Kontraktion (Physik)

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Als Kontraktion eines physikalischen Objekts wird seine Verkleinerung (Zusammenziehen) bei fast gleichbleibender Masse bezeichnet. Nur bei Schrumpfungen durch Austrocknung verringert sich die Masse merklich.

Die Verkleinerung des Volumens erfolgt in den meisten Fällen durch Erhöhung des physikalischen Drucks oder das Sinken der Temperatur, kann aber auch damit gekoppelte oder andere Ursachen haben.

Kontraktion durch Erhöhung von Druck oder Zug

Werden Festkörper einem Druck ausgesetzt, tritt eine elastische Verformung (Kompression) mit Abnahme des Volumens und Zunahme der Dichte ein. Sie hängt in erster Linie von der wirkenden Kraft und dem Kompressionsmodul des Materials ab. Die Werkstoffkunde untersucht diese Phänomene mittels Druckversuchen. Teilweise tritt Kontraktion auch bei Biegeversuchen ein.

Bei Wirken von Zugkräften kommt es statt einer Kompression zu einer Dilatation, während es in den Richtungen normal zur Kraft zu einer Querkontraktion kommt. Im Labor kann dies durch Zugversuche an Probekörpern untersucht werden.

An leicht verformbaren Festkörpern (siehe Plastizität) kann Kontraktion auch schon bei wechselndem Luftdruck eintreten, bei Materialien mit weitgehender Inkompressibilität hingegen statt Kompression eine Verformung.

Kontraktion in der Geologie und im Bauwesen

In den Geowissenschaften sind zahlreiche Kontraktionsphänomene bekannt, die durch geologische Vorgänge ausgelöst werden. Viele hängen neben reiner Druckzunahme von weiteren Faktoren ab, etwa

• bei der Kompaktion (Verfestigung) von Sedimentgesteinen - vor allem in tiefen Sedimentbecken - durch jüngere Überlagerungen, Klüfte und Auspressung von Wasser
• unter schweren Gesteinskörpern - z.B. unter einem Gebirge - durch tektonische Verschiebungen
• im Erdinnern generell, allerdings wirkt die höhere Temperatur dem etwas entgegen
• im Bauwesen durch die Auflast von Gebäuden - siehe Setzung.

Thermische Kontraktion

Bei den meisten natürlichen Körpern tritt eine Kontraktion beim Sinken der Temperatur ein. Sie ist eine Folge des thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Einzelne Stoffe haben einen negativen Ausdehnungskoeffizienten, etwa Gummi. Hier tritt Kontraktion bei steigender Temperatur ein.

Weitere Kontraktionsphänomene

Entstehung von Himmelskörpern

Kontraktionsphasen sind auch bei der Entstehung fast aller Himmelskörper wesentlich beteiligt, etwa

• bei der Sternentstehung die sogenannte Kelvin-Kontraktion,
• bei Planeten die Bildung aus vielen kleinen Planetesimalen.

Phasenübergänge und innere Spannung

Eine besonders starke Kontraktion kann durch einen Phasenübergang des Materials eintreten. Solche Änderungen der inneren Struktur sind meist eine Folge erhöhten Drucks (etwa im Erdmantel) oder des Erreichens einer Grenztemperatur und gehen mit stark erhöhter Dichte einher. Auch andere Vorgänge wie Änderungen im Chemismus (z.B. Intrusionen im Erdinnern) können Auslöser sein.

Mit inneren Spannungen hängt u.a. die Entstehung und Auslösung von Erdbeben zusammen, die neben ruckartigen Verschiebungen auch geringe Dichte- und Volumsänderungen erzeugen können.

Weniger dramatische Phasenübergänge mit Kontraktion sind z.B.

• das Schmelzen von Wassereis (Volumensverkleinerung um knapp 10 %)
• oder Änderungen der inneren Struktur von Gesteinen, etwa bei Metamorphiten.

Austrocknen und Schwindung

• bei Tonmineralen und anderen hydrophilen Gesteinen: Verdunsten des Wassers zwischen den Tonplättchen bzw. Mikrostrukturen
• bei Holz: Verkürzung v.a. quer zur Faserrichtung

Wortherkunft und Gegenwörter

Das Wort "Kontraktion" (lateinisch contractio = Zusammenziehung, Verkleinern) ist ein Komposit aus dem Verb trahere = ziehen und dem Präfix con = zusammen.

Das Gegenteil einer Kontraktion heißt Expansion (Volumsvergrößerung, von lat. expandere, sich ausdehnen). Weitere Gegenwörter sind Dilatation (Längenausdehnung) und Relaxation (Übergang eines Systems in einen Gleichgewichtszustand).

Siehe auch

• Kontraktionstheorie
• Lorentzkontraktion in der speziellen Relativitätstheorie
• Lanthanoidenkontraktion beim Ionenradius
• Volumenkontraktion beim Mischen von Flüssigkeiten zu einer homogenen Lösung und in der Metallurgie

Literatur

• Hütte, Hütte – des Ingenieurs Taschenbuch, 1938
• Wilhelm Westphal: Physik. Ein Lehrbuch (Kapitel 3, 5, 11 und 13), 22.-24. Auflage, 713 p., Springer-Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg 1963
• Dieter Meschede: Gerthsen, Physik, 22. Auflage, Kap. 3.4, 5 und 16. Springer-Verlag 2003.