Hermann Ludwig von Helmholtz


Hermann Ludwig von Helmholtz
Hermann von Helmholtz (Porträt von Ludwig Knaus, 1881)

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (* 31. August 1821 in Potsdam; † 8. September 1894 in Charlottenburg) war ein deutscher Physiologe und Physiker. Als Universalgelehrter war er einer der vielseitigsten Naturwissenschaftler seiner Zeit und wurde auch Reichskanzler der Physik genannt. Seit 1995 ist die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, ein Verbund großer außeruniversitärer Forschungszentren, nach Hermann von Helmholtz benannt.

Inhaltsverzeichnis

Leben

Hermann von Helmholtz (Fotografie)
Helmholtz-Statue vor der Humboldt-Universität zu Berlin auf einem Sockel aus Marxgrüner Marmor

Hermann von Helmholtz war der Sohn von August Ferdinand Julius Helmholtz und Caroline Penne (1797–1854). Er besuchte das GymnasiumGroße Stadtschule“, an dem sein Vater als Direktor tätig war. Anschließend studierte er Medizin am Medicinisch-chirurgischen Friedrich-Wilhelm-Institut in Berlin. Da das Studium an diesem Institut die Verpflichtung zu einem anschließenden achtjährigen Militärdienst einschloss, diente Helmholtz ab 1843 als Militärarzt in Potsdam. 1848 wurde er auf Empfehlung Alexander von Humboldts vorzeitig aus dem Militärdienst entlassen und unterrichtete zunächst Anatomie an der Berliner Kunstakademie. 1849 erhielt er einen Ruf als Professor der Physiologie und Pathologie nach Königsberg. 1855 übernahm er den Lehrstuhl für Anatomie und Physiologie in Bonn, 1858 den Lehrstuhl für Physiologie in Heidelberg. 1870 wurde Helmholtz zum Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften ernannt.

1871 ging er als Professor für Physik an die Universität Berlin. 1888 wurde Helmholtz der erste Präsident der neu gegründeten Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg. Zu Beginn seiner wissenschaftlichen Arbeit gelangte Helmholtz durch Untersuchungen über Gärung, Fäulnis und die Wärmeproduktion der Lebewesen (die er hauptsächlich auf Muskelarbeit zurückführte) zur Formulierung des Gesetzes von der Erhaltung der Energie. In seinem Buch Über die Erhaltung der Kraft (1847) formulierte er den Energieerhaltungssatz detaillierter als Julius Robert von Mayer es 1842 getan hatte, und trug so wesentlich zur Anerkennung dieses zunächst sehr umstrittenen Prinzips bei. Durch Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf Lebewesen widersprach Helmholtz den Vitalisten, die eine Vitalkraft als Grundkraft des Lebens annahmen. Später präzisierte Helmholtz den Energiesatz für chemische Vorgänge und führte 1881 den Begriff der freien Energie zur Unterscheidung von innerer Energie ein.

Bereits 1842 wies Helmholtz den Ursprung der Nervenfasern aus Ganglienzellen nach. 1852 gelang ihm die Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Nervenerregungen. Anknüpfend an diese physiologischen Forschungen beschäftigte er sich mit der Physiologie des Hörens und Sehens. Er entwickelte eine mathematische Theorie zur Erklärung der Klangfarbe durch Obertöne, die Resonanztheorie des Hörens und darauf basierend Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik (1863). Helmholtz verhalf der von Thomas Young aufgestellten Dreifarbentheorie des Sehens zum Durchbruch, erfand 1850 das Ophthalmoskop (Augenspiegel) zur Untersuchung des Augenhintergrundes, 1851 das Ophthalmometer zur Bestimmung der Krümmungsradien der Augenhornhaut sowie 1857 das Telestereoskop.

Mit der Aufstellung der Wirbelsätze[1] (1858 und 1868) über das Verhalten und die Bewegung von Wirbeln in reibungsfreien Flüssigkeiten lieferte Helmholtz wichtige Grundlagen der Hydrodynamik. In Untersuchungen zur Elektrodynamik suchte Helmholtz einen Kompromiss zwischen den Theorien von Franz Ernst Neumann und James Clerk Maxwell. Mathematisch ausgearbeitete Untersuchungen über Naturphänomene wie Wirbelstürme, Gewitter oder Gletscher machten Helmholtz zum Begründer der wissenschaftlichen Meteorologie.

