Werner Maurer | Zurich University of Applied Sciences - Academia.edu

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Werner Maurer

Zurich University of Applied Sciences, School of Engineering, Department Member

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Papers

Expert report on the Karlsruhe Physics Course – an analysis

Dated February 12, 2013, the German Physical Society (GPS) has published a report on the Karlsruh... more Dated February 12, 2013, the German Physical Society (GPS) has published a report on the Karlsruhe Physics Course [1] on its website. This report is formally incorrect, contains technical errors, takes things out of context and draws wrong conclusions. The chain of arguments formulated by the experts on the non-existence of conductive momentum currents testifies to a frightening ignorance of continuum mechanics. The explanations provided for colleagues (a second paper) glorify Newton's Laws without applying them correctly. Thus, the claim that the stress tensor must always be integrated over the entire body surface in order to calculate a force is a direct consequence of the wrongly formulated law of motion (Newton's 2nd Law). Also in the application of Newton's 3rd Law, an unforgivable mistake happens by confusing the interaction between two bodies with the equilibrium of a body. That this error could have been avoided with the momentum current image is probably part of the irony of this intrigue.

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The Balance of Energy and linear Momentum

Kinematics, balance equations and constitutive laws are the central topics of each textbook on co... more Kinematics, balance equations and constitutive laws are the central topics of each textbook on continuum mechanics. By adopting this view in the introductory physics course and taking momentum and energy as fluidlike quantities, one gains access to the basic laws of mechanics, which avoids the historically determined detours and captivates through simplicity and clarity. By combining this new approach with system-dynamic modelling, Systems Physics generates an additional boost that takes students far beyond the learning objectives of conventional physics courses. Crash behaviour of vehicles instead of elastic collision, bungee jumping instead of a harmonic oscillator and aircraft movements instead of a projectile motion are just a few of the topics covered in the module "Physics and Systems Science for Aviation". The theoretical basis for this new approach to mechanics is the continuum equations for momentum and energy, which can also be explained from the basic equation of the general theory of relativity.

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Transport of Energy and Momentum

Energy is a key factor in science and technology. The importance of momentum is less obvious. In ... more Energy is a key factor in science and technology. The importance of momentum is less obvious. In addition, momentum is often defined as mass times velocity. This definition degrades momentum to a pure quantity to be calculated. But for more than a hundred years energy and momentum have formed an inseparable unit. The associated densities and current densities even act as a source of the gravitational field. The present article deals with the transport of these fluidlike quantities and the possibilities derived from them for teaching. Examples are the jet engine, the belt drive and the tensile stress in a vessel under pressure.

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The Balance Equation as the Basement of Physics

What are the core ideas of classical physics and how should physics be taught? There will probabl... more What are the core ideas of classical physics and how should physics be taught? There will probably never be a clear answer to these questions. Nevertheless, the reform backlog is very high. Teaching along the historical development of physics, which usually has no strong connection to the professional world of engineers, will not survive another fifty years. Either physics lessons are completely redesigned or they disappear from the curriculum. This development, which began in Switzerland with the establishment of universities of applied sciences, is already quite advanced. In many new university programs, physics is not considered as an independent subject. Systems Physics, an approach developed on the basis of modeling and simulation, is a proven alternative. Systems physics is based on three core ideas, the balance equation, the constitutive laws and the well-defined defined role of energy. In this paper the importance of the balance equation, the continuity equation for lumped systems, will be demonstrated by means of selected examples. It's amazing what comes of it. But read for yourself!

