Müller / Ferber Technische Mechanik für Ingenieure

5. aktualisierte Auflage 2019
ISBN: 978-3-446-46118-5
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 542 Seiten, Beispiele, Programme, Videosequenzen, Zusatzmaterialien zum Stöbern und Nacharbeiten im Internet

Dieses Lehrbuch ist auf die Bachelor-Ausbildung in der Technischen Mechanik an technischen Universitäten und Hochschulen im deutschsprachigen Raum ausgerichtet. Behandelt werden die in den ersten Semestern relevanten Gebiete Statik, elementare Festigkeitslehre sowie Dynamik.
Darüber hinaus werden Grundlagen zur Kontinuumsmechanik sowie den Energieprinzipen der Mechanik vermittelt. Das Buch schafft somit die Basis für konstruktive Auslegungen ingenieurtechnischer Probleme.
Zum Buch gehören außerdem Kurzaufgaben mit Lösungen, die sich die Studierenden kostenlos im Internet abholen können.

Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang H. Müller ist Lehrstuhlinhaber für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie am Institut für Mechanik der Technischen Universität Berlin.

Autoren/Hrsg.

Müller, Wolfgang H.

Ferber, Ferdinand

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Technische Mechanik | Werkstoffkunde

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort zur 1. Auflage;6
2;Vorwort zur 5. Auflage;7
3;Inhaltsverzeichnis;10
4;1 Statik;22
4.1;1.1 Grundbegriffe;22
4.1.1;1.1.1 Zum Kraftbegriff;22
4.1.2;1.1.2 Einteilung der Kräfte, das Schnitt und das Wechselwirkungsprinzip;24
4.2;1.2 Kräfte in einem Angriffspunkt;27
4.2.1;1.2.1 Zusammensetzen von Kräften;27
4.2.2;1.2.2 Zerlegen von Kräften in der Ebene: Komponentendarstellung;30
4.2.3;1.2.3 Gleichgewicht von Kräften in einem Angriffspunkt;33
4.2.4;1.2.4 Zentrale Kräftegruppe im Gleichgewicht: Haltekraft auf schiefer Ebene;35
4.2.5;1.2.5 Zentrale Kräftegruppe im Gleichgewicht: Verkettete Pendelstäbe;36
4.2.6;1.2.6 Zentrale Kräftegruppe im Raum und Vergleich mit zwei Dimensionen;39
4.3;1.3 Allgemeine Kräftesysteme: Gleichgewicht des starren Körpers;41
4.3.1;1.3.1 Moment beliebig verteilter Kräftegruppen im Raum;41
4.3.2;1.3.2 Gleichgewichtsbedingungen für beliebige Kräftesysteme in der Ebene;47
4.3.3;1.3.3 Gleichgewicht illustriert an einem System von Pendelstäben;49
4.3.4;1.3.4 Vektorielle Deutung des Momentes;50
4.3.5;1.3.5 Allgemeine Kräftegruppen im Raum;55
4.4;1.4 Der Schwerpunkt;58
4.4.1;1.4.1 Schwerpunkt einer Gruppe paralleler Kräfte;58
4.4.2;1.4.2 Spezielle Linienkräfte (Streckenlasten): Gleichstrecken- und Dreieckslast;60
4.4.3;1.4.3 Massenschwerpunkt eines Volumens;61
4.4.4;1.4.4 Zum Flächenschwerpunkt;65
4.4.5;1.4.5 Zum Linienschwerpunkt;71
4.5;1.5 Lager, Trag- und Fachwerke;73
4.5.1;1.5.1 Freiheitsgrade, Lager und ihre technische Realisierung;73
4.5.2;1.5.2 Tragwerke;75