In erkenntnistheoretischen Diskussionen setzte sich Helmholtz mit Problemen des Zählens und Messens sowie der Allgemeingültigkeit des Prinzips der kleinsten Wirkung auseinander. Auf der Grundlage seiner optischen und akustischen Untersuchungen modifizierte er den klassischen Wahrnehmungsbegriff, lehnte im Gegensatz zu Kant die Existenz fester Anschauungsformen ab, und hielt es daher für möglich, nichteuklidische Geometrien anschaulich zu machen.

Im letzten Band seines 1856–67 erschienenen Werks Handbuch der Physiologischen Optik stellte er dar, welche Rolle der unbewusste Schluss für die Wahrnehmung spielt.

Aus zwei Ehen (26. August 1849 Olga von Velten (1827–1859) und 16. Mai 1861 Anna von Mohl (1834–1899)) gingen fünf Kinder (drei Söhne und zwei Töchter) hervor. Ein Sohn aus erster Ehe war der Eisenbahnkonstrukteur Richard von Helmholtz (1852–1934).

Helmholtz wurde im Jahre 1883 geadelt.

Helmholtz-Spule

Hauptartikel: Helmholtz-Spule

Helmholtz-Spulenpaar

Die Helmholtz-Spule ist eine häufig verwendete, einfache Geometrie zur Erzeugung eines allseitig zugänglichen nahezu homogenen Magnetfeldes. Die Anordnung besteht aus zwei sich koaxial im Abstand gleich dem ihres Radius gegenüberstehenden Spulen mit gleicher Windungszahl.

Wenn die Einzelspulen gleichsinnig stromdurchflossen werden, erhält man einen großen Bereich mit konstanter Feldstärke. Werden die Spulen gegensinnig durchflossen, erhält man im Inneren einen konstanten Feldgradienten.

Helmholtz-Resonator

Hauptartikel: Helmholtz-Resonator

Ein zur Klanganalyse verwendeter akustischer Resonator (schwingungsfähiges System, das bei Anregung mit der Eigenfrequenz zu schwingen beginnt) besteht aus einer luftgefüllten Hohlkugel mit Öffnung. Der Helmholtz-Resonator wird heute vielseitig angewendet, z. B. bei der Resonanzaufladung in Porsche-Motoren zur Leistungssteigerung und Verbrauchsreduzierung.

Helmholtz-Differentialgleichung

Hauptartikel: Helmholtz-Differentialgleichung

Als Helmholtz-Gleichung wird die allgemeine partielle Differentialgleichung

\Delta \varphi + k^2 \varphi = 0

bezeichnet. Δ ist dabei der Laplace-Operator.

In der Elektrodynamik ergibt sich die Helmholtz Gleichung aus der Wellengleichung für das Vektorpotential bei Annahme harmonischer Zeitabhängigkeit:

\triangle \mathbf{A} +  \omega^2 \mu \epsilon \cdot \mathbf{A}= \triangle \mathbf{A} +  \frac {\omega^2}{c^2} \cdot \mathbf{A}= 0

Überlagerungsprinzip nach Helmholtz

Sind in einem Netzwerk nur lineare Widerstände und unabhängige Quellen (Stromquellen und/ oder Spannungsquellen) vorhanden, so gilt folgende Beziehung:

"Die Wirkung (Strom oder Spannung) an einer beliebigen Stelle des Netzwerkes, die von allen Quellen hervorgerufen wird, ist gleich der Summe der Wirkungen jeder einzelnen Quelle, wenn zugleich die restlichen Quellen durch ihre idealen Innenwiderstände ersetzt werden." Ideale Spannungsquellen sind daher kurzzuschließen, ideale Stromquellen sind durch einen Leerlauf zu ersetzen."

Das Überlagerungsprinzip nach Helmholtz gilt nur für Ströme und Spannungen, nicht für Leistungen!