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Physik und Systemwissenschaft in Aviatik

Neu konzipierte, bereichsübergreifende Studiengänge wie Mechatronik, Wirtschaftsingenieur oder Av... more Neu konzipierte, bereichsübergreifende Studiengänge wie Mechatronik, Wirtschaftsingenieur oder Aviatik bieten die Chance, Inhalte besser zu strukturieren, bergen aber auch das Risiko, sich in der Breite zu verlieren. Mit dem Schwerpunktfach Physik und Systemwissenschaft ist im Studiengang Aviatik ein Modul geschaffen worden, in dem der Lernstoff im Zusammenspiel von Vorlesung, Übungen und Labor vermittelt wird. So lernen die Studierenden im Modellbildungslabor anhand ausgewählter Beispiele, wie komplexe Systeme zu analysieren und im Modell zu synthetisieren sind. Zusätzlich werden sie von einer zweiten Lehrperson in verschiedenen Kommunikationsformen wie Bericht, Vortrag oder Poster geschult. Die tragende Struktur, welche die verschiedenen Aspekte verknüpft und die ausgewählten Themen zusammenhält, nennt sich Physik der dynamischen Systeme oder einfach nur Systemphysik. Aufbauend auf der Bilanz mengenartiger Grössen, den konstitutiven Gesetzen sowie der speziellen Rolle der Energie durchdringt die Systemphysik alle Gebiete der Naturwissenschaften, setzt neue Akzente und räumt mit historisch gewachsenen Fehlvorstellungen auf. Zudem eignet sich die Systemphysik hervorragend als Basis für eine rechnergestützte Modellbildung dynamischer Systeme.

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PhyDynSys – eine Modelica-Bibliothek zur Physik der dynamischen Systeme

Die Physik der dynamischen Systeme baut auf dem Karlsruher Physikkurs auf, benutzt die systemdyna... more Die Physik der dynamischen Systeme baut auf dem Karlsruher Physikkurs auf, benutzt die systemdynamische Modellierungstechnik und orientiert sich an der mathematischen Sprache der Kontinuumsphysik. Mit diesem radikalen Umbau des klassischen Curriculums wird eine tragfähigere Basis für die Ingenieurausbildung gelegt. Wer den dynamischen Dreiklang mit Bilanzgesetzen, konstitutiven Gleichungen und klar definierten Rolle der Energie kennt, kann sich ob der dissonanten Vielstimmigkeit von Mechanik, Hydro-und Thermodynamik sowie Elektrodynamik nur noch wundern. Modelica beschreibt genau das, was die Physik der dynamischen Systeme ausmacht. Die klare Trennung zwischen Austausch und Inhalt, die in den Konnektoren (Verbindungsstücken) abgebildete Struktur mit Fluss-und Potenzialgröße sowie die Möglichkeit, Elemente aus verschiedenen Zweigen der Physik zu verbinden, macht Modelica zur Sprache für die Physik der dynamischen Systeme. Die nun vorliegende Modelica-Bibliothek PhyDynSys gliedert sich in die fünf Teile Hydrodynamik, Elektrodynamik, Translationsmechanik, Rotationsmechanik und Thermo-dynamik. Dazu kommen noch die drei Unterbibliotheken für die Konnektoren, die Kopplungen und die komplexeren Systeme. Später sollen weitere Bibliotheken wie PhyDyn-Trans oder PhyDynEnerg geschrieben werden, mit denen Fahrzeuge oder Energiesysteme modelliert und simuliert werden können. Die schriftliche Fassung des Vortrages beschreibt in erster Linie den Aufbau der Bibliothek und die bildungspolitischen Zielsetzungen. Im mündlichen Vortrag werden dann vermehrt Beispiele und Simulationsergebnisse vorgestellt.

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Simulationsgestützte Entwicklung von Puffern und Dämpfern für Eisenbahnzüge

Im Laufe der letzten zehn Jahre sind in Zusammenarbeit zwischen Schwab Verkehrstechnik AG in Scha... more Im Laufe der letzten zehn Jahre sind in Zusammenarbeit zwischen Schwab Verkehrstechnik AG in Schaffhausen und der Züricher Hochschule Winterthur hydraulische Stoss-und Zugvorrichtungen für Güter-und Personenzüge entwickelt worden. Dank den Simulationsmodellen konnte die Zahl der Prototypen sehr klein gehalten werden. In den ersten Jahren ist das systemdynamische Werkzeug STELLA, danach Matlab/Simulink und zuletzt Modelica eingesetzt worden. Trotz Umfang und Erfolg dieses Unternehmens handelt es sich eigentlich um ein " Abfallprodukt " didaktischer Bemühungen, der Entwicklung der Physik der dynamischen Systeme.

