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In diesem Blog stelle ich ausgewählte Themen der Physik vor, hinterfrage die gängigen Antworten und formuliere eine Erklärung aus Sicht der Systemphysik. Ihre Meinung dazu können Sie in Form eines Kommentars abgeben. Ich freue mich auf eine rege Beteiligung.

Wärme

Der Begriff Wärme entstammt der Alltagssprache. Sätze wie «ist das heute eine Wärme!», «der Kranke braucht viel Wärme» oder «bei dieser Wärme verdirbt das Essen schnell» beschreiben den Wärmegrad, also die Temperatur eines ausgewählten Systems. Wird Wärme übertragen oder gespeichert, meint man eine unsichtbare Menge, welche die Temperatur bewirkt. Wärme kann aber auch durch mechanische Reibung, in einem Feuer oder einem elektrischen Widerstand erzeugt werden. Dieser Mengenbegriff umschreibt am ehesten die physikalische Grösse Entropie und nicht etwa die Energie, welche unter keinen Umständen erzeugt werden kann. Mitte des neunzehnten Jahrhunderts ist mit der Entdeckung des ersten Hauptsatzes, der die Äquivalenz von Wärme und Arbeit beschreibt, die Wärme als thermische ausgetauschte Energie definiert worden. Diese damals naheliegende Festlegung hat leider zu vielen Fehlinterpretationen geführt. Wer von Wärmeinhalt spricht, verwechselt die Wärme mit der inneren Energie, und wer behauptet, dass Wärme die kinetische Energie der Atome und Moleküle beschreibt, liegt sogar doppelt falsch. Ersten bezieht sich der Begriff kinetische Energie auf das einzelne bewegte Teilchen und zweitens ist die Summe über die kinetischen Energien aller Teilchen Teil der inneren Energie des ruhenden Gases. Die ziemlich problematische Gleichsetzung des umgangssprachlichen Wortes Wärme mit der thermisch ausgetauschten Energie ist kaum mehr rückgängig zu machen. Stattdessen sollten und müssen wir im Unterricht die fundamentalen Zusammenhänge der Thermodynamik in Worten, Bildern und schlussendlich mit Formeln so erklären, dass alle Auszubildenden diese gründlich verstehen und korrekt anwenden können.

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Wechselwirkungsprinzip

Auf den ersten Blick sieht die Erklärung des Wechselwirkungsprinzips in Abbildung 1 und 2 recht gut aus. Wer den Text liest, erkennt aber schnell, dass dort etwas ganz anderes beschrieben wird.  Die Gegenkraft soll ihre Wirkung erst mit der Verformung voll entfalten können! Diese Argumentation erklärt den Aufbau einer Zwangskraft und hat direkt nichts mit dem Wechselwirkungsprinzip zu tun. Abbildung 3 und 4 machen die Sache noch viel schlimmer. Sie suggerieren, dass sich die auf die beiden Massen nach unten einwirkenden Gravitationskräfte auf wundersame Weise in zwei horizontal wirkende Oberflächenkräfte verwandeln. 

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Grundgesetz der Mechanik

«Das Grundgesetz der Mechanik (auch 2. Newtonsches Gesetz oder dynamisches Grundgesetz) lautet: Kraft ist Masse mal Beschleunigung (F=m*a). Es besagt, dass die resultierende Kraft, die auf einen Körper wirkt, proportional zu dessen Beschleunigung und Masse ist. Die Kraft wirkt in dieselbe Richtung wie die Beschleunigung.» (Google-KI) Diese Trivialform der Impulsbilanz findet man oft als Vektorgleichung geschrieben in Wikipedia und leider auch in sehr vielen Lehrbüchern. Nur schon der Hinweis, dass mit Kraft die Resultierende, also die Vektorsumme aller auf den Körper einwirkenden Kräfte, gemeint ist, fehlt meistens. In den Übungen wird diese Formel meisten auf einen die schiefe Ebene hinunterrutschenden Klotz oder auf einen im Vakuum geworfenen Körper angewendet, obwohl Galileo Galilei beide Bewegungsvorgänge schon 1638, also vier Jahre vor Newtons Geburt, vollständig und korrekt beschrieben hat. Weil man im gymnasialen Unterricht und oft auch an Fachhochschulen Differentialgleichungen vermeiden will, stehen nur noch wenige weitere Beispiele wie das Abbremsen oder das idealisierte Anfahren eines Fahrzeugs zur Verfügung.

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Trägheit

Galileo Galilei war ein Meister der Abstraktion. Indem er die Reibung schrittweise verkleinerte und theoretisch ganz eliminierte, fand er das ideale Bewegungsverhalten. Umfangreiche Untersuchungen auf der schiefen Ebene zeigten, dass sich die pro Zeiteinheit zurückgelegten Strecken zueinander wie die ungeraden Zahlen verhielten. Mit einer erweiterten Anordnung fand er eine frühe Formulierung der Energieerhaltung im Gravitationsfeld: eine Kugel, die eine schiefe Ebene hinunter und dann auf einer zweiten wieder hinauf rollt, erreicht eine Höhe, die je nach vorhandener Reibung mehr oder weniger unterhalb des Startpunkts liegt. Auch hier führt der Grenzübergang zum Schluss, dass der reibungsfrei gleitende Körper exakt die Höhe der Ausgangsposition erreichen muss. Reicht die vorgegebene Rollbahn nie mehr bis zur Ausgangshöhe, rollt die ideale Kugel immer weiter, ohne je zum Stillstand zu kommen.

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Die drei Newtonschen Gesetze

"Die drei Newtonschen Gesetze sind absolut zentral für die klassische Mechanik – man kann ohne Übertreibung sagen, dass sie ihr Fundament bilden. Sie wurden von Isaac Newton im 17. Jahrhundert formuliert und ermöglichen es, die Bewegung von Körpern unter Kräften systematisch zu beschreiben." Was ChatGPT behauptet, steht wortreicher auch in Wikipedia und in vielen Lehrbüchern. Doch wie steht es mit dem Wahrheitsgehalt dieser Aussage?

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