4.5.3;1.5.3 Fachwerke;76
4.6;1.6 Der biegesteife Träger;81
4.6.1;1.6.1 Schnittgrößen – Begriffsbildung;81
4.6.2;1.6.2 Zur Berechnung von Schnittgrößen am geraden Balken;83
4.6.3;1.6.3 Zur Berechnung von Schnittgrößen am Rahmentragwerk;99
4.7;1.7 Reibungsphänomene;105
4.7.1;1.7.1 Gleitreibung und Haftreibung;105
4.7.2;1.7.2 Reibung an der schiefen Ebene;109
4.7.3;1.7.3 Spezielle Anwendungen des Reibungsphänomens;111
5;2 Festigkeitslehre;124
5.1;2.1 Einführung, Begriffe;124
5.1.1;2.1.1 Aufgabe der Festigkeitslehre;124
5.1.2;2.1.2 Beanspruchungsarten;125
5.1.3;2.1.3 Begriff der Spannung;126
5.2;2.2 Zug- und Druckbeanspruchung;128
5.2.1;2.2.1 Zug- und Druckspannung in Bauteilen;128
5.2.2;2.2.2 Beispiel: Spannungsverteilung in einem konischen Stab;130
5.2.3;2.2.3 Beispiel: Stab gleicher Festigkeit;131
5.2.4;2.2.4 Die Längenänderung des Zug- oder Druckstabes;132
5.2.5;2.2.5 Die Querdehnung des Zug- oder Druckstabes;135
5.2.6;2.2.6 Verformung statisch bestimmter Stabsysteme;136
5.2.7;2.2.7 Statisch unbestimmte Stabsysteme;137
5.2.8;2.2.8 Behinderte Wärmeausdehnung;139
5.3;2.3 Schubbeanspruchung und HOOKEsches Gesetz;140
5.3.1;2.3.1 Spannungen infolge Schublast;140
5.3.2;2.3.2 Verformung infolge Schublast;140
5.4;2.4 Biegebeanspruchung des Balkens;141
5.4.1;2.4.1 Biegespannungsformel;141
5.4.2;2.4.2 Trägheits- und Widerstandsmomente für einfache Querschnittsformen;144
5.4.3;2.4.3 Satz von STEINER;146
5.4.4;2.4.4 Die Normalspannungen im Balken infolge Querkraftbiegung;149
5.5;2.5 Schub infolge Querkraft beim Biegeträger;151
5.5.1;2.5.1 Ingenieurformel für die Schubspannungen;151
5.5.2;2.5.2 Berechnung der Schubspannungen für spezielle Trägerformen;153
5.5.3;2.5.3 Schubspannungen im geschweißten, geklebten und genieteten Träger;155
5.5.4;2.5.4 Schubmittelpunkt;157
5.6;2.6 Die elastische Linie des Biegeträgers (Biegelinie);158
5.6.1;2.6.1 Die Differenzialgleichung der Biegelinie;158
5.6.2;2.6.2 Beispiel: Der eingespannte Balken;161
5.6.3;2.6.3 Beispiel: Träger auf zwei Stützen;162
5.6.4;2.6.4 Anwendung auf statisch unbestimmte Systeme;164
5.6.5;2.6.5 Ermittlung von Verformungen mithilfe des Superpositionsprinzips;165
5.6.6;2.6.6 Schiefe Biegung (Begriff der Hauptträgheitsachsen);166
5.7;2.7 Axiale Verdrehung / Torsion;172
5.7.1;2.7.1 Schubspannungen am Kreisquerschnitt;172
5.7.2;2.7.2 Polares Trägheitsmoment für Kreisprofile;174
5.7.3;2.7.3 Dünnwandige geschlossene Hohlprofile und dünnwandige offene Profile;175
5.7.4;2.7.4 Beliebige offene Profile, dickwandige Hohlprofile;178
5.7.5;2.7.5 Verformung infolge Torsion, Verdrehwinkel;179
5.8;2.8 Zusammengesetzte Beanspruchung;182
5.8.1;2.8.1 Einführung;182
5.8.2;2.8.2 Normalspannungen aus Normalkräften und Biegung;183
5.8.3;2.8.3 Schubspannungen aus Querkraft und Torsion;185
