Kräfte sind Wechselwirkungen

Tatsächlich ist es besser, das erste Newtonsche Gesetz etwas anders zu interpretieren oder zu formulieren:

Ein isoliertes Objekt, das nicht mit anderen Objekten wechselwirkt, hat eine konstante Geschwindigkeit. Diese Eigenschaften von Objekten nennt man die Trägheit.

 Warum ist das eine bessere Formulierung? Weil dadurch klar wird, dass die Geschwindigkeit eines Objekts eine Eigenschaft ist, die zu diesem Objekt gehört. Ändern kann sich die Geschwindigkeit nur durch Wechselwirkungen.

Und diese Wechselwirkungen heißen Kräfte. Eine Kraft ist eine Wechselwirkung zwischen zwei Objekten (wobei in der Physik eins der Objekte auch zum Beispiel ein elektrisches Feld oder etwas ähnlich Abstraktes sein darf). Wenn sich die Geschwindigkeit eines Objekts ändert, dann wissen wir, dass eine Kraft auf das Objekt gewirkt hat, und wir wissen auch, wie groß diese Kraft war. (Wenn es richtig sehe, wird dieses Konzept der Wechselwirkung im aktuellen Schulunterricht stark hervorgehoben. Man muss ja auch mal loben…)

Was man bei der Formulierung der Gesetze also dazusagen muss, ist, dass Kräfte Wechselwirkungen sind. Das steht nicht explizit da. (Obwohl es implizit im dritten Axiom enthalten ist, das sagt: Wenn Objekt A auf Objekt B eine Kraft ausübt, dann übt auch B auf A eine Kraft aus, die gleich groß ist, aber in die entgegengesetzte Richtung zeigt.)

Wenn man dieses Wissen dazunimmt, dann ergibt es durchaus Sinn, die beiden Gesetze zu trennen:

Newton 1: Ohne Wechselwirkungen bleibt die Geschwindigkeit konstant.

Newton 2: Mit Wechselwirkung gibt es eine Beschleunigung, und die Gleichung dafür ist Kraft gleich Masse mal Beschleunigung.

Newton 2 sagt uns dann noch, wie wir die Wechselwirkung (als Kraft) Quantifizieren können. Das ist in gewisser Weise analog zu den Überlegungen vom letzten Mal: Dort hatten wir gesehen, dass die “Größe” eines Objekts für dessen Masse relevant ist und dann haben wir diese Erkenntnis genommen, um “Größe” genauer zu fassen und zu sehen, dass es ums Volumen geht.

Hier ist es ähnlich: Dank Newton 1 wissen wir, dass Wechselwirkungen (Kräfte) einen Einfluss auf die Geschwindigkeit haben (weil die ohne Wechselwirkung konstant bleibt). Und dann nehmen wir das, um den Begriff “Kraft” schärfer zu fassen als Kraft ist Masse mal Beschleunigung.

Warum in dieser Form? Warum nicht einfach “Kraft gleich Beschleunigung”? Weil wir aus dem Alltag wissen, dass wir zum Beschleunigen einer großen Masse mehr tun müssen als zum Beschleunigen einer kleinen Masse, wir wissen also, dass die Masse eingehen muss- um etwas schweres zu beschleunigen, brauchen wir mehr Kraft. Insofern ist es zumindest plausibel, dass die Masse hier als Faktor eingeht.

Plausibel ist zwar ganz nett – aber nicht alles, was plausibel ist, ist auch richtig. Um zu sehen, ob Kraft  gleich Masse mal Beschleunigung ist, muss man Experimente machen. Man kann beispielsweise mit einer Feder oder einem Katapult oder etwas Ähnlichem unterschiedlich große Massen beschleunigen und messen wie groß die Beschleunigung ist. Bei einer großen Masse ist sie klein, bei einer kleinen Masse ist sie groß. Man kann auch eine andere Alltagserfahrung nehmen: Wir wissen, dass die Schwerkraft Massen anzieht und dass die Anziehungskraft auf eine doppelt so große Masse auch doppelt so groß ist. Und wir wissen – dank Galilei – dass alle Massen gleich schnell fallen. Wenn also die Masse verdoppelt wird, wird die Kraft verdoppelt. Wenn die Beschleunigung trotzdem gleich bleibt, dann muss die Kraft proportional zur Masse sein.

Anmerkung: Wir haben hier zwei unterschiedliche Begriffe von “Masse” – einmal über die Schwerkraft und einmal über den Faktor im Newtonschen Gesetz. Dass diese beiden zwingend gleich sein müssen (dass also die Schwerkraft proportional zum Faktor im 2. Newtonschen Gesetz  ist), war lange Zeit eine unerklärliche Tatsache. Erst Einstein hat erklärt, warum das so sein muss – aber das ist eine ganz andere Geschichte, die ich ein andermal erzählt habe. (Achtung, der Link geht in eine längere Artikelserie, wenn ihr den Text wirklich nachvollziehen wollt, müsst ihr vermutlich am Anfang anfangen.)

Feynman hat in seinen Lectures das Ganze sehr schön knapp auf den Punkt gebracht:

these laws say pay attention to the forces. If an object is accelerating, some agency is at work; find it.

[Frei übersetzt: Diese Gesetze sagen: Achte auf die Kräfte. Wenn ein Objekt beschleunigt, steckt irgendetwas dahinter; finde heraus, was.]

Kraft und Impuls

Eigentlich geht es in diesem Artikel (oder dieser Artikelserie, wozu sich “Die Gleichungen der Physik” anscheinend unvermeidlich entwickelt) ja um Gleichungen. In Gleichungen formuliert lautet das zweite Newton-Gesetz

Kraft = Masse mal Beschleunigung

oder in Formelzeichen (wo man Mal-Zeichen ja meist weglässt)

F = m a

Eigentlich muss man berücksichtigen, dass die Kraft und die Beschleunigung eine Richtung haben (wer mathematisch vornehm sein will, sagt dazu “Vektoren”) – man kann dann kleine Pfeile über die Symbole F und a malen oder sie etwas fett drucken:

F = m (keine Sorge, zur Interpretation kommen wir gleich)

Es gibt eine eng verwandte Größe in der Mechanik, den Impuls, abgekürzt mit dem Buchstaben p (oder p, wenn ihr deutlich machen wollt, dass der Impuls ne Richtung hat.) Die Definitionsgleichung für den Impuls sieht sehr ähnlich aus zu der der Kraft

p = m v

Sieht doch wirklich fast identisch aus – eine Größe ist gleich Masse eines Objekts mal Geschwindigkeit (beim Impuls) bzw. Beschleunigung (bei der Kraft) des Objekts.

