Dyne
Symbol: dynWorldwide (scientific)
Was ist ein/eine Dyne (dyn)?
Formale Definition
Das Dyne (Symbol: dyn) ist die Einheit der Kraft im Zentimeter- Gramm-Sekunden (CGS) System. Ein Dyne wird definiert als die Kraft, die erforderlich ist, um eine Masse von einem Gramm mit einer Beschleunigung von einem Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat zu beschleunigen: 1 dyn = 1 g·cm·s⁻². In SI-Einheiten entspricht ein Dyne genau 10⁻⁵ Newton (0.00001 N) oder gleichwertig 10 Mikronewton.
Das Dyne ist eine sehr kleine Einheit der Kraft. Die Gravitationskraft auf eine Masse von einem Gramm an der Erdoberfläche beträgt ungefähr 980,665 Dynes (oder ungefähr 1 Gramm-Kraft). Die geringe Größe des Dynes macht es gut geeignet zur Messung von Oberflächenspannung, viskosen Kräften und anderen Phänomenen, die kleine Kräfte betreffen, aber unpraktisch für ingenieurtechnische Anwendungen.
CGS-System-Kontext
Das CGS-System, das Zentimeter, Gramm und Sekunden als Basiseinheiten verwendet, war das dominante System in der Physik vom mittleren 19. Jahrhundert bis zur Einführung des SI im Jahr 1960. Obwohl das SI das CGS weitgehend ersetzt hat, überleben mehrere CGS-Einheiten – einschließlich des Dynes – in spezialisierten wissenschaftlichen Bereichen, in denen sie praktische Größen bieten oder in denen Jahrzehnte veröffentlichter Daten CGS-Einheiten verwenden.
Etymology
Griechischer Ursprung
Das Wort "Dyne" stammt vom griechischen "δύναμις" (dynamis), was Macht, Stärke oder Kraft bedeutet. Derselbe Stamm gibt uns "dynamisch", "Dynamo" und "Dynastie". Der Name wurde gewählt, um die Rolle der Einheit als grundlegendes Maß für Kraft im CGS-System widerzuspiegeln.
Das Dyne wurde als Teil des CGS-Systems eingeführt, das in den 1870er Jahren von der British Association for the Advancement of Science entwickelt wurde. Das Komitee, zu dem Lord Kelvin und James Clerk Maxwell gehörten, wollte ein kohärentes System schaffen, in dem mechanische, thermische und elektromagnetische Größen in Zentimetern, Gramm und Sekunden ausgedrückt werden konnten.
Namenskonvention
Im Gegensatz zu den meisten modernen metrischen Einheiten ist das Dyne nicht nach einem Wissenschaftler benannt. Es folgt dem Muster der CGS-Einheiten, die aus griechischen oder lateinischen Wurzeln abgeleitet sind (erg für Energie, vom griechischen "ergon" = Arbeit; poise für Viskosität, benannt nach Poiseuille). Der einfache, beschreibende Name des Dynes hat dazu beigetragen, dass es in der wissenschaftlichen Verwendung bestehen bleibt, auch wenn SI-Einheiten die meisten anderen CGS-Einheiten ersetzt haben.
Precise Definition
CGS-Definition
Das Dyne wird definiert als: 1 dyn = 1 g·cm·s⁻². Dies ist die Kraft, die eine Masse von einem Gramm um einen Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat beschleunigt. Die Definition folgt direkt aus dem zweiten Gesetz von Newton, angewendet in CGS-Einheiten.
SI-Äquivalenz
1 dyn = 10⁻⁵ N = 10 μN (Mikronewtons). Die Umrechnung folgt aus den CGS-zu-SI-Einheitenbeziehungen: 1 g = 10⁻³ kg und 1 cm = 10⁻² m, also 1 g·cm/s² = 10⁻³ kg × 10⁻² m/s² = 10⁻⁵ kg·m/s² = 10⁻⁵ N.
Wichtige Umrechnungen
1 dyn = 10⁻⁵ N = 10 μN = 0.0000022481 lbf = 0.0000010197 kgf = 1.0197 × 10⁻⁶ gf (Gramm-Kraft) ist inkorrekt; tatsächlich 1 dyn = 1.0197 × 10⁻³ gf. Nützlicher: 1 N = 100.000 dyn = 10⁵ dyn, und 1 kgf = 980.665 dyn.
Geschichte
Das CGS-System
Das Zentimeter-Gramm-Sekunden-System wurde 1832 von Carl Friedrich Gauss vorgeschlagen und ab 1874 formal von der British Association for the Advancement of Science (BAAS) entwickelt. Das BAAS-Komitee, zu dem William Thomson (Lord Kelvin), James Clerk Maxwell und andere führende Physiker gehörten, etablierte die CGS-mechanischen Einheiten: das Dyne (Kraft), das Erg (Energie) und das Barye (Druck).
