Körper (Physik)
In der Physik ist ein physikalischer Körper oder einfach Körper etwas, das Masse hat und Raum einnimmt. In der klassischen Physik ist ein Körper in der Regel durch eine identifizierbare Begrenzung eingeschränkt. Körper bestehen aus Materie. Ein Körper kann in einem der Aggregatzustände vorliegen, z. B. fest, flüssig oder gasförmig, er kann aber auch aus mehreren Bestandteilen mit möglicherweise unterschiedlichen Aggregatzuständen zusammengesetzt sein.
In der klassischen Physik gilt: Wo ein Körper ist, kann kein zweiter sein.
Auch in der Quantenphysik ist ein Körper etwas, das Masse hat und Raum einnimmt. Hingegen ist das Konzept der Begrenzung kaum anwendbar, da Begrenzungen sich nicht beliebig lokalisieren lassen.
Begrifflich unterschieden wird:
- der zählbare und teilbare Körper, z. B. „Schneeflocke“, „Brett“ oder „Tropfen“
- der nicht zählbare und nicht teilbare Stoff, z. B. „Eis“, „Holz“ und „Wasser“.
Fluide Körper
Flüssige und gasförmige Körper werden zusammenfassend Fluide genannt. Sie haben keine bestimmte Form und passen sich in der Regel den Gefäßwänden an. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sich Gase verdichten lassen, während Flüssigkeiten ein nahezu konstantes Volumen haben. Ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum in der Regel voll aus, während eine Flüssigkeit eine Oberfläche ausbildet. Befindet sich ein Körper in einem Fluid, so erfährt er nach dem archimedischen Prinzip einen Auftrieb. Das Verhalten unbewegter Fluide wird durch die Fluidstatik beschrieben, das Verhalten bewegter Fluide durch die Fluiddynamik.
Kondensiert ein gasförmiger Körper zu einem flüssigen oder festen, so nimmt seine Dichte sprungartig zu, typischerweise um drei Größenordnungen. Beim Erstarren ändert sie sich hingegen nur wenig. Deshalb werden Flüssigkeiten und Festkörper als kondensierte Materie zusammengefasst und den Gasen gegenübergestellt.
Festkörper
Festkörper besitzen zwar eine feste Form, sie lassen sich aber durch das Einwirken äußerer Kräfte verformen. Geht die Verformung nach dem Einwirken der Kraft wieder vollständig zurück, so spricht man von einer elastischen Verformung, anderenfalls von einer plastischen Verformung, die ein irreversibler Prozess ist. In vielen Anwendungen werden die Verformungen eines festen Körpers, wenn sie nur geringfügig sind, auch vernachlässigt. Man verwendet dann das Modell des starren Körpers. Um seine Position im Raum eindeutig zu beschreiben, genügt die Angabe der Koordinaten von dreien seiner Punkte. Sind die Eigenschaften eines Festkörpers, insbesondere seine Zusammensetzung und Dichte, im gesamten Volumen konstant, so spricht man von einem homogenen Körper.
Falls neben der Verformung auch die Rotation des Körpers vernachlässigt werden kann (z. B. weil die Ausdehnung des Körpers sehr gering ist oder weil die Rotation aufgrund von Zwangsbedingungen unmöglich ist), kann man seine Position und seine Bewegung auch dadurch korrekt beschreiben, dass man ihn auf einen einzigen Massenpunkt reduziert. Man stellt sich dabei die gesamte Masse im Schwerpunkt des Körpers vereinigt vor, der durch das gewichtete Mittel der Massen aller Massenpunkte oder Volumenelemente bestimmt wird, aus denen der Körper aufgebaut ist. Streng genommen handelt es sich beim einzelnen Massenpunkt nicht mehr um einen physikalischen Körper, weil er keine räumliche Ausdehnung besitzt. Wie die newtonschen Gesetze es beschreiben, bewirkt eine äußere Kraft eine Beschleunigung in Richtung der Kraft, die umso größer ist, je größer die Kraft und je kleiner die Masse des Massepunktes ist.