Die Interpretation der Gleichungen ist aber ganz unterschiedlich – und das liegt genau am ersten Newtonschen Gesetz. Weil ein Objekt, das von außen ungestört ist, seine Geschwindigkeit beibehält, ist es sinnvoll, die Geschwindigkeit als eine Eigenschaft anzusehen, die dem Objekt zugeordnet ist. Die Masse eines Objekts ändert sich normalerweise auch nicht beim Bewegen (Raketen, die Treibstoff ausstoßen, sind eine Ausnahme). Also ist auch der Impuls eines Objekts eine Eigenschaft des Objekts – er kann sich ändern, aber nur, wenn etwas passiert, nicht einfach so. (Dass man in der Physik oft lieber dem Impuls als die Geschwindigkeit anguckt, hat etwas mit der Impulserhaltung zu tun, die habe ich z.B. hier erklärt.) Die Gleichung p = m ist also eine Gleichung, die eine Größe festlegt, die sich auf ein Objekt bezieht, und zwar über zwei andere Größen, die sich ebenfalls auf dieses Objekt beziehen. Es ist eine echte Definitionsgleichung – der Impuls eines Objekts ist immer m v, und letztlich ist es nur eine Vereinfachung der Schreibweise, weil in vielen Gleichungen eben das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit auftaucht. (Jedenfalls ist das so, solange wir in der reinen Mechanik bleiben. Nimmt man elektromagnetische Felder hinzu, dann stellt man fest, dass die auch einen Impuls haben, obwohl es sich ja nicht um materielle Objekte handelt.)

Bei der Kraft ist das ganz anders: Die Gleichung F = m a ist keine Gleichung, die sich nur auf ein Objekt bezieht – sie sagt etwas über die Beschleunigung unseres Objekts, aber für eine Beschleunigung braucht man eben immer eine Wechselwirkung mit etwas anderem. Diese Gleichung beschreibt also die Wechselwirkung, nicht das Objekt, dessen Masse und Beschleunigung wir betrachten. Wenn ihr sie als Definition der Kraft betrachten wollt, dann ist es eine Definition, die eine Wechselwirkung quantitativ beschreibt.

Mehrere Kräfte

Aber auch da ist Vorsicht geboten. Was ist denn zum Beispiel mit dem Fahren auf dem Fahrrad, über das wir oben schon gerätselt haben? Ich fahre mit konstanter Geschwindigkeit, also werde ich nicht beschleunigt, also wirkt keine Kraft?

Doch – es wirken sogar mehrere Kräfte. Auf der einen Seite ist die Reibungskraft, die mich abbremsen würde, auf der anderen Seite die Kraft, die ich auf die Pedale ausübe und die dann auf die Straße übertragen wird, die mich beschleunigen würde. Wenn ich bei konstanter Geschwindigkeit fahre, heben sich diese beiden Kräfte auf.

Das F in der Gleichung F = m a ist also die Gesamtkraft, die auf ein Objekt wirkt. Wenn die Beschleunigung Null ist, heißt das eben nicht zwingend, dass es keine Kräfte gibt, sondern nur, dass sich alle Kräfte aufheben.

Stellt euch als Analogie euer Geld vor. (Das Geld ist hier genau analog zur Geschwindigkeit.) Das erste Newtonsche Gesetz, übertragen aufs Geld, sagt euch: Wenn ihr kein Geld ausgebt oder bekommt (das nennen wir Geldtransfer), ändert sich euer Geldbesitz nicht. Und das zweite Gesetz sagt: Ein Geldtransfer ist definiert als die Änderung eures Geldbesitzes. Wenn ihr 100 Euro ausgebt, hat sich euer Geldbesitz geändert, also gab es einen Geldtransfer. Wenn ihr aber 100 Euro ausgebt, euch gleichzeitig aber jemand 100 Euro Schulden zurückzahlt, hat sich euer Geldbesitz zwar nicht geändert – es gab aber trotzdem zwei Geldtransfers.

Genauso ist es auch bei der Kraft – wenn sich die Beschleunigung nicht ändert, dann heißt das nicht, das überhaupt keine Kräfte wirken (den Fall behandelt das erste Gesetz), sondern nur, dass die Summe aller wirkenden Kräfte Null war. Und genau das ist der Grund, warum meiner Ansicht nach die Formulierung “Das zweite Newtonsche Gesetz ist die Definition der Kraft” ein bisschen irreführend ist.

Und damit klärt sich auch, was mit unserer Nuss vom Anfang passiert ist. Auf die Nuss wirken mehrere Kräfte – einmal die Kraft, mit der wir draufdrücken, dann die Kraft, mit der die Tischplatte die Nuss daran hindert, zu beschleunigen. (Hinzu kommt noch die Schwerkraft, aber die spielt im Moment keine Rolle.) Die Nuss als Ganzes ist damit im Kräftegleichgewicht und bewegt sich nicht. Aber zwischen den beiden Kräften werden die beiden Seiten der Nuss zusammengedrückt, bis die Nuss zerspringt. (Um das ganz genau physikalisch zu beschreiben, müssten wir den Begriff der “Spannung” einführen, aber das mache ich vielleicht ein andermal. Nachtrag: Hat etwas gedauert, aber ich hab’s getan.) Die Nuss war also wirklich nicht kräftefrei, auch wenn die Summe aller Kräfte auf die Nuss gleich Null war.

Tja, wie ihr seht, ist selbst so eine simple Gleichung wie “Kraft ist Masse mal Beschleunigung” durchaus trickreich – und hier steckt ein guter Teil der Schwierigkeit in dem scheinbar harmlosen Wort “ist”. (Dazu habe ich mir früher schon mal Gedanken gemacht – der Text dort ist aber etwas mathematischer als dieser hier und hantiert deutlich mehr mit Formeln..) Wieder einmal zeigt sich, dass die Physik oft kniffliger ist als man denkt.

