System

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System und Bezugssystem

In der Physik wird von uns häufig die Festlegung eines Systems verlangt. Dabei muss man zwischen zwei Arten von Systemen unterscheiden: Das System, das man betrachtet, und das Bezugssystem, aus dem heraus man es betrachtet: Von wo aus (mein Bezugssystem) betrachte ich was (das System)? Das Bezugssystem ist durch den Standpunkt des Betrachters bzw. Beobachters festgelegt: Er ruht darin. Spricht man vom System ohne den Vorzatz "Bezugs", meint man das, was der Beobachter betrachtet. Das System ist der betrachtete Gegenstand oder die Ansammlung von Gegenständen, die betrachtet oder untersucht werden.

Beispiel: Wir wollen die Bewegung von Erde und Sonne untersuchen. Wir können dazu als Bezugssystem die Erde wählen (von dort aus betrachten wir) und die Sonne betrachten. Dann bildet die Sonne das System. Genauso gut können wir als Bezugssystem die Sonne wählen und von dort aus die Erde betrachten. Dann ist das Bezugssystem die Sonne und das betrachtete System die Erde. Oder wir können von der Erde aus den Mond betrachten. Dann wäre das Bezugssystem wieder die Erde und das System der Mond.

Das System

Ein System ist vor allem ein abstraktes gedank­liches Konstrukt. Als System bezeichnen wir eine gedanklich abge­grenzte Auswahl von Komponenten in einer realen oder erdachten Situation. Das System besteht dann aus den ausgewählten Komponenten und seine Umgebung aus allem übrigen.

Systemgrenzen

Ein System hat eine ebenfalls gedachte Systemgrenze, die es von seiner Umgebung abgrenzt und der wir Eigenschaften zuweisen können. Die Eigenschaften bestimmen die Art des Systems:

Arten von Systemen

  • Abgeschlossene bzw. isolierte Systeme: Wenn die Systemgrenze für Masse und Energie undurchlässig ist, nennen wir das System abgeschlossen, oder besser: isoliert. Es hat dann keinerlei Wechselwirkung mit seiner Umgebung.
  • Geschlossene Systeme: Wenn die System­grenze nur für Masse undurchlässig ist, nennen wir das System geschlossen.
  • Offene Systeme: Alle übrigen Systeme nennen wir offen.

Die Systemgrenze kann, aber muss keine geometrische geschlossene Form haben. Wir betrachten z. B. das Universum als gegebene Situation und wählen daraus als System unsere Erde aus. Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. Wir wählen als System nur die Masse der Erde. Dann können wir uns als Systemgrenze eine Kugelschale um die Erde denken.
  2. Wir wählen als System die Masse der Erde und ihr Gravitationsfeld aus. Dieses erstreckt sich über das gesamte Universum. Nun hat die Systemgrenze keine geometrische Gestalt mehr sondern ist rein abstrakt.

System und Umgebung

Die Umge­bung ist die Menge aller physikalischen Objekte außerhalb des Systems, im Grunde also das gesamte Universum. Um die Umgebung zu erfassen, wendet man in der Physik das KISS-Prinzip an und berücksichtigt von der Umge­bung nur die Komponenten, die einen relevanten Einfluss auf das System haben.

Festlegung von Systemen

Systeme, Systemgrenzen und Umgebung legen man nach Bedarf und Fragestellung fest. In der Mechanik ist die Festlegung von Systemen überschaubar: Wenn wir Bewegungen untersuchen und dazu Kräfte betrachten, wählen wir offene Systeme aus. Das System besteht dann immer aus dem Objekt, nach dessen Bewegung wir fragen. Man sagt dazu: "das Objekt freischneiden". In seiner Umgebung müssen wir nur die Kompo­nen­ten betrachten, die Kräfte auf das freigeschnittene Objekt ausüben. Wenn wir dagegen Bilanzgleichungen für Impuls oder Energie aufstellen, und von der Erhaltung der Gesamtsumme ausgehen, muss man isolierte Systeme auswählen. Sie enthalten die bewegten Objekte und alle Komponenten, die Kräfte darauf ausüben.

Beispiel: a) Wenn wir die Bewegung der Masse eines Fadenpendels suchen, wählen wir als System nur die Masse des Lots aus, das wir als Massepunkt modellieren. In seiner Umgebung betrachten wir das Seil und die Erde. Das Seil übt eine Zugkraft auf das Lot aus. Und die Erde übt aufgrund der Gravitation die Gewichtskraft auf das Lot aus. Beides sind dann äußere Kräfte.

b) Wenn wir dagegen nach der Gesamtenergie des Pendels fragen, das heißt, nach der Summe aus potenzieller und kinetischer Energie, müssen wir als System die Masse des Lots, das Seil und die Erde mit ihrem Gravitationsfeld auswählen. Alle auftretenden Kräfte sind dann innere Kräfte, es gibt keine äußeren Kräfte und das System ist isoliert. In diesem Fall ist die Gesamtenergie des Systems konstant.

a) Das Lot allein bildet ein offenes System. b) Die Kombination aus Lot, Seil, Erde und Feld der Gewichtskraft bilden ein isoliertes System.