Das CGS-System wurde fast ein Jahrhundert lang das dominante System in Physik und Chemie. Es wurde besonders bevorzugt, weil die elektromagnetischen Gleichungen in CGS einfachere Formen annahmen als im ursprünglichen MKS (Meter-Kilogramm-Sekunden) System. Generationen von Physikern lernten und veröffentlichten in CGS-Einheiten und schufen einen umfangreichen Literaturbestand, der in Dynes, Ergs und Gauss denominiert ist.
Konkurrenz mit MKS
Das MKS (Meter-Kilogramm-Sekunden) System, das 1901 von Giovanni Giorgi vorgeschlagen wurde, konkurrierte im frühen 20. Jahrhundert mit dem CGS. Das MKS-System bot praktischere Einheitengrößen für Ingenieurwesen: das Newton (= 10⁵ dyn) war besser geeignet für alltägliche Kräfte, und das Joule (= 10⁷ erg) war geeigneter für praktische Energie-Messungen. Die Einführung des SI im Jahr 1960 formalisiert den MKS-Ansatz und relegierte das CGS in den Status eines Erbes.
Überleben in spezifischen Bereichen
Trotz der Dominanz des SI überlebt das Dyne in mehreren wissenschaftlichen Kontexten. Die Oberflächenspannung wird in der Chemie und Materialwissenschaft häufig in Dynes pro Zentimeter (dyn/cm) angegeben. Viskosität in der CGS-Einheit Poise (dyn·s/cm²) bleibt verbreitet. Astronomische Literatur, insbesondere ältere Referenzen, verwendet CGS-Einheiten umfassend. Das Dyne pro Quadrat-Zentimeter (Barye) erscheint in einigen Kontexten der Atmosphärenwissenschaft.
Aktuelle Verwendung
Messung der Oberflächenspannung
Das Dyne pro Zentimeter (dyn/cm) ist die häufigste Einheit zur Darstellung der Oberflächenspannung in der Chemie, Materialwissenschaft und Industrie. Wasser bei 20 °C hat eine Oberflächenspannung von etwa 72,8 dyn/cm. Ethanol hat etwa 22 dyn/cm. Quecksilber hat etwa 487 dyn/cm. Die SI-Äquivalenteinheit ist Millinewton pro Meter (mN/m), und die Umrechnung ist bequem einfach: 1 dyn/cm = 1 mN/m genau.
Viskosität
Die CGS-Einheit der dynamischen Viskosität, das Poise (P), ist definiert als 1 dyn·s/cm². Der Centipoise (cP) – ein Hundertstel eines Poise – ist die am häufigsten verwendete Viskositätseinheit in der Industrie. Wasser bei 20 °C hat eine Viskosität von etwa 1 cP. Das SI-Äquivalent, die Millipascal-Sekunde (mPa·s), hat denselben Zahlenwert: 1 cP = 1 mPa·s.
Astrophysik
Einige astrophysikalische Berechnungen verwenden weiterhin CGS-Einheiten, einschließlich des Dynes. Strahlungsdruck, magnetischer Druck und gravitative Spannungen in stellarer Materie können in Dynes pro Quadrat-Zentimeter ausgedrückt werden. Während neuere Veröffentlichungen zunehmend SI verwenden, bleibt das Erbe des CGS in der Astrophysik bestehen.
Polymer- und Kolloidwissenschaft
Die Polymerwissenschaft und Kolloidchemie verwenden häufig dyn/cm zur Messung der Grenzflächenspannung. Die kritische Oberflächenspannung für Polymeroberflächen – ein Schlüsselparameter in der Haftung und Beschichtungstechnologie – wird traditionell in dyn/cm angegeben.
Everyday Use
Eine extrem kleine Kraft
Das Dyne ist viel zu klein für die Messung alltäglicher Kräfte. Wenn Sie diesen Text vor Ihr Gesicht halten, wiegt eine einzelne Wimper etwa 0,5–1 Dyne (5–10 Mikronewton). Eine Mücke, die auf Ihrem Arm landet, übt etwa 2–5 Dynes aus. Ein Sandkorn wiegt etwa 25–50 Dynes. Diese Beispiele veranschaulichen, warum das Dyne nie eine praktische alltägliche Anwendung gefunden hat.
Oberflächenspannung im Alltag
Obwohl die meisten Menschen das Dyne nicht direkt verwenden, bestimmt die in dyn/cm gemessene Oberflächenspannung viele alltägliche Phänomene. Die Tatsache, dass Wasser eine Oberflächenspannung von etwa 73 dyn/cm hat (viel höher als die meisten Flüssigkeiten), ist der Grund, warum Wasser Tropfen bildet, warum kleine Insekten auf Wasser laufen können und warum ein leicht überfülltes Glas Wasser über den Rand hält.