 

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Kommentare (56)

  1. #1 Fabian
    7. Februar 2016

    “Irgendwas haben wir hier noch nicht so ganz richtig zusammengebracht.”

    Wir? Sitzen Sie mir Ihrer Oma vor dem PC?

  2. #2 Ulfi
    7. Februar 2016

    “Auf der Erde ist es in Wahrheit die Reibungskraft[…]”

    Ich finde es komisch, Reibung als Kraft anzusehen. Wenn Reibung eine Kraft wäre: was ist denn dann die Gegenkraft die mich still hält, wenn ich still stehe?

  3. #3 MartinB
    7. Februar 2016

    @Fabian
    Kannst du bitte woanders trollen? Wenn dir mein Schreibstil nicht passt, brauchst du hier nicht zu lesen.

    @Ulfi
    Wenn du still stehst, gibt es die Haftreibung (sonst würdest du beim Stehen schwierigkeiten haben wie auf sehr glattem Eis…)
    Wen du dich bewegst, gibt es die Gleitreibung.
    Kurz erklärt z.B. hier:
    https://elearning.physik.uni-frankfurt.de/data/FB13-PhysikOnline/lm_data/lm_282/auto/kap04/cd094.htm

  4. #4 MisterX
    7. Februar 2016

    Die Gleichung sieht eigentlich so aus:

    https://s0.wp.com/latex.php?latex={d\over%20dt}%20p^i%20%3D\%20%20-\partial_i%20\phi%20&bg=ffffff&fg=000&s=0

    ${d\over dt} p^i = – \partial_i \phi$

  5. #5 MisterX
    7. Februar 2016

    Wie kann man denn hier Formeln posten so wie das Thilo vom mathe Blog immer macht?

  6. #6 MartinB
    7. Februar 2016

    @MisterX
    Wie das in Kommentaren geht, weiß ich nicht. Im text geht’Äs über nen WordPress-Plugin.

    Aber was du mir mit
    dp_i/d t = – d_i phi
    sagen willst, weiß ich nicht. Welche Formel soll das sein? Soll rechts phi ne Energie sein? Dann gilt das aber nur für konservative Kräfte, oder nicht? Und dann ist es nicht die Definition der Kraft, wenn die Kraft gar nicht auftaucht?
    Verwirrt-sei…

  7. #7 Bjoern
    7. Februar 2016

    Damit man das 2. Newtonsche Gesetz als Definition der Kraft benutzen könnte, müsste vorher ja erst mal Masse und Beschleunigung definiert sein. Zweiteres ist natürlich einfach, ersteres ist aber alles andere als trivial – und ich kenne auch kein Schulbuch, in dem das wirklich sauber gemacht wird.

    Ich habe mal kurz bei leifi-Physik reingeschaut: Die definieren Masse im Wesentlichen über Kraft und Beschleunigung… und Kraft dann mit Masse und Beschleunigung. Klassischer Zirkelschluss…

  8. #8 MartinB
    7. Februar 2016

    @Bjoern
    Aber solche “Zirkelschlüsse” sind doch in der Physik normal – letztlich ist die Definition der Kraft auch irgendwie ein Zirkelschluss.
    Wie würdest du denn Masse definieren?

  9. #9 ich
    Ö
    7. Februar 2016

    Diese Art der Darstellung gefällt mir sehr gut, denn sie zeigt den Unterschied zwischen einer (einfachen) Mathematischen Formel und der Bedeutung die dahintersteckt.

    Ich sehe das Analog zur Syntax eines Ausdrucks in einer Programmiersprache und der semantischen Bedeutung desselben Ausdrucks.

    Nur die Syntax zu kennen ohne die Semantik zu verstehen, ist einfach zu wenig.

  10. #10 Krypto
    7. Februar 2016

    @MisterX:
    Ohne den Linke wäre es gegangen

  11. #11 PDP10
    7. Februar 2016

    @MisterX, Martin:

    Wie das in Kommentaren geht, weiß ich nicht. Im text geht’s über nen WordPress-Plugin.

    In Kommentaren auch. Siehe:

    https://wordpress.org/plugins/wp-latex/faq/

    Die zweite Art mit den Dollar-Zeichen funktioniert in Kommentaren auf jeden Fall:

    e^{\i \pi} + 1 = 0

  12. #12 F.Jeschke
    8. Februar 2016

    Aber Newton hatte ja seine Gesetze..ich muß schon feministisch bitten : “IHRE” Gesetze

  13. #13 MartinB
    8. Februar 2016

    @F.Jeschke
    Ja, passiert manchmal…

  14. #14 Aveneer
    8. Februar 2016

    Die Aussage, dass die Geschwindigkeit eines Objekts aufgrund der Trägheit konstant bleibt findet man selten. Trägheit tritt ja messbar nur bei einer Zustandsänderung (Wechselwirkung) auf.
    (Auch wenn ich dir gerne zustimme). Das bedeutet ja, dass man ohne Trägheit annehmen müsste, dass Objekte auch ohne Wechselwirkung ihre Geschwindigkeit ändern könnten.

  15. #15 MartinB
    8. Februar 2016

    @Aveneer
    So steht es zumindest mehr oder weniger bei Leifi-Physik.
    Und Objekte ohne Trägheit gibt es ja auch nicht, insofern ist es müßig, drüber nachzudenken, wie die sich verhalten würden. Aber aus f=ma sieht man schon, dass ein Objekt ohne träge Masse mit beliebig kleiner Kraft unendlich beshcleunigt würde.

  16. #16 Ingo
    8. Februar 2016

    Die Formel F=m*a ist eigentlich relativ klar.

    Trotzdem die Frage: (ganz aehnlich zu der Frage von Aveneer)

    Warum ist die Massentraegheit so stark oder schwach wie sie ist? Ist die Traegheit ueberhaupt quantisiert?
    (In der Formel taucht ja bekanntlich nirgendwo eine “Massentraegheitskonstante” auf)

    Wie laesst sich ableiten, dass es keine magische Masse gibt welches beispielsweise nur die halbe Massentraegkeit aufweissen wuerde? Wo ich also nur die halbe Kraft brauchen wuerde um es zu beschleunigen.

    Reicht es zu sagen, dass die Masse alleine durch die Massentraegheit definiert ist? Das also ein Stueck mit halber Massentraegheit damit also automatisch auch nur die halbe Masse haette ?

