1. Erklärungsschema der Physik
Der Ballon steigt auf, weil etwas ihn hochdrückt. Wie entsteht dieser Auftrieb? Es fragt sich, wer den Ballon drückt. Ist es das Gas in ihm oder die Luft um ihn?
Man macht die Erfahrung, dass man ein Auto nicht anschieben kann, wenn man im Auto bleibt. Denn man drückt genauso stark mit den Händen gegen das Lenkrad wie mit dem Rücken gegen die Lehne. Analog kann das Gas im Ballon den Ballon nicht hochdrücken. Es bleibt also nur die Luft um den Ballon als Ursache. Damit der Ballon steigt, muß die Luft unter ihm stärker drücken als über ihm. Das stimmt mit der Erfahrung überein, dass der Luftdruck mit der Höhe abnimmt.
Wir benötigen als Ballon also nur eine Unterseite, gegen die die Luft drücken kann, und einen Höhenunterschied zwischen Unter- und Oberseite, damit der Luftdruck über dem Ballon soviel schwächer ist, daß die Luft das Gewicht des Ballons heben kann. Das Gas im Ballon ist also lediglich eine Hilfe, um Flächen und den Höhenunterschied mit dem Ballonmaterial stabil zu halten, ohne dass dieses Mittel viel wiegt.
Es ist egal, ob etwas relativ zum Bett im Haus oder relativ zu einem fahrenden Schiff (konstante Geschwindigkeit) ruht. Das bedeutet, man benötigt keine Kraft, um eine Geschwindigkeit beizubehalten (wenn die Reibung keine Rolle spielt), sondern nur um die Geschwindigkeit zu ändern.
Alles ist träge. Um aus der Ruhe in die Bewegung zu kommen, benötigt es Kraft. Die klassische Physik (17. Jahrhundert) unterscheidet sich von der antiken Physik durch folgende Entdeckung:
Dies kann man auf dreierlei Weise tun: die Geschwindigkeit vergrößern (Gas geben), die Geschwindigkeit verringern (bremsen), die Richtung der Geschwindigkeit ändern (lenken).
Platon schreibt, dass der Fisch von den antiken Elementen die „Erde“ und das „Wasser“ erlebt. Über sich sieht er die spiegelnde (Totalreflexion) Unterseite der Wasseroberfläche, hinter der die „Luft“ beginnt.
Der Mensch erlebt das Feuer und sieht das Himmelsblau. In Analogie zum Fisch kann er das Himmelsblau als Grenze zwischen „Luft“ und dem fünften Element, dem „Äther“, deuten. Das fünfte Element (die Quintessenz) war für Platon wichtig, weil es fünf regelmäßige Körper gibt, die fünf „Platonischen Atome“.
Platon war auch ein Meister der Analogie, einer der hilfreichsten Erklärungsarten. Dazu ein Beispiel: Wie die Worte aus den Buchstaben (L,M,N) bestehen, so die Welt aus den Urstoffen (el-em-en-te = Elemente).
Wenn man ohne Vorkenntnis die Höhe des blauen „Himmelszeltes“ abschätzen soll, kommen die meisten auf etwa 3.000 Meter. Darum vermutete Platon, dass hohe Berge aus dem Luftozean herausragen wie die Inseln aus dem Meer.
Kommentare:
- Die Luft hört nicht wie das Meer in einer bestimmten Höhe auf, sondern wird immer dünner. Trotzdem ist Platons Höhenangabe rechte gut, da jenseits der Spitzen der höchsten Berge die Luft so dünn ist, dass der Mensch z.B. dort nicht ohne Hilfsmittel leben kann.
- Das Himmelsblau wird außerdem überall in der Luft durch die „Rayleigh-Streuung“ erzeugt: Die elektrische Kraft der Sonnenstrahlen beschleunigt die Elektrizität der Luft. Beschleunigte Elektrizität strahlt. Dabei ist die blaue Strahlung die intensivste, weil ihre Frequenz die höchste im sichtbaren Spektrum ist, doppelt so hoch ist wie die der roten.