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Prozessverständnis durch Modellbildung und Simulation

Die an der Zürcher Hochschule Winterthur entwickelte Physik der dynamischen Systeme verbindet Mod... more Die an der Zürcher Hochschule Winterthur entwickelte Physik der dynamischen Systeme verbindet Modellbildung und Simulation mit System-und Prozessdenken. Der Erfolg des neuen Zuganges basiert auf zwei Faktoren. Erstens werden alle Gebiete der klassischen Physik mit einer einheitlichen Sprache beschrieben. Zweitens unterstützt das eingesetzte Simulationswerkzeug diese Beschreibungssprache. Ziel des systemdynamischen Zuganges ist die Modellbildung nach einem einheitlichen und leicht verständlichen Schema: ausgehend von der Bilanz der Basisgrösse wird die Struktur durch Hinzufügen von konstitutiven Gesetzen vervollständigt, bis ein konsistentes Modell vorliegt. Die eigentliche Modellbildung wird in einem Computerlabor geschult, das den Physikunterricht begleitet.

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Systems Physics – A Modeling Approach to Fundamental Concepts

Systems Physics represents a coherent view of physics. Balance equation, constitutive laws and th... more Systems Physics represents a coherent view of physics. Balance equation, constitutive laws and the well defined role of energy form the framework of this newly developed physics course. According to this scheme, all areas of classical physics are taught in the same way: balance equation, constitutive laws and at last the Energy as an interconnecting bookkeeper. This unitary structure facilitates the computer-based modeling with a system dynamics tool. Therefore, students at the ZHAW learn physics by forming dynamic models and and not primarily by solving exercises. In this paper, a few examples from different areas are presented (two PET bottles, space jump world record, Landing gear drop test, wind shear, cats land on their feet, water rocket simulator, Stirling engine). Most of these models have been developed in the past decade in a bachelor degree course for Aviation.

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Impuls-und Energiebilanz

Kinematik, Bilanzgleichungen und konstitutive Gesetze bilden die zentralen Themen der Lehrbücher ... more Kinematik, Bilanzgleichungen und konstitutive Gesetze bilden die zentralen Themen der Lehrbücher zur Kontinuumsmechanik. Übernimmt man diese Sichtweise in den einführenden Physikkurs und erklärt Impuls und Energie zu Elementargrössen, die gespeichert und transportiert werden können, gewinnt man einen Zugang zu den Grundgesetzen der Mechanik, der die historisch bedingten Umwege vermeidet und durch Einfachheit und Klarheit besticht. Indem die Systemphysik diese Neudarstellung mit der systemdynamischen Modellbildung kombiniert, erzeugt sie einen zusätzlichen Entwicklungsschub, der die Studierenden weit über die Lernziele konventioneller Physikkurse hinaus führt. Crashverhalten von Fahrzeugen statt ideal-elastische Stösse, Bungee-Jumping statt harmonischer Oszillator und Flugbewegungen statt schiefer Wurf sind nur einige Themen, die im Modul „Physik und System¬wissenschaft für Aviatik“ behandelt werden. Theoretische Basis für diesen neu konzi¬pierten Zugang zu den Grundgesetzen der Mechanik sind die lokalen Bilanzgleichungen für Impuls und Energie, die aus der Grundgleichung der allgemeinen Relativitätstheorie heraus erklärt werden können.