Die Bewegung eines Massepunktes bedeutet stets eine zeitliche Veränderung des Ortes. Entsprechend der drei Raumdimensionen hat ein Massenpunkt also drei Freiheitsgrade der Translation. Besteht ein starrer Körper aus mehr als einem Massenpunkt, so kann er zusätzlich noch um die eine beliebige Achse rotieren und erhält dadurch bis zu drei Rotationsfreiheitsgrade. Das dynamische Verhalten ist nun nicht mehr allein durch die Masse des Körpers bestimmt, sondern auch durch die räumliche Verteilung der Masse, die durch den Trägheitstensor angegeben wird. Kräfte, die auf einen Körper einwirken, bewirken (wie beim Massenpunkt) Translationsbeschleunigung. Greifen sie jedoch exzentrisch, d. h. außerhalb des Schwerpunkts an, so verursachen sie außerdem Rotationsbeschleunigungen.
Beim starren Körper schließlich tritt an die Stelle der Summation über eine endliche Anzahl von Massepunkten die Integration über infinitesimal kleine Volumenelemente. Der starre Körper besitzt sechs Freiheitsgrade: Drei der Translation und drei der Rotation.
Historische Aspekte
Als im frühen 17. Jahrhundert die neuzeitliche Naturwissenschaft entstand, vertrat René Descartes einen rein geometrischen Begriff. Demnach ist der Körper allein durch sein Volumen und seine Form definiert und hat keine weiteren Eigenschaften. Wirkungen sollte der Körper nur durch direkte Berührung mit einem anderen Körper auslösen können, also durch einen Stoß.[1] Demgegenüber gründete Isaac Newton die nach ihm benannte Mechanik auf die Definition, ein Körper sei eine bestimmte Menge an Materie. Er benutzte den Begriff Körper gleichbedeutend mit Masse und verstand darunter die Gesamtzahl der materiellen Teilchen, die in einem Volumen eingeschlossen sind.[2] Mithilfe des von ihm ebenfalls neu geschaffenen Begriffs der Kraft analysierte er die Bewegungen von Körpern am Himmel und auf der Erde und stellte fest, dass zwischen je zwei beliebigen Körpern auch in großem Abstand eine Anziehungskraft wirken müsse, die Gravitation. Obwohl Newton selbst über den Ursprung dieser Kraft keine Aussagen ("Hypothesen") treffen wollte, wurde diese Kraftwirkung als von den Körpern ausgehend und als eine Eigenschaft der Körper aufgefasst. Gottfried Wilhelm Leibniz[3] und andere kritisierten dies als Rückfall in die vorwissenschaftliche Zeit, in der man die in der Natur beobachteten Vorgänge dadurch zu erklären versucht hatte, dass man den Körpern allerlei verborgene (okkulte) Eigenschaften zuschrieb – eine Ansicht, die Newton heftig zurückwies.
Im weiteren Ausbau der Mechanik und ihrer Anwendung auf Flüssigkeiten und Gase wurde auch der Gebrauch des Worts Körper entsprechend ausgedehnt. Vorübergehend wurden Anfang des 20. Jahrhunderts sogar neu in radiochemischen Versuchen gefundene, zunächst nur durch ihre messbare Halbwertszeit identifizierte Radionuklide als radioaktive Körper bezeichnet.
Weblinks
Einzelnachweise
- Richard S. Westfall: Force in Newton's Physics: The Science of Dynamics in the Seventeenth Century. American Elsevier, New York 1971., Kap. 2
- Isaac Newton: Philosophiae naturalis principia mathematica. Bd. 1: Tomus Primus. London 1687, Definitio I (Digitalisat), siehe auch Newton: Opticks, Buch III, Query 31 (Beleg vervollständigen)
- Volkmar Schüller: Der Leibniz-Clarke-Briefwechsel. Akademie-Verlag, Berlin 1991., Brief an A. Conti vom 6. Dez. 1715