Aus der Höhe des Luftmeeres und der Tatsache, dass Luft das Wasser zehn Meter hoch drücken kann, folgt, dass ein Kubikmeter Wasser 1000mal schwerer ist als ein Kubikmeter Luft (Barometer).
Auf den hohen Bergen, die aus dem Luftozean herausragen, leben nach Platon die Übermenschen, die sich zu den Menschen verhalten wie diese sich zu den Fischen. Die Idee des Übermenschen ist über christliche Kirchenlieder und Goethes Faust („Welch erbärmlich Grauen fasst Übermenschen Dich“) sowie besonders durch Nietzsches evolutionäre Interpretation bekannt geworden. Die amerikanischen „Superhelden“ (Superman, Batman, Atom, Spider-Man usw.) sind dagegen nur Polizisten mit z.T. übernatürlichen Fähigkeiten.
Literaturhinweis
Prüfungsprobleme
- Mechanik
Physik ist die Lehre von der Natur, auch von der belebten. Natur ist ein Fremdwort und bedeutet „werden“. Deswegen ist der wichtigste Begriff der Physik „Bewegung“. Er hat die beiden Aspekte „Geschwindigkeit“ und „Verformung“. Wie kommt es nun zur Bewegung?
Physikalisches Denken unterscheidet sich vom Alltagsdenken nur dadurch, dass eigentlich nur eine Erklärungsmuster erlaubt ist:
A drückt gegen B.
(Andere Schemata wie „Anziehung“ lassen sich mit dem Hauptschema erklären.)
Viele vermuten, daß der Wasserstoff den Ballon nach oben zieht. Da müsste aber ein Ballon, in dem man 100mal mehr Wasserstoff hineindrückt, schneller nach oben steigen. Das Gegenteil ist der Fall. Man könnte sogar soviel Wasserstoff in den Ballon pressen, daß die Luft den Ballon nicht mehr hochheben kann.
Viele meinen, in der Physik wird, so wie wir das oben beschrieben haben, alles mit dem Muster erklärt, A drückt gegen B. A ist die Ursache für die Bewegung von B.
Dagegen würde man Menschen besser verstehen mit dem Schema: Er versucht das Ziel A mit B zu erreichen.
Beispiel: Er arbeitet, um reich zu werden.
Das erste Muster nennt man kausal, das andere final
.
Es hat sich gezeigt, daß auch das Verhalten von Licht und Materie nicht nur kausal, sondern auch final beschrieben werden kann. So wählt das Licht von allen möglichen Wegen den aus, auf dem es die wenigste Zeit vom Start bis zum Ziel benötigt. Das nennt man das Fermatsche Prinzip. Damit kann man z.B. die Brechung des Lichtes erklären, wenn man weiß, um wie viel das Licht in Wasser langsamer ist als in Luft.
Mathematisch zeigt sich, dass in der Physik kausale und finale Erklärungen gleichwertig sind.
Literaturhinweis
Wie zaubert man ein Ei in die Flasche? Man füllt einen Teelöffel Wasser in die Flasche und erhitzt sie. Das Wasser wird zu Dampf, der die Luft aus der Flasche drückt. Nun setzt man ein hart gekochtes, geschältes Ei auf den eingefetteten Flaschenhals. Die Flasche kühlt sich ab. Der Dampf kondensiert, so daß er nicht mehr gegen das Ei drücken kann. Das Ei rutscht in die Flasche, weil die Außenluft es hineindrückt. Bläst man nun Luft in die Flasche und hält den luftleer gemachten Mund (saugen) an den Flaschenhals, wobei man die Flasche nach oben dreht, so daß das Ei innen auf dem Flaschenhals sitzt, so drückt die Luft in der Flasche das Ei in den Mund.
Hier wurde ausschließlich die Erklärung “Drücken” benutzt und die Alltagsvorstellung vom “Saugen” vermieden. Denn im leeren Mund ist nichts. Und Nichts kann nichts, auch nicht ein Ei bewegen.
Aktueller Stand:
Dienstag, 26. April 2011
© by Prof. Dr. Fritz Siemsen, Institut für Didaktik der Physik der Goethe-Universität Frankfurt/Main (August 2006)