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Expert report on the Karlsruhe Physics Course – an analysis

Dated February 12, 2013, the German Physical Society (GPS) has published a report on the Karlsruh... more Dated February 12, 2013, the German Physical Society (GPS) has published a report on the Karlsruhe Physics Course [1] on its website. This report is formally incorrect, contains technical errors, takes things out of context and draws wrong conclusions. The chain of arguments formulated by the experts on the non-existence of conductive momentum currents testifies to a frightening ignorance of continuum mechanics. The explanations provided for colleagues (a second paper) glorify Newton's Laws without applying them correctly. Thus, the claim that the stress tensor must always be integrated over the entire body surface in order to calculate a force is a direct consequence of the wrongly formulated law of motion (Newton's 2nd Law). Also in the application of Newton's 3rd Law, an unforgivable mistake happens by confusing the interaction between two bodies with the equilibrium of a body. That this error could have been avoided with the momentum current image is probably part of the irony of this intrigue.

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The Balance of Energy and linear Momentum

Kinematics, balance equations and constitutive laws are the central topics of each textbook on co... more Kinematics, balance equations and constitutive laws are the central topics of each textbook on continuum mechanics. By adopting this view in the introductory physics course and taking momentum and energy as fluidlike quantities, one gains access to the basic laws of mechanics, which avoids the historically determined detours and captivates through simplicity and clarity. By combining this new approach with system-dynamic modelling, Systems Physics generates an additional boost that takes students far beyond the learning objectives of conventional physics courses. Crash behaviour of vehicles instead of elastic collision, bungee jumping instead of a harmonic oscillator and aircraft movements instead of a projectile motion are just a few of the topics covered in the module "Physics and Systems Science for Aviation". The theoretical basis for this new approach to mechanics is the continuum equations for momentum and energy, which can also be explained from the basic equation of the general theory of relativity.

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Transport of Energy and Momentum

Energy is a key factor in science and technology. The importance of momentum is less obvious. In ... more Energy is a key factor in science and technology. The importance of momentum is less obvious. In addition, momentum is often defined as mass times velocity. This definition degrades momentum to a pure quantity to be calculated. But for more than a hundred years energy and momentum have formed an inseparable unit. The associated densities and current densities even act as a source of the gravitational field. The present article deals with the transport of these fluidlike quantities and the possibilities derived from them for teaching. Examples are the jet engine, the belt drive and the tensile stress in a vessel under pressure.

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The Balance Equation as the Basement of Physics

What are the core ideas of classical physics and how should physics be taught? There will probabl... more What are the core ideas of classical physics and how should physics be taught? There will probably never be a clear answer to these questions. Nevertheless, the reform backlog is very high. Teaching along the historical development of physics, which usually has no strong connection to the professional world of engineers, will not survive another fifty years. Either physics lessons are completely redesigned or they disappear from the curriculum. This development, which began in Switzerland with the establishment of universities of applied sciences, is already quite advanced. In many new university programs, physics is not considered as an independent subject. Systems Physics, an approach developed on the basis of modeling and simulation, is a proven alternative. Systems physics is based on three core ideas, the balance equation, the constitutive laws and the well-defined defined role of energy. In this paper the importance of the balance equation, the continuity equation for lumped systems, will be demonstrated by means of selected examples. It's amazing what comes of it. But read for yourself!

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Physik und Systemwissenschaft in Aviatik

