Drehimpuls

Der Drehimpuls ist die bilanzierfähige Primärgrösse der Rotationsmechanik. Die Physik des 20. Jahrhunderts hat gezeigt, dass der Drehimpuls genau so grundlegend ist wie etwa die elektrische Ladung oder die Masse. Der Drehimpuls spaltet bezüglich eines raumfesten Koordinatensystems (Weltsystem) in drei Komponenten auf. Jede dieser drei Komponenten darf als eigenständige Menge bilanziert werden. Die drei Komponenten transformieren sich im Raum wie ein Vektor. Der Drehimpuls wird in Newtonmetersekunde (Nms; 1 Nms = 1 kgm²/s) gemessen. Als Formelzeichen verwenden wir L oder (L_x, L_y, L_z).

Drehimpulsspeicher

Jeder rotierende Körper speichert Drehimpuls. Um einen Körper in Rotation zu versetzen, muss man ihm Drehimpuls zuführen. Damit er still steht, muss er diesen Drehimpuls wieder abgeben können. Im Alltag erfolgt der Drehimpulsaustausch meistens mit der Erde, die aufgrund ihrer enormen Kapazität nicht messbar auf diesen Austausch reagiert.

eindimensional

Untersucht man nun Bewegungen in der Ebene oder längs einer Achse, tritt nur eine Komponente in Erscheinung. Diese Menge, die gespeichert und transportiert werden kann, bezeichnet man in der Umgangssprache als Drall. Im Gegensatz zur Masse und analog zur elektrischen Ladung oder zum Impuls kann der Drehimpulsinhalt eines Körpers kleiner als Null werden. Ein Körper, der sich negative Richtung dreht (ω<0), besitzt eine Schuld, die nur durch Zufuhr von Drehimpuls ausgeglichen werden kann. Speichervorgänge, bei denen nur eine Komponente beteiligt ist, lassen sich bestens im Flüssigkeitsbild darstellen und analysieren.

Der Zusammenhang zwischen Drehimpulsinhalt und Winkelgeschwindigkeit wird durch das kapazitive Gesetz der Rotationsmechanik vermittelt, wonach die Winkelgeschwindigkeit gleich dem Quotienten aus Drehimpuls und Massenträgheitsmoment J ist

[math]\omega = \frac {L}{J}[/math]

Drehimpulsströme

Drehimpulsströme hinterlassen keine direkten Spuren. Ein Drehimpulsstrom wird aber immer von begleitenden Impulsströmen begrenzt. Fliesst der Drehimpuls in seine eigene Bezugsrichtung durch den Körper, wird dieser auf Torsion belastet, fliesst er quer dazu, bezeichnet man die Belastung als Biegung. Querfliessende Impulsströme bilden Drehimpulsquellen aus. Die Stärke eines Drehimpulsstromes bezüglich eines ausgewählten Systems und die Quellenstärke nennt man Drehmoment. Die Drehimpulsbilanz verknüpft die Drehimpulsströme und die Drehimpulsquellen mit der Inhaltsänderung. Weil der Drehmpuls unter allen Umständen erhalten bleibt, gibt es keine Drehimpulsproduktionsrate.

Relativitätstheorie

Bezüglich der Raum-Zeit bildet der Drehimpuls den räumlichen Teil des Drehimpulstensors.

Quantenmechanik

Der Drehimpuls eines Körpers ist quantisiert und gleich dem Vielfachen des Drehimpulsquantums. Teilchen, deren Eigendrehimpuls oder Spin gleich dem ganzzahligen Vielfachen (0, 1, 2) des Drehimpulsquantums ist, nennt man Bosonen; Teilchen, deren Eigendrehimpuls oder Spin gleich dem halbzahligen Vielfachen (1/2, 3/2, 5/2) ist, heissen Fermionen. Fermionen bilden die Materie und Bosonen die "Kraft"felder.