  17. #17 MartinB
    8. Februar 2016

    @Ingo
    Ja, es gibt – laut Einstein – nur eine Masse, träge und schwere Masse sind dasselbe.

  18. #18 Niels
    8. Februar 2016

    @Aveneer

    Die Aussage, dass die Geschwindigkeit eines Objekts aufgrund der Trägheit konstant bleibt findet man selten.

    Tatsächlich? Das ist meiner Meinung nach die Definition der Trägheit.
    So findet man es auch in der Wikipedia:
    Trägheit, auch Beharrungsvermögen, ist das Bestreben von physikalischen Körpern, in ihrem Bewegungszustand zu verharren, solange keine äußeren Kräfte oder Drehmomente auf sie einwirken.

    Englisch:
    Inertia is the resistance of any physical object to any change in its state of motion (this includes changes to its speed, direction or state of rest). It is the tendency of objects to keep moving in a straight line at constant velocity.

    @Ingo
    Ist folgendes klar?
    Die träge Masse ist das Symbol m im Newtonschen Gesetz F = m*a.
    Die schwere Masse ist das Symbol m im newtonschen Gravitationsgesetz F = m*M*G/r^2.

    Die Äquivalenz von schwerer und träger Masse ist zum einen experimentell enorm genau bestätigt. Zum anderen ist das wie MartinB schon erwähnt hat die Grundidee, mit deren Hilfe Einstein die ART entwickelte.
    Die Äquivalenz ergibt sich dort als Folge der Diffeomorphismusinvarianz der ART, also vereinfacht daraus, dass man beliebige Koordinatensysteme verwenden kann. Aber das führt wahrscheinlich zu weit, sorry.

  19. #19 Ingo
    8. Februar 2016

    @Niels
    Ja – mir ist das klar – auch die Aequivalenz von Beschleunigung und Gravitation in der ART.

    Meine Frage war vielmehr ob es sich aus Newton alleine herleiten laesst.
    Die Antwort (“nein”) steht auch im Text:
    > “Dass diese beiden zwingend gleich sein müssen (dass also die
    > Schwerkraft proportional zum Faktor im 2. Newtonschen Gesetz ist),
    > war lange Zeit eine unerklärliche Tatsache. Erst Einstein hat erklärt,
    > warum das so sein muss”

    Anders formuliert lautet die Frage: “Warum gibt es bei “F=m*a” keine Massentraegheitskonstante, die die Massentraegheit in irgendeiner Weise quantisieren wuerde. (Das es sie nicht gibt weiss ich auch).

    Die Antwort habe ich mir eigentlich auch schon selber gegeben – ich wollte nur wissen ob meine eigene Antwort korrekt ist 🙂

    Eine Wundermaterie die eine geringere Traegheit aber das gleiche Gewicht aufweisen wuerde, muesste auf magische Weise zwischen
    a) Beschleunigung durch Gravitation und
    b) Beschleunigung durch sonstige Kraefte
    unterscheiden.
    Nach ART ist aber beides das gleiche, und deswegen kann die Wundermaterie nicht zwischen ihnen unterscheiden,- und deswegen gibt es die Wundermaterie nicht.

    Das es tatsaechlich auch in der Praxis bei den Mess-Einheiten ohne irgendwelche Konstanten auskommt liegt einfach am Einheitensystem.
    Die Einheit Newton ist definiert als
    1 Newton = 1 kg * meter / sekunde^2
    Da steckt also schon die Beschleunigung in m/s^2 drin – zusammen mit der Masse 1kg die beschleunigt wird.
    F=m*a steckt also gewissermassen schon in der Definition der Einheit Newton.

  20. #20 Bjoern
    8. Februar 2016

    @MartinB: “Wie würdest du denn Masse definieren?”

    Soweit ich mich erinnere (ist aber gut 10 Jahre her, dass ich das gelese habe), stand’s im Landau-Lifshitz ganz gut drin. Die haben aber dafür den Lagrange-Formalismus verwendet – nicht gerade gut geeignet, wenn man grundlegende einfache Gleichungen der Physik erklären will. 😉

  21. #21 Aveneer
    8. Februar 2016

    @Niels
    Hatte schon lange nicht mehr auf Wiki bezüglich Trägheit nachgeschaut
    @MartinB
    “dass ein Objekt ohne träge Masse mit beliebig kleiner Kraft unendlich beschleunigt würde.”
    Das ist richtig. Hier ist es auch eine Wechselwirkung. Du schreibst zwischen den Wechselwirkungen.
    Ich hatte aber Trägheit immer so verstanden, dass diese der Änderung/Beschleunigung entgegenwirkt. Also zwischen den Wechselwirkungen nur Ruhemasse.
    Wieso sollte ein Objekt ohne Wechselwirkung seine Geschwindigkeit ändern? Wozu Trägemasse in der Wechselwirkungs-freien Phase?
    Wollte es aber nun wieder nicht so kompliziert machen.

  22. #22 MartinB
    9. Februar 2016

    @Bjoern
    Keine Ahnung, was der LL da definiert, aber da Lagrange-Formalismus und die Newtonschen Gesetze äquivalent sind, sollte das, was man im einen Fall definiert, auch im anderen gehen.

    @Aveneer
    Sorry, ich hab deinen Kommentar nicht verstanden. Was einst du mit “zwischen den Wechselwirkungen nur Ruhemasse”?

  23. #23 Aveneer
    9. Februar 2016

    Zitat: Weil wir aus dem Alltag wissen, dass wir zum Beschleunigen einer großen Masse …
    Hier „stemmt“ sich die Masse gegen eine Änderung. Dafür benötigt man Kraft (Wechselwirkung). Träge Masse tritt (messbar) nur gleichzeitig mit Beschleunigung auf daher F=m(träge Masse) *a. Ohne Beschleunigung gilt…
    Zitat: Ein isoliertes Objekt, das nicht mit anderen Objekten wechselwirkt, hat eine konstante Geschwindigkeit.
    Dieser Zustand ist doch derjenige in dem man sich selbst als ruhend verstehen kann (RT)? Also konstante Geschwindigkeit = „Ruhe“ = Ruhemasse vs. Beschleunigung = Träge Masse. Grundsätzlich ist es im Sinne von E=mc^2 zwar egal, aber wenn ich den Begriff Ruhemasse überhaupt verwenden wollen würde, dann nur bei konstanter Geschwindigkeit (=zwischen den Wechselwirkungen), da man sich hier als ruhend verstehen kann.