5.8.4;2.8.4 Begriff des Spannungstensors im ebenen Fall;186
5.8.5;2.8.5 Begriff des Spannungstensors im räumlichen Fall;190
5.8.6;2.8.6 Der MOHRsche Kreis;192
5.8.7;2.8.7 Vergleichsspannungen;198
5.8.8;2.8.8 Spannungstensor für den Balken;199
5.9;2.9 Stabilitätsprobleme;205
5.9.1;2.9.1 Einführung;205
5.9.2;2.9.2 Ein erstes Stabilitätsproblem;206
5.9.3;2.9.3 Zur Phänomenologie von Stabilitätsproblemen;207
5.9.4;2.9.4 Die EULERsche Knickgleichung;207
5.9.5;2.9.5 Die vier EULERschen Knicktypen;210
6;3 Dynamik;214
6.1;3.1 Punktförmige Masse;214
6.1.1;3.1.1 Kinematik eines einzelnen Massenpunktes;214
6.1.2;3.1.2 Kinetik des Massenpunktes;229
6.1.3;3.1.3 Der Impulssatz;239
6.1.4;3.1.4 Der Energiesatz der Mechanik;242
6.1.5;3.1.5 Drehimpuls und Momentensatz;247
6.2;3.2 Die Dynamik von Massenpunktsystemen;247
6.2.1;3.2.1 Kinematik;247
6.2.2;3.2.2 Kinetik;249
6.2.3;3.2.3 Impuls- und Schwerpunktsatz für Massenpunktsysteme;251
6.2.4;3.2.4 Drehimpulssatz für Massenpunktsysteme;252
6.2.5;3.2.5 Der Energie- und Arbeitssatz für Massenpunktsysteme;256
6.2.6;3.2.6 Eine Anwendung des Impuls- und des Energiesatzes: Zentrische Stöße zwischen kugelförmigen Massen;257
6.2.7;3.2.7 Körper mit zeitveränderlicher Masse;260
6.3;3.3 Die Dynamik des starren Körpers;263
6.3.1;3.3.1 Starrkörperkinematik;263
6.3.2;3.3.2 Starrkörperkinetik;274
6.4;3.4 Schwingungen;297
6.4.1;3.4.1 Grundbegriffe der Schwingungslehre;297
6.4.2;3.4.2 Freie, ungedämpfte Schwingungen mit einem Freiheitsgrad;300
6.4.3;3.4.3 Freie, gedämpfte Schwingungen mit einem Freiheitsgrad;309
6.4.4;3.4.4 Angefachte Schwingungen;316
6.4.5;3.4.5 Schwingungen mit endlich vielen Freiheitsgraden;323
7;4 Kontinuumsmechanik;332
7.1;4.1 Bilanzgleichungen der Masse;332
7.1.1;4.1.1 Bilanzgleichung der Masse in globaler Form;332
7.1.2;4.1.2 Massendichte und Umschreibung der globalen Massenbilanz;333
7.1.3;4.1.3 LEIBNIZsche Regel zur Differenziation von Parameterintegralen und REYNOLDSsches Transporttheorem;335
7.1.4;4.1.4 Lokale Massenbilanz in regulären Punkten;339
7.1.5;4.1.5 Alternativschreibweisen der Massenbilanz in regulären Punkten; Endziel des Mechanikers;341
7.2;4.2 Bilanzgleichungen des Impulses;343
7.2.1;4.2.1 Bilanzgleichung des Impulses in globaler Form;343
7.2.2;4.2.2 Das CAUCHYsche Tetraederargument;346
7.2.3;4.2.3 Bilanzgleichung des Impulses in lokaler Form;347
7.2.4;4.2.4 Eine Bemerkung zum REYNOLDSschen Transporttheorem;349
7.3;4.3 Einfache Materialgleichungen;351
7.3.1;4.3.1 Das reibungsfreie Fluid;351
7.3.2;4.3.2 Das NAVIER-STOKES-Fluid;352
7.3.3;4.3.3 Der linear-elastische HOOKEsche Körper;352
7.4;4.4 Bilanzgleichungen des Drehimpulses;357
7.4.1;4.4.1 Die lokale Bilanz des Drehimpulses;357
7.4.2;4.4.2 Die globale Bilanz des Drehimpulses;359
7.5;4.5 Einführung in die lineare Elastizitätstheorie;360
