte nicht unberücksichtigt lassen.

Wir werden die Betrachtung der deformier­baren Körper in zwei Bereiche aufteilen. In einem Teil sprechen wir über Fluide, zu denen Flüssig­keiten und/oder Gase gehören. Im anderen Teil geht es dann um Fest­körper. In der Physik ist ein Fest­körper etwas anderes als ein starrer Körper. Ein Fest­körper hat zwar auch eine fest­gelegte Form, aber er ist durch äußere Kräfte verform­bar. Während ein starrer Körper auch eine fest­gelegte äußere Form hat, aber definitions­gemäß nicht als verformbar ange­nommen wird. Das ist der kleine Unterschied.

Wenn man also einen Fest­körper mit einer bestimmten Gestalt deformiert, dann kann er entweder in seine ursprüng­liche Gestalt zurückkehren. In diesem Fall sagt man, der Körper ist „elastisch”. Oder aber er verbleibt nach einer Deformation permanent in seiner neuen Gestalt. Dann sagt man, der Körper ist „plastisch”. Letzt­lich wird es davon abhängen, wie stark man einen Fest­körper deformiert. Ob er also noch in der Lage ist, wieder elastisch in seine ursprüng­liche Gestalt zurück­zukehren oder ob er dauer­haft plastisch verformt wird oder womöglich sogar bricht, wenn er zu stark äußeren Kräften ausgesetzt ist.

Festkörper können auch homogen oder inhomogen sein. Das heißt, sie weisen entweder eine gleich­mäßige Dichte auf oder aber eine veränder­liche Dichte. Zusätz­lich kann ein Fest­körper isotrop oder anisotrop sein. Das bedeutet, wie verhält sich ein Fest­körpers gegen­über verschie­denen Raum­richtungen. Wenn ein Fest­körper nämlich anisotrop ist, dann handelt es sich um einen kristal­linen Fest­körper. Dort gibt es dann bestimmte Kristall­achsen, längs derer so ein Körper besondere Eigen­schaften aufweist. Isotrop hingegen bedeutet, dass es egal ist, aus welcher Richtung man diesen Körper betrachtet.

In diesem Zusammen­hang spricht man auch gerne von Eigen­schaften, wie amorph oder kristallin. Amorphe Köper werden typischer­weise isotrop sein. Kristal­line Körper, die eine definierte Kristall­struktur aufweisen, sind dagegen anisotrop. Doch bevor wir die Fest­körper näher beleuchten, werden wir zuvor noch kurz auf die Fluide eingehen.

Im Gegen­satz zu den Fest­körpern haben die Fluide keine bestimmte Gestalt. Das trifft sowohl auf Flüssig­keiten als auch auf Gase zu. Natür­lich kann es sein, das sie den Gestalt­änderungen einen Reibungs­widerstand entgegen­setzen. Es gibt auch Fluide, die wenig oder fast gar keine innere Reibung haben und wieder andere, die eine relativ starke Wider­stands­kraft gegen eine Form­änderung haben.

Aller­dings gibt es einen wichtigen Unter­schied zwischen Flüssig­keiten und Gasen. Flüssig­keiten haben im Wesent­lichen ein bestimmtes Volumen mit einer bestimmten Dichte. Deshalb werden die Flüssig­keiten in den meisten Fällen als inkompressibel angesehen. Man benötigt schon sehr große Kräfte um zu bewirken, dass sich die Dichte und damit das Volumen einer bestimmten Flüssig­keit verändert.

Bei den Gasen ist es dagegen so, dass die Gase kein bestimmtes Volumen haben und somit kompressibel sind. Trotz dieser augen­schein­lichen Unter­schiede spricht man bei beiden Stoffen von Fluiden, und man versucht diese gemeinsam zu beschreiben. So hat man zum Beispiel den Ober­begriff der „Fluid­dynamik”, die man dann in die „Hydrodynamik” und die „Aerodynamik” unterteilt, wenn man sich hierbei auf Flüssig­keiten und Gase beschränken möchte.

Wir werden im Folgenden eine makros­kopische Beschrei­bung wählen. Dann lassen sich die Flüssig­keiten und/oder Gase aufgrund ihrer moleku­laren Struktur beschreiben. Das versucht man zum Teil auch mit Computer­simulationen und physika­lischen Methoden, vor allem wenn die genauen Wechsel­wirkungs­kräfte zwischen den Molekülen bzw. Atomen bekannt sind. In vielen Fällen bevorzugt man eine makros­kopische Beschreibung, wobei dann die detail­lierten Eigen­schaften mit Hilfe von phänomeno­logischen bzw. empirisch ermittelten Material­konstanten beschrieben werden.

Solche Konstanten sind zum Beispiel die Kompres­sibilität, die Reibung, die Ober­flächen­spannung, die Dichte und Ähnliches. Alle diese Konstanten sind wichtig, um das Verhalten der Fluide quantitativ beschreiben zu können. Wie eine solche Beschreibung erfolgt, werden wir im weiteren Verlauf sehen. Ähnlich wie bei den starren Körpern, werden wir auch bei den Fluiden die Beschreibung schritt­weise durch­führen.

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