  24. #24 MartinB
    9. Februar 2016

    @Aveneer
    Ich verstehe nich so ganz, worauf du hinaus willst. Um einen sinnvollen Massenbegriff (träge Masse) zu haben, ergibt es doch wenig Sinn, den Begriff über den Fall zu definieren, wo er genau nicht gemessen werden kann (kräftefreie Bewegung).

  25. #25 Aveneer
    9. Februar 2016

    Ich hätte mich doch häufiger bei Wiki kalibrieren müssen. Ich ging davon aus, dass Trägheit allgemein als „reactio“ auf „actio“ Beschleunigung verstanden wird. Ich von mir aus wäre daher gar nicht (mehr*) darauf gekommen einem Objekt, das sich in einem IS befindet eine Träge Masse zuzuordnen. Gerade weil man sie dort nicht messen kann. Ich besitze Träge Masse obwohl ich ruhe (im Sinne SRT) und wenn ich keine hätte würde was passieren? Entschuldige mich bringt das alles immer mehr durcheinander. Bevor … nehme ich mich raus und nehme deine Aussage an. Alles gut.

    *vielleicht weiß nicht wann ich da falsch abgebogen bin.

  26. #26 Uli Schoppe
    9. Februar 2016

    Schwere und träge Masse sind doch eigentlich nur Aspekte der Masse oder darf man das nicht so sehen?

  27. #27 MartinB
    9. Februar 2016

    @UliSchoppe
    Zunächst mal (bei Newton) gibt es keinen Grund, warum die beiden irgendetwas miteinander zu tun haben sollten. Schwere Masse ist quasi die Ladung der Gravitation, träge Masse hat was mit F=ma zu tun.
    Beim elektrischen feld sehen die Gleichungen (Coulomb-Gesetz) ja ganz ähnlich aus wie bei Newtons Gravitationsgesetz, da gibt es aber keine Beziehung zwischen Masse und Ladung.
    Newton konnte diese Beziehung nur feststellen, erklärt hat sie dann Einstein.

  28. #28 Bullet
    11. Februar 2016

    @Martin: ohne jetzt allzusehr darauf rumreiten zu wollen, aber wenn F. Jeschke in #12 schreibt:

    Aber Newton hatte ja seine Gesetze..ich muß schon feministisch bitten : “IHRE” Gesetze

    und du darauf auch noch antwortest

    @F.Jeschke
    Ja, passiert manchmal…

    dann versteh ich nichts mehr. I. Newton war doch männlich – also waren es seine Gesetze. Punkt. Man muß unberechtigte Kritik auch mal zurückweisen können.

  29. #29 MartinB
    11. Februar 2016

    @Bullet
    Aber ich schreibe ja im Moment eigentlich grudnsätzlich in femininen Formen, insofern hätte ich eigentlich durchaus “ihre” geschrieben.

  30. #30 Bullet
    11. Februar 2016

    Der Martin hat ihre Unterhose auf dem Kopf.

  31. #31 MartinB
    11. Februar 2016

    @Bullet
    Fängst du jetzt auch noch an? Schade.

  32. #32 MisterX
    11. Februar 2016

    Das mit dem dollar Zeichen geht halt nicht.
    $ latex {\frac{d}{dt} p^i = – \partial_i \phi $

    x^{2}

    $ e^{\i \pi} + 1 = 0$

  33. #33 MisterX
    11. Februar 2016

    e^{\i \pi} + 1 = 0

  34. #34 MisterX
    11. Februar 2016

    \frac{d}{dt} p^i = - \partial_i \phi

    So jetzt. Mein Punkt ist das man durch die Euler-Lagrange Gleichung auf die Newton Gleichung kommt, für klassische Systeme !

  35. #35 MartinB
    12. Februar 2016

    @MisterX
    Ja, aber wie schon gesagt, Newton und Lagrange sind Äquivalent, es ist reine Geschmackssache, ob du Newton aus Lagrange ableitest oder umgekehrt.
    Und wenn man über Kräfte redet, sollte man schon eine Gleichung nehmen, die Kräfte auch enthält.

    Und die Euler-Lagrange-Gleichung in der Form mit Potential gilt doch eigentlich nur für konservative Kräfte, oder nicht? (Ja, man kann ein Reibpotential definieren, wenn ich mich richtig erinnere, aber das ist ja eher künstlich.)

  36. #36 Stefan K
    25. Februar 2016

    Es wurde vermutlich schon oft gesagt, aber ich finde, man soll ein Lob trotzdem aussprechen, wenn es verdient ist. In diesem Sinne: Danke, danke, danke, für diesen (und die vielen weiteren) tollen Artikel, die mir jedesmal wieder diese unglaublich spannende Welt näherbringen. Auch wenn ich bei vielen der “schwierigeren” Themen oft aussteige, so sind es doch Artikel wie dieser, die mir immer wieder ein Licht aufgehen lassen bei Dingen, die man zwar aus der Schule immer wieder gehört hat, aber nie “wirklich” verstanden. Also bitte nicht von diversen Trollen etc entmutigen lassen sondern immer weitermachen, die Arbeit, die in solche Artikel fließt wird (und ich bin so frei das zu behaupten) von sehr vielen Leuten sehr geschätzt

  37. #37 MartinB
    25. Februar 2016

    @StefanK
    Danke, freut mich sehr.
    Und nein, ich lasse mir von irgendwelchen Trollen nicht den Spaß verbderben und greife im Zweifel zum Bannhammer.