Neu konzipierte, bereichsübergreifende Studiengänge wie Mechatronik, Wirtschaftsingenieur oder Av... more Neu konzipierte, bereichsübergreifende Studiengänge wie Mechatronik, Wirtschaftsingenieur oder Aviatik bieten die Chance, Inhalte besser zu strukturieren, bergen aber auch das Risiko, sich in der Breite zu verlieren. Mit dem Schwerpunktfach Physik und Systemwissenschaft ist im Studiengang Aviatik ein Modul geschaffen worden, in dem der Lernstoff im Zusammenspiel von Vorlesung, Übungen und Labor vermittelt wird. So lernen die Studierenden im Modellbildungslabor anhand ausgewählter Beispiele, wie komplexe Systeme zu analysieren und im Modell zu synthetisieren sind. Zusätzlich werden sie von einer zweiten Lehrperson in verschiedenen Kommunikationsformen wie Bericht, Vortrag oder Poster geschult. Die tragende Struktur, welche die verschiedenen Aspekte verknüpft und die ausgewählten Themen zusammenhält, nennt sich Physik der dynamischen Systeme oder einfach nur Systemphysik. Aufbauend auf der Bilanz mengenartiger Grössen, den konstitutiven Gesetzen sowie der speziellen Rolle der Energie durchdringt die Systemphysik alle Gebiete der Naturwissenschaften, setzt neue Akzente und räumt mit historisch gewachsenen Fehlvorstellungen auf. Zudem eignet sich die Systemphysik hervorragend als Basis für eine rechnergestützte Modellbildung dynamischer Systeme.

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PhyDynSys – eine Modelica-Bibliothek zur Physik der dynamischen Systeme

Die Physik der dynamischen Systeme baut auf dem Karlsruher Physikkurs auf, benutzt die systemdyna... more Die Physik der dynamischen Systeme baut auf dem Karlsruher Physikkurs auf, benutzt die systemdynamische Modellierungstechnik und orientiert sich an der mathematischen Sprache der Kontinuumsphysik. Mit diesem radikalen Umbau des klassischen Curriculums wird eine tragfähigere Basis für die Ingenieurausbildung gelegt. Wer den dynamischen Dreiklang mit Bilanzgesetzen, konstitutiven Gleichungen und klar definierten Rolle der Energie kennt, kann sich ob der dissonanten Vielstimmigkeit von Mechanik, Hydro-und Thermodynamik sowie Elektrodynamik nur noch wundern. Modelica beschreibt genau das, was die Physik der dynamischen Systeme ausmacht. Die klare Trennung zwischen Austausch und Inhalt, die in den Konnektoren (Verbindungsstücken) abgebildete Struktur mit Fluss-und Potenzialgröße sowie die Möglichkeit, Elemente aus verschiedenen Zweigen der Physik zu verbinden, macht Modelica zur Sprache für die Physik der dynamischen Systeme. Die nun vorliegende Modelica-Bibliothek PhyDynSys gliedert sich in die fünf Teile Hydrodynamik, Elektrodynamik, Translationsmechanik, Rotationsmechanik und Thermo-dynamik. Dazu kommen noch die drei Unterbibliotheken für die Konnektoren, die Kopplungen und die komplexeren Systeme. Später sollen weitere Bibliotheken wie PhyDyn-Trans oder PhyDynEnerg geschrieben werden, mit denen Fahrzeuge oder Energiesysteme modelliert und simuliert werden können. Die schriftliche Fassung des Vortrages beschreibt in erster Linie den Aufbau der Bibliothek und die bildungspolitischen Zielsetzungen. Im mündlichen Vortrag werden dann vermehrt Beispiele und Simulationsergebnisse vorgestellt.

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Simulationsgestützte Entwicklung von Puffern und Dämpfern für Eisenbahnzüge

Im Laufe der letzten zehn Jahre sind in Zusammenarbeit zwischen Schwab Verkehrstechnik AG in Scha... more Im Laufe der letzten zehn Jahre sind in Zusammenarbeit zwischen Schwab Verkehrstechnik AG in Schaffhausen und der Züricher Hochschule Winterthur hydraulische Stoss-und Zugvorrichtungen für Güter-und Personenzüge entwickelt worden. Dank den Simulationsmodellen konnte die Zahl der Prototypen sehr klein gehalten werden. In den ersten Jahren ist das systemdynamische Werkzeug STELLA, danach Matlab/Simulink und zuletzt Modelica eingesetzt worden. Trotz Umfang und Erfolg dieses Unternehmens handelt es sich eigentlich um ein " Abfallprodukt " didaktischer Bemühungen, der Entwicklung der Physik der dynamischen Systeme.