7.5.1;4.5.1 Der eindimensionale Zugstab neu gesehen;360
7.5.2;4.5.2 Die LAMÉ-NAVIERschen Gleichungen;362
7.5.3;4.5.3 Der axial schwingende Zugstab;367
7.5.4;4.5.4 Die Schwingungsgleichung der Geigensaite;369
7.5.5;4.5.5 Die Schwingungsgleichung einer Membran;373
7.5.6;4.5.6 Der transversal schwingende Balken;375
7.5.7;4.5.7 Lösungsmethoden I: Das Verfahren von D’ALEMBERT;376
7.5.8;4.5.8 Die Frage der Randbedingungen;381
7.5.9;4.5.9 Lösungsmethoden II: Das Verfahren von BERNOULLI;383
7.5.10;4.5.10 Zur Äquivalenz der Lösungsverfahren nach D’ALEMBERT und BERNOULLI;390
7.6;4.6 Einführung in die Hydromechanik;393
7.6.1;4.6.1 Massenbilanz bei der Rohrströmung;393
7.6.2;4.6.2 Der hydrostatische Druck;396
7.6.3;4.6.3 Die BERNOULLIsche Gleichung;397
7.6.4;4.6.4 Der Auftrieb nach ARCHIMEDES;399
8;5 Energiemethoden;402
8.1;5.1 Energiebilanzen;402
8.1.1;5.1.1 Lokale und globale Bilanz der kinetischen Energie;402
8.1.2;5.1.2 Zum Begriff der inneren Energie;404
8.1.3;5.1.3 Gesamtbilanz der Energie oder Energieerhaltungssatz;404
8.1.4;5.1.4 Bilanz der inneren Energie;407
8.1.5;5.1.5 Energiebilanz bei der Rohrströmung;409
8.2;5.2 Entropiebilanz und zweiter Hauptsatz;410
8.2.1;5.2.1 Globale und lokale Entropiebilanz;410
8.2.2;5.2.2 Die GIBBSsche Gleichung;412
8.2.3;5.2.3 Eine Anwendung der GIBBSschen Gleichung: Gummielastizität vs.HOOKEsches Gesetz;414
8.3;5.3 Die Sätze von CASTIGLIANO,BETTI und MAXWELL;421
8.3.1;5.3.1 Potenzialcharakter von Formänderungsenergie, komplementärer Formänderungsenergie, freier Energie und freier Enthalpie;421
8.3.2;5.3.2 Formänderungsenergiedichte linear-elastischer Körper;425
8.3.3;5.3.3 Komplementäre Formänderungsenergiedichte linear-elastischer Körper;428
8.3.4;5.3.4 Formänderungsenergiedichten für Balken;429
8.3.5;5.3.5 Formänderungsenergie in der Elastostatik;431
8.3.6;5.3.6 Die Sätze von MAXWELL und BETTI;432
8.3.7;5.3.7 Anwendung der Sätze von MAXWELL und BETTI auf statisch bestimmte und unbestimmte Systeme;436
8.3.8;5.3.8 Die Sätze von CASTIGLIANO für diskret belastete Systeme;439
8.3.9;5.3.9 Eine Anwendung der Sätze von CASTIGLIANO auf ein statisch bestimmtes System;441
8.4;5.4 Energiefunktionale und ihre Extrema;442
8.4.1;5.4.1 Eine erste Motivation zur Minimierung von Energieausdrücken;442
8.4.2;5.4.2 Hinführung zur Variationsrechnung;444
8.4.3;5.4.3 Die EULERsche Variationsgleichung;446
8.5;5.5 Das Prinzip der virtuellen Verschiebungen (PdvV);450
8.5.1;5.5.1 Das PdvV in der elementaren Technischen Mechanik;450
8.5.2;5.5.2 Das PdvV in der höheren Technischen Mechanik;452
8.5.3;5.5.3 Das PdvV vom Standpunkt der Variationsrechnung;455
8.5.4;5.5.4 Das PdvV – Statik starrer Systeme;457
8.5.5;5.5.5 Beispiele zum PdvV in der Statik starrer Systeme;458
8.5.6;5.5.6 Das PdvV – Statik deformierbarer Systeme;463