  38. #38 Helmut wiedemann
    5. September 2016

    Die Kraft, oder besser gesagt der physikalische Kraftbegriff ist ein heimtückischer Begriff. Jeder glaubt ihn zu verstehen, weil wir ihn in der Umgangssprache verwenden. Was Kraft ist spüren wir, wenn wir in einem Porsche in den Sitz gedrückt werden, wenn der Porsche beschleunigt. Kraft und Beschleunigung sind also zusammengehörig. Und wenn wir uns noch auf eine Masse einigen,die hier beschleunigt wird, dann lässt sich aus der Beschleunigung die Kraft berechnen und umgekehrt aus der Kraft die Beschleunigung. Das sagt die Gleichung a = F/m aus. Und wenn wir die Masse zu einem kg annehmen, dann wird das Verhältnis noch klarer. Die Beträge sind dann auf beiden Seiten der Gleichung gleich.
    Das war eine kurze unvollständige Erklärung zu dem Verhältnis von Kraft und Beschleunigung.
    Warum das Ganze? Nun es geht dabei um die Erklärung zu Begriffen. Soll man sie kurz fassen und einprägsam, oder doch lieber ausführlich, vollständig und wissenschaftlich korrekt? Was ist hilfreicher? Eure/Ihre Meinung ist gefragt.

  39. #39 Janis Abraham
    Kellinghusen
    1. September 2017

    Lieber Martin,

    dein Beitrag ist wundervoll – sowohl inhaltlich, als auch redaktionell! Weiter so! 😉

    Wir sind auf dich gestoßen, weil wir gerne mehr über die physikalischen Aspekte zum Flugverhalten von Disc Golf Scheiben erfahren möchten. Vielleicht könntest du uns ja noch eine Frage beantworten:

    Disc Golf Scheiben brauchen vor allem zwei Dinge zum Fliegen – Speed und Spin. Ist es richtig, dass sich der Beschleunigungswert aus beiden Faktoren zusammensetzt? Also auch den Drehimpuls um die eigene Achse beinhaltet?

    Da wir praktisch keine Ahnung von Physik haben, würden wir uns freuen, wenn du deine Antwort möglichst einfach formulieren könntest. 😉

    Falls du gerne mehr über unseren Sport erfahren möchtest, laden wir dich gerne zu einem Besuch zu uns ein: http://www.hyzer.de/videos

    Liebe Grüße & vielen Dank!
    Janis

    PS: Am meisten beschäftigt uns zudem deine Aussage: “Und im All gibt es (nahezu) keine Reibung.” Vielleicht könntest du dazu ja auch noch ein oder zwei Worte sagen?

  40. #40 MartinB
    1. September 2017

    @Janis
    Da muss ich zurückfragen: Was meinst du mit “Beschleunigungswert”?
    Wenn man so eine Scheibe schleudert (ich hab nur einmal Disc golf gespielt, das war ne lustige Katastrophe), dann muss man natürlich sowohl Energie für die Vorwärtsbewegung als auch für die Drehung aufbringen. Soweit icvh das sehe, ergibt sich das aber durch den Wurf aus der Hand fast automatisch. Ich weiß aber nicht, was genau du eigentlich meinst.
    Dass es im All keine Reibung gibt, ist sehr simpel zu erklären: Reibung braucht immer etwas, woran ich reiben kann (beispeilsweise Luft, mit deren Molekülen ich zusammenstoßen kann). Im All ist aber nahezu nichts, deswegen gibt es da auch nahezu keine Reibung. Die Voyager-Sonden fliegen beispielsweise seit Jahrzehnten durchs All und müssen dazu nicht ständig Treibstoff verfeuern.

  41. #41 Janis Abraham
    Kellinghusen
    1. September 2017

    Hey Martin,

    danke für deine schnelle Antwort. Die Formel ist ja: Kraft = Masse x Beschleunigung. Uns geht es darum zu erfahren, ob mit “Beschleunigung” ausschließlich die “Vorwärtsbewegung” gemeint ist, oder ob der Begriff auch die “Drehbewegung” beinhaltet? Die Frage ist insofern für uns sehr bedeutend, da das Verhältnis zwischen Speed und Spin maßgeblich für die Weite eines Wurfes ist. Wir versuchen uns da langsam ranzutasten… 😉

    lg & Danke
    Janis

  42. #42 MartinB
    2. September 2017

    @Janis
    Ach so.
    Kraft=Masse mal Beschleunigung
    gilt in der Form erstmal für eine geradeausbewegung ohne Drehung.
    Also: Wenn du die Scheibe mit einer Geschwindigkeit von 10m/s fliegen lassen willst und sie 0,1kg wiegt, brauchst du eine Kraft von 1Newton.
    Zum Drehen der Scheibe brauchst du dann noch ein Drehmoment (je weiter außen du anfasst, desto stärker bringst du die Scheibe zum rotieren, auch bei gleicher Kraft). Formeln dafür gibt’s bei Wikipedia (oder im Link unten), die sind ein bisschen komplizierter.

    Einfacher wird die Betrachtung, wenn man auf die Energien guckt: Die Scheibe hat am Ende eine kinetische Energie durch die Vorwärtsbewegung und eine Rotationsenergie durch die Drehung, beide musst du durchs Werfen aufbringen.

    Ich vermute aber, dass es für eure Wurfscheiben darauf gar nicht ankommt. Da die Dinger ja relativ leicht sind, nehme ich eigentlich an, dass die Geschwindigkeit, mit der ich sie werfen kann, vor allem durch die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Arms bzw. der Hand bestimmt ist, denn so’n Arm ist ja viel schwerer als die Scheibe. Ich vermute (wie gesagt, ohne es zu wissen), dass der begrenzende Faktor eher die Beschleunigung von Arm und Hand ist.

    Ich habe gerade mal ganz kurz gegoogelt und was Lustiges gefunden: Sind zwar Wurfmesser, aber die Physik ist ähnlich:
    https://www.knifethrowing.info/physics_of_knife_throwing.html

    Für Frisbees habe ich das hier gefunden das ist schon recht mathematisch , beinhaltet aber auch den Auftrieb, der bei Wurfscheiben ja entscheidend ist:
    https://scripts.mit.edu/~womens-ult/frisbee_physics.pdf

  43. #43 Janis Abraham
    Kellinghusen
    2. September 2017

    Hey Martin,

    nochmals vielen Dank für deine ausführliche Hilfe.