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Prozessverständnis durch Modellbildung und Simulation

Die an der Zürcher Hochschule Winterthur entwickelte Physik der dynamischen Systeme verbindet Mod... more Die an der Zürcher Hochschule Winterthur entwickelte Physik der dynamischen Systeme verbindet Modellbildung und Simulation mit System-und Prozessdenken. Der Erfolg des neuen Zuganges basiert auf zwei Faktoren. Erstens werden alle Gebiete der klassischen Physik mit einer einheitlichen Sprache beschrieben. Zweitens unterstützt das eingesetzte Simulationswerkzeug diese Beschreibungssprache. Ziel des systemdynamischen Zuganges ist die Modellbildung nach einem einheitlichen und leicht verständlichen Schema: ausgehend von der Bilanz der Basisgrösse wird die Struktur durch Hinzufügen von konstitutiven Gesetzen vervollständigt, bis ein konsistentes Modell vorliegt. Die eigentliche Modellbildung wird in einem Computerlabor geschult, das den Physikunterricht begleitet.

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Systems Physics – A Modeling Approach to Fundamental Concepts

Systems Physics represents a coherent view of physics. Balance equation, constitutive laws and th... more Systems Physics represents a coherent view of physics. Balance equation, constitutive laws and the well defined role of energy form the framework of this newly developed physics course. According to this scheme, all areas of classical physics are taught in the same way: balance equation, constitutive laws and at last the Energy as an interconnecting bookkeeper. This unitary structure facilitates the computer-based modeling with a system dynamics tool. Therefore, students at the ZHAW learn physics by forming dynamic models and and not primarily by solving exercises. In this paper, a few examples from different areas are presented (two PET bottles, space jump world record, Landing gear drop test, wind shear, cats land on their feet, water rocket simulator, Stirling engine). Most of these models have been developed in the past decade in a bachelor degree course for Aviation.

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Impuls-und Energiebilanz

Kinematik, Bilanzgleichungen und konstitutive Gesetze bilden die zentralen Themen der Lehrbücher ... more Kinematik, Bilanzgleichungen und konstitutive Gesetze bilden die zentralen Themen der Lehrbücher zur Kontinuumsmechanik. Übernimmt man diese Sichtweise in den einführenden Physikkurs und erklärt Impuls und Energie zu Elementargrössen, die gespeichert und transportiert werden können, gewinnt man einen Zugang zu den Grundgesetzen der Mechanik, der die historisch bedingten Umwege vermeidet und durch Einfachheit und Klarheit besticht. Indem die Systemphysik diese Neudarstellung mit der systemdynamischen Modellbildung kombiniert, erzeugt sie einen zusätzlichen Entwicklungsschub, der die Studierenden weit über die Lernziele konventioneller Physikkurse hinaus führt. Crashverhalten von Fahrzeugen statt ideal-elastische Stösse, Bungee-Jumping statt harmonischer Oszillator und Flugbewegungen statt schiefer Wurf sind nur einige Themen, die im Modul „Physik und System¬wissenschaft für Aviatik“ behandelt werden. Theoretische Basis für diesen neu konzi¬pierten Zugang zu den Grundgesetzen der Mechanik sind die lokalen Bilanzgleichungen für Impuls und Energie, die aus der Grundgleichung der allgemeinen Relativitätstheorie heraus erklärt werden können.

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Systemphysik – eine Alternative zur Punktmechanik

In diesem Aufsatz wird anhand der Theorie und mit wenigen Beispielen gezeigt, dass der Mechanikun... more In diesem Aufsatz wird anhand der Theorie und mit wenigen Beispielen gezeigt, dass der Mechanikunterricht anschaulicher, motivierender und vor allem umfassender als die herkömmliche Punktmechanik wird, falls man konsequent die Begriffsstruktur der Relativitätstheorie verwendet. Das Sahnehäubchen bildet die systemdynamische Modellbildung.

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