Seife und Reinigungsmittel wirken, indem sie die Oberflächenspannung von Wasser von etwa 73 dyn/cm auf etwa 25–30 dyn/cm reduzieren, wodurch Wasser Oberflächen besser benetzen und in Gewebe eindringen kann. Dies ist eine direkte Anwendung der Wissenschaft, die in Dynes pro Zentimeter gemessen wird.
Drucken und Beschichtungen
Die Druck- und Beschichtungsindustrie verwendet die Oberflächenspannung (in dyn/cm), um die ordnungsgemäße Haftung von Tinte sicherzustellen. Kunststofffolien müssen eine Oberflächenenergie von mindestens 38–42 dyn/cm haben, damit die Tinte richtig haftet. Corona-Behandlung oder Flammenbehandlung erhöhen die Oberflächenenergie, indem sie die Polymeroberfläche oxidieren. Die Qualitätskontrolle überprüft die Oberflächenenergie mit Dyne-Teststiften – Markern, die auf spezifische dyn/cm-Werte kalibriert sind.
In Science & Industry
Elektromagnetische Theorie (CGS)
In Gaussian CGS-Einheiten (einer Variante von CGS, die in der Elektromagnetik verwendet wird) erscheint das Dyne im Coulombschen Gesetz als: F = q₁q₂/r² (in Statcoulombs und Zentimetern, was die Kraft in Dynes ergibt). Diese Form ist einfacher als das SI-Äquivalent, das die Konstante 1/(4πε₀) erfordert. Viele theoretische Physik-Lehrbücher, insbesondere ältere, verwenden diese Formulierung.
Molekularbiologie
Kräfte auf molekularer Ebene liegen oft im Pikonewtonbereich (10⁻¹² N = 10⁻⁷ dyn). Während Pikonewtons in modernen biophysikalischen Veröffentlichungen weitgehend Dynes ersetzt haben, ist die Umrechnung unkompliziert. Die Kraft, um DNA zu entwirren, beträgt etwa 10–15 pN (10⁻⁶ dyn). Die Kraft, die von einem einzelnen Kinesin-Motorprotein erzeugt wird, das sich entlang eines Mikrotubulus bewegt, beträgt etwa 6 pN.
Strömungsmechanik
Das CGS-System bietet einen besonders praktischen Rahmen für die Strömungsmechanik in kleinen Maßstäben. Die Reynolds-Zahl – der entscheidende dimensionslose Parameter, der das Verhalten von Fluidströmungen bestimmt – nimmt in CGS einfache Formen an. Der viskose Widerstand auf kleine Partikel (Stokes' Gesetz) gibt die Kraft direkt in Dynes an, wenn CGS-Eingaben verwendet werden: F = 6πηrv, wobei η in Poise, r in Zentimetern und v in cm/s ist.
Oberflächenchemie
Messungen der Oberflächen- und Grenzflächenspannung sind zentral für die Oberflächenchemie. Die Wilhelmy-Plattenmethode, die Du Noüy-Ringmethode und die Pendeltropfenmethode liefern alle Ergebnisse in dyn/cm oder mN/m. Kontaktwinkelmessungen werden unter Verwendung von Youngs Gleichung interpretiert, wobei die Oberflächenenergien in dyn/cm (= erg/cm²) angegeben werden.
Interesting Facts
The dyne is so small that Earth's gravitational force on a single grain of rice is about 25,000 dynes (0.25 N). A dyne is roughly the weight of 1/1000 of a grain of rice.
Water's surface tension (about 73 dyn/cm at 20 °C) is unusually high because of hydrogen bonding between water molecules. Only mercury (about 487 dyn/cm) has a substantially higher surface tension among common liquids.
Dyne test pens, used in the printing industry, contain liquids calibrated to specific surface tensions (typically 30–56 dyn/cm). When drawn across a plastic surface, the ink either beads up (surface energy too low) or spreads evenly (surface energy adequate for printing).
The CGS system in which the dyne lives was partly developed by James Clerk Maxwell — the same physicist who unified electricity, magnetism, and optics. Maxwell preferred CGS because it simplified electromagnetic equations.
In Gaussian CGS units, the speed of light appears explicitly in electromagnetic equations, making the connection between electricity and magnetism more transparent than in SI. This pedagogical advantage kept CGS alive in physics education for decades after SI adoption.
The erg (the CGS energy unit) equals 1 dyne-centimeter, just as the joule equals 1 newton-meter. One erg = 10⁻⁷ joules — another illustration of the CGS system's small-scale orientation.