    “…kinetische Energie durch die Vorwärtsbewegung und eine Rotationsenergie durch die Drehung…” – Perfekt, genau das wollten wir wissen! 😉 Hochinteressant wäre es natürlich auch auszurechnen, wie diese Energien konkret zusammenwirken. Zum Beispiel eine mit 50 km/h abgeworfene Scheibe mit 30 rpm fliegt 60 Meter und bei 50 rpm 90 Meter…

    Dann noch mal zum Scheibengewicht: Also, mit Gewichten bis 180 Gramm sind die Dinger doch schon sehr schwer. 😉

    Zur Beschleunigung: Korrekt, letztendlich entscheidet die Armgeschwindigkeit – der Arm soll wie eine Peitsche genutzt werden. Aber: Das schwierige an der Sache ist, dass der Arm in der eigentlichen Wurfbewegung kaum eine Rolle spielt, sondern die Kraft aus dem Boden über die Beine vor allem über Hüfte und Rücken generiert wird. Der Arm folgt dem Körper sozusagen – und genau das ist der schwierige Part…

    Dieser Bewegungsablauf ist äußerst kompliziert – besonders auch mit Anlauf. Ein kleiner Fehler innerhalb der Verkettung von Bewegungen reicht aus, und es ist vorbei mit dem Snap. Und dieser entscheidet maßgeblich über den Spin einer Scheibe.

    Dieses ständige Herumexperimentieren ist letztendlich auch das, was unseren Sport so aufregend und faszinierend macht. Ja und es sind ja nicht nur die Bewegungsabläufe, die ständig weiter optimiert werden müssen. Auch die unterschiedlichen Wurfarten, Abwurfwinkel und Flugbahnen sind eine Wissenschaft für sich. Und wenn dann noch Wind ins Spiel kommt – (alp)traumhaft! ;)))

    Für dich als Physiker müsste dich Sport doch alleine schon aus diesen Gründen faszinieren. Du wärst dann bestimmt der Spielertyp, der vor seinem Wurf auf dem Tee Pad schnell mal seinen Taschenrechner zückt… ;)))

    Martin – du hast uns sehr geholfen und wir hatten unseren Spaß mit dir. Nochmals vielen lieben Dank und alles Gute für dich!

    lg
    janis

  44. #44 MartinB
    2. September 2017

    @Janis
    “Zum Beispiel eine mit 50 km/h abgeworfene Scheibe mit 30 rpm fliegt 60 Meter und bei 50 rpm 90 Meter…”
    Wenn du annimmst, dass du immer dieselbe Energie zur Verfügung hast, lässt sich das mit den Gleichungen leicht ausrechnen.
    Aber was du zur Wirftechnik schreibst, lässt mich stark zweifeln, dass das so ist, weil die Rotation der Scheibe und der Wurf selbst ja gekoppelt sind.

    “Du wärst dann bestimmt der Spielertyp, der vor seinem Wurf auf dem Tee Pad schnell mal seinen Taschenrechner zückt”
    Glaub ich nicht. Ich spiele auch Snooker (was noch simplere Physik ist), und selbst da verlasse ich mich wesentlich mehr auf Erfahrung und Intuition als aufs Rechnen; nur wenn ich mal gar nicht weiter weiß, versuche ich physikalisch zu argumentieren, um ne Idee zu bekommen.

  45. #45 Alderamin
    4. September 2017

    @MartinB, Janis Abraham

    Interessante Frage; ich nehme an (und das scheint der Frisbee-Artikel nach kurzem Drüberschauen zu bestätigen), dass die Rotation die Achse der Scheibe stabilisiert, so dass diese möglichst horizontal bleibt. Je schneller sie sich zu Beginn dreht, desto stabiler bleibt die Achse. Die Form der Scheibe (an den Kanten abgerundet, unten glatt oder hohl, Tragflächenprofil) verursacht bei der Vorwärtsbewegung wiederum einen Auftrieb wie bei einer Tragfläche: der Luftweg ist obenrum länger als untenrum, die Luft muss oben schneller strömen, das verringert nach Herrn Bernoulli den Luftdruck an der Oberseite und die Scheibe wird angehoben. Natürlich nur, wenn die Scheibe waagerecht fliegt, sonst zieht es sie zur Seite und die Schwerkraft kann sie nach unten ziehen.

    Also: schnellere Drehung – Scheibe bleibt länger waagerecht – in der waagerechten Lage wirkt länger Auftrieb nach oben – Scheibe fliegt weiter.

    Kann man das so schlussfolgern?

  46. #46 MartinB
    4. September 2017

    @Alderamin
    Abgesehen von dem leidigen “Die Luft muss oben schneller strömen” denke ich schon – aber das mit Bernoulli ist immer ein bisschen schwierig: Warum muss denn die Luft oben schneller strömen (und warum können Flugzeuge auch über Kopf fliegen)?
    https://www.avweb.com/news/airman/183261-1.html

  47. #47 Alderamin
    4. September 2017

    @MartinB

    Warum muss denn die Luft oben schneller strömen (und warum können Flugzeuge auch über Kopf fliegen)?

    Klar kann man auch über den Anstellwinkel des Flügels Auftrieb erzeugen (und somit auf dem Kopf fliegen), auch ein Scheunentor kann fliegen, aber eine Tragfläche hat ja schon ein Profil, das auch in waagerechter Lage einen Auftrieb erzeugt (bei weniger Luftwiderstand, denke ich), und das habe ich in Physik I als durch Bernoulli motiviert erklärt bekommen. Der Weg obenrum ist eben durch die gekrümmte Oberseite länger, die Luft wird stärker verdrängt und fließt schneller, damit hinter der Tragfläche wieder ein ausgeglichener Druck eintreten kann (würde sie gleich schnell oder gar langsamer fließen, dann entstünde ja ein Defizit an Luft von der Oberseite am hinteren Ende der Tragfläche). Und vor der Landung fährt der Flieger Landeklappen und Vorflügelklappen aus, um den Wegunterschied noch länger zu machen, damit er im Langsamflug mehr Auftrieb erhält.

    Experiment dazu: ein Blatt Din-A-5 Papier an einer langen Seite links und rechts mit den Fingern festhalten, knapp unter den Mund halten und oben drüber pusten. Das Papier hebt sich hinten an.

    Dass an Engstellen durch erhöhte Fließgeschwindigkeit ein Unterdruck gegenüber der Umgebung entsteht, kennt man doch schon von der Wasserstrahlpumpe. Am Aquarium habe ich einen Abschäumer, der nutzt winzige Luftblasen, die er sich aus angesaugter Luft zerkleinert und in einen Reaktionsbehälter bläst, um dort Schaum zu bilden, an dem sich organische Substanzen ablagern; der Schaum steigt auf, quillt in einen Auffangbehälter über und holt so den ganz Dreck aus dem Wasser, bevor dieser vergammelt und das Wasser vergiftet.