8.5.7;5.5.7 Ein Beispiel zum PdvV in der Statik deformierbarer Systeme;464
8.5.8;5.5.8 PdvV – Allgemeine Belastungsfälle für HOOKEsche Balken;467
8.5.9;5.5.9 PdvV – Die Näherungsmethoden von RITZ und GALERKIN;471
8.6;5.6 Das Prinzip der virtuellen Kräfte (PdvK);475
8.6.1;5.6.1 Formulierung des PdvK im Rahmen der elementaren und höheren Technischen Mechanik;475
8.6.2;5.6.2 Das PdvK vom Standpunkt der Variationsrechnung;478
8.6.3;5.6.3 Beispiele zum PdvK;480
8.6.4;5.6.4 Eine rezeptmäßige Auswertung des PdvK: Das 1-Kraft-Konzept;483
8.7;5.7 Dynamische Energieprinzipe;487
8.7.1;5.7.1 Das D’ALEMBERTsche Prinzip in LAGRANGEscher Fassung;487
8.7.2;5.7.2 Ableitung der Bewegungsgleichungen des starren Körpers mithilfe des D‘ALEMBERTschen Prinzips in LAGRANGEscher Fassung;489
8.7.3;5.7.3 Ein Beispiel zum D’ALEMBERTschen Prinzip in LAGRANGEscher Fassung;497
8.7.4;5.7.4 Das HAMILTONsche Prinzip und die LAGRANGE-Funktion;499
8.7.5;5.7.5 Generalisierte Koordinaten;501
8.7.6;5.7.6 Die EULER-LAGRANGEschen Bewegungsgleichungen;502
8.7.7;5.7.7 Beispiel I zu den EULERLAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Geführte Punktmasse;504
8.7.8;5.7.8 Beispiel II zu den EULERLAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Massenpunktsystem mit zwei generalisierten Koordinaten;505
8.7.9;5.7.9 Beispiel III zu den EULERLAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Mehrere Punktmassen im Verbund;507
8.7.10;5.7.10 Beispiel IV zu den EULERLAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Punktmassen und starrer Körper im Verbund;509
8.7.11;5.7.11 Beispiel V zu den EULERLAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Konservative Starrkörperbewegung;510
8.7.12;5.7.12 Beispiel VI zu den EULER-LAGRANGEschen Bewegungsgleichungen: Ein nicht konservatives System;512
8.7.13;5.7.13 Die LAGRANGEschen Bewegungsgleichungen 1. Art;513
8.7.14;5.7.14 Beispiel I zu den LAGRANGEschen Bewegungsgleichungen 1. Art;515
8.7.15;5.7.15 Beispiel II zu den LAGRANGEschen Bewegungsgleichungen 1. Art;519
8.7.16;5.7.16 Klassifizierung kinematischer Bedingungen;520
8.7.17;5.7.17 Beispiele zu holonom-rheonomen Nebenbedingungen;523
8.7.18;5.7.18 Die HAMILTONschen Bewegungsgleichungen;525
8.7.19;5.7.19 Beispiel I zu den HAMILTONschen Gleichungen: Wurf im Schwerefeld der Erde;529
8.7.20;5.7.20 Beispiel II zu den HAMILTONschen Gleichungen: Der 1-D-Massenschwinger;531
9;Stichwort- und Namensregister;532

Über Autor(innen)

Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang H. Müller ist Lehrstuhlinhaber für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie am Institut für Mechanik der Technischen Universität Berlin.
Dr.-Ing. habil. Ferdinand Ferber ist Privatdozent am Lehrstuhl für Technische Mechanik der Fakultät für Maschinenbau an der Universität Paderborn.