Siehe auch

Werke

  • Vom mechanistischen Weltbild zur Selbstorganisation des Lebens: Helmholtz' und Boltzmanns Forschungsprogramme und ihre Bedeutung für Physik, Chemie, Biologie und Philosophie / Theodor Leiber. - Freiburg (Breisgau) [etc.]: Alber, cop. 2000. (Alber-Reihe Thesen ; Band 6) ISBN 3-495-47979-1 Pp.
  • Ueber die Wechselwirkung der Naturkräfte und die darauf bezüglichen neuesten Ermittelungen der Physik: ein populär-wissenschaftlicher Vortrag, gehalten am 7. Februar 1854, Gräfe & Unzer, Königsberg 1854 (bei der HU Berlin: [1])
  • Über die akademische Freiheit der deutschen Universitäten – Rede beim Antritt des Rectorats an der Friedrich-Wilhelms-Universität zu Berlin am 15. October 1877 gehalten, August Hirschwald, Berlin 1878 (bei der HU Berlin: [2])
  • Schriften zur Erkenntnistheorie, kommentiert von Moritz Schlick und Paul Hertz, hrsg. von Ecke Bonk, Wien; New York: Springer 1998, ISBN 3-211-82770-6
  • Über die Erhaltung der Kraft (1847) / Über Wirbelbewegungen (1858), hrsg. von A. Wangerin, 2. Aufl., Reprint der Ausg. Leipzig, Engelmann, Thun; Deutsch, Frankfurt am Main 1996, ISBN 3-8171-3001-5
  • Zur Geschichte des Princips der kleinsten Action, Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin 14, 1887 (bei der HU Berlin: [3])
  • Abhandlungen zur Philosophie und Geometrie, Hrsg. u. eingel. von Sabine S. Gehlhaar, Cuxhaven : Junghans 1987, ISBN 3-926848-00-6
  • Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik, Vieweg, Braunschweig 1863, Nachdruck: Minerva-Verlag, Frankfurt/Main 1981, ISBN 3-8102-0715-2
  • Beschreibung eines Augenspiegels zur Untersuchung der Netzhaut im lebenden Auge, Unveränd. Nachdr. d. Ausg. Leipzig, J. A. Barth, 1910, Leipzig 1968
  • Physiological optics (Vol. 3) (J. P. C. Southall, Trans.) Rochester, N Y: Optical Society of America, 1925/1909
  • Das Denken in der Naturwissenschaft, Unveränd. reprograf. Nachdr. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1968
  • Die Tatsachen in der Wahrnehmung / Zählen und Messen erkenntnistheoretisch betrachtet, Unveränd. fotomechan. Nachdr. Wissenschaftl. Buchgesellschaft, Darmstadt 1959

Literatur

  • David Cahan (Ed.): Hermann von Helmholtz and the Foundations of Nineteenth-Century Science. Univ. California, Berkeley 1994, ISBN 978-0520083349.
  • Wolfgang Eckart and Christoph Gradmann: Hermann Helmholtz und die Wissenschaft im 19. Jahrhundert, in: Spektrum der Wissenschaft (December 1994), p. 100 ff.
  • Leo Koenigsberger: Hermann von Helmholtz. 3 Vols. Georg Olms, Braunschweig 1902, ISBN 3487119021, 9783487119021.
  • Lorenz Krüger (Ed.): Universalgenie Helmholtz. Rückblick nach 100 Jahren. Akademie-Verlag, Berlin 1994, ISBN 978-3050026671.
  • Helmut Rechenberg: Hermann von Helmholtz. Bilder seines Lebens und Wirkens. Wiley, Weinheim 1994, ISBN 978-3527292769.
  • Matthias Rieger: Helmholtz Musicus. Die Objektivierung der Musik im 19. Jahrhundert durch Helmholtz’ Lehre von den Tonempfindungen, WBG, Darmstadt, 2006, ISBN 3534192001 abstract
  • Gregor Schiemann: Wahrheitsgewißheitsverlust. Hermann von Helmholtz’ Mechanismus im Anbruch der Moderne. Eine Studie zum Übergang von klassischer zu moderner Naturphilosophie. Wiss. Buchges., Darmstadt 1997, ISBN 978-3534132652 (Engl.: Hermann von Helmholtz's Mechanism: The Loss of Certainty. A Study on the Transition from Classical to Modern Philosophy of Nature. Dordrecht : Springer 2009).
  • Emil Warburg, et al.: Helmholtz als Physiker, Physiologe und Philosoph.Müllersche Hofbuchhandlung, Karlsruhe 1922.

Einzelnachweise

  1. Über Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welche den Wirbelbewegungen entsprechen,, Celles J 55, 25 (1858) zitiert und bearbeitet in Mechanik der deformierbaren Medien / von Arnold Sommerfeld ; bearb. u. erg. von Erwin Fues ... [et al.]. – Nachdr. d. 6. Aufl. – Thun : Harri Deutsch, 1992. (Vorlesungen über theoretische Physik ; Band 2, Ed. 6) ISBN 3-87144-375-1

Weblinks



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