    Die Luft zieht sich die Pumpe an einem solchen Engpass, wo einfach ein Luftschlauch an das dort verengte Wasserrohr (sogen. Venturi-Düse) angeschlossen ist. Wenn die Pumpe Wasser durch den Engpass drückt, wird Luft angesaugt. Wenn die Pumpe steht, läuft Wasser in den Schlauch, dessen Öffnung sich daher tunlichst über derm Wasserstand im Abschäumer befinden sollte.

  48. #48 MartinB
    4. September 2017

    @Alderamin
    Klar, hab ich so auch mal erklärt bekommen – der Link erzählt aber ganz gut, warum das maximal die halbe Wahrheit ist. Ich argumentiere lieber mit den Wirbeln um die Tragfläche, das funktioniert immer.

  49. #49 Alderamin
    4. September 2017

    @MartinB

    Danke für den Link, habe verstanden und mitgenommen, dass es mehr als einen Grund für den Auftrieb gibt, und dass man nicht einen Effekt isoliert betrachten sollte. Die Frisbeescheibe wirft man ja auch normalerweise mit Anstellwinkel gegen die Bewegungsrichtung, dann steigt sie höher.

  50. #50 noch'n Flo
    4. September 2017

    Tschuldigung für Störung und OT, aber nebenan bei Ulrich wird gerade die Expertise eines Physikers, nach Möglichkeit promoviert, verlangt: https://scienceblogs.de/kritisch-gedacht/2008/09/15/gabriel-chip/#comment-105275

    Vielen Dank für’s Aushelfen!

  51. #51 Werner Maurer
    Flurlingen
    16. Januar 2018

    Kraft ist eine Einwirkung auf einen Körper, die dessen Beschleunigung verursacht. Diese korrekte Umschreibung des Kraftbegriffs ist etwas umständlich und nicht wirklich hilfreich, wenn es darum geht, Kräfte korrekt zu identifizieren. Der Kraftbegriff ist einer der schwierigsten Begriffe der Mechanik (siehe force conept inventory). Es gibt im deutschen Sprachraum Lehrbücher, in denen keine einzige Kraftskizze vollständig und korrekt ist (z.B. Gerthsen). Andere Lehrbücher verwechseln das Wechselwirkungsprinzip mit Gleichgewicht. Das Schnittbild (free body diagram), das im angelsächsischen Raum auch im Physikunterricht Standard ist, findet man bei uns erst in wenigen Lehrbüchern. Man könnte ausgehend von den Ideen des 20. Jahrhunderts die Mechanik von der Energie und dem Impuls her entwickeln. Das ist aber äusserst umstritten und wird von den Gralshütern verbissen bekämpft. Als Diskussionsbeitrag verlinke ich das Video, das ich gestern gemacht habe (wenn das hier erlaubt ist): https://www.youtube.com/watch?v=mx47qQeuj-0

  52. #52 MartinB
    16. Januar 2018

    Ich schaue aus Prinzip keine Videos, von daher kann ich das nicht kommentieren.

  53. #53 Karl-Heinz
    16. Januar 2018

    @Werner Maurer

    Sehr geehrter Herr Prof. Werner Maurer
    Ich bin ein Fan von Ihnen und bin sehr wohl bereit ihre Videos anzusehen. Ich kann ihre Videos nur jedem empfehlen.

    LG Karl-Heinz

  54. #54 Werner Maurer
    Flurlingen
    17. Januar 2018

    @MartinB Wikipedia benutzen Sie? Rufen Sie dort schiefe Ebene auf. Dann nehmen Sie die abgebildete Kraftskizze und vergleichen diese mit dem, was unter dem Stichwort schiefe Ebene bei Google (Bilder) erscheint. Die Vektorsumme aller angreifenden Kräfte müsste zwingend in Richtung der Beschleunigung zeigen. Falls Sie eine Ausgabe des Gerthsen besitzen, können Sie auch dort bei jeder Kraftskizze überprüfen, ob die Vektorsumme aller eingezeichneten Kräfte in Richtung der Beschleunigung zeigt. Es darf doch nicht sein, dass in einem Klassiker für Studierende der Physik derartige Fehler passieren. Und wieso schreibt man beim zweiten Newtonschen Gesetz nicht: die Summe über alle einwirkenden Körper ist gleich Masse mal Beschleunigung des Massenmittelpunkts? Das wäre doch ein echter Fortschritt.

  55. #55 MartinB
    17. Januar 2018

    @WernerMaurer
    Reden wir über dieses Bild hier:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Schiefe_Ebene#/media/File:Schiefe_ebene_4.png
    Das zeigt ja einen ruhenden Körper, wo sich die grünen und roten Komponenten aufheben und a=0 ist.
    Oder welches Bild ist gemeint?
    Nen Gerthsen habe ich nicht, das Buch mochte ich schon im Studium aus irgendeinem Grund nicht.
    Ich wüsste aber auch nicht, warum es meine Aufgabe sein soll, Bilder im Gerthsen zu verteidigen?

    “Und wieso schreibt man beim zweiten Newtonschen Gesetz nicht: die Summe über alle einwirkenden Körper ist gleich Masse mal Beschleunigung des Massenmittelpunkts? ”
    Vielleicht, weil das nicht so prägnant ist und Physik nicht Jura ist, wo man jedes statement wasserdicht machen muss. Ich glaube, es ist wenig zielführend zu versuchen, alle physikalischen Aussagen so fassen zu wollen, dass sie universell ohne Nachdenken immer angewandt werden können.
    Klar muss man über physikalishce Definitionen und Begriffe und Formeln immer nachdenken, das tue ich ja auch in dieser Serie. (Und dass ich mit der aktuellen Physikdidaktik nicht immer glücklich bin, wird hoffentlich deutlich.) Wenn es an meinem Text was Konkretes zu kritisieren gibt, dann bin ich ganz Ohr.

  56. […] Ich habe das mit unterschiedlichen Beispielen hier diskutiert, ein anderes Beispiel ist die Definition der Kraft oder der Masse, und selbst der Begriff “gleich” im mathematischen Gleichheitszeichen […]