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Irrtümer
Im Gegensatz zu einer Lüge, bei der die Wahrheit bewusst verfälscht worden ist, entsteht ein Irrtum unabsichtlich aus falschen Informationen oder Schlüssen. Nachfolgend sind einige Irrtümer aufgeführt, die sich in den Köpfen von Schüerinnen und Schülern oder Studierenden gerne festsetzen. Leider werden einige dieser Irrtümer teilweise auch von Lehrenden und Lehrbüchern hemmungslos weiter verbreitet.
Bewegung
- Behauptung: Die Geschwindigkeit eines Autos bleibt erhalten, solange der Tachometer einen konstanten Wert anzeigt.
- Berichtigung: Die Geschwindigkeit ist eine vektorielle Grösse. Folglich kann die Geschwindigkeit nur konstant sein, wenn sich sowohl der Betrag als auch die Richtung nicht ändern.
- Hintergrund: In der Umgangssprache verstehen wir unter Geschwindigkeit meist nur deren Betrag. Der Betrag der Geschwindigkeit wird in der Physik oft Schnelligkeit genannt.
- Behauptung: Betätigt der Fahrer das Gaspedal, erfährt sein Auto eine positive Beschleunigung; drückt er auf die Bremse, ist die Beschleunigung des Autos negativ.
- Berichtigung: Das Vorzeichen der Beschleunigung hängt auch bei einer eindimensionalen Bewegung von der Wahl des Koordinatensystems ab. Bewegt sich das Auto in negative Richtung, geht die Geschwindigkeit beim Bremsen von einem negativen Wert gegen Null hoch, was einer positiven Beschleunigung entspricht. Im Flüssigkeitsbild steigt der Spiegel bei einer positiven Beschleunigung an und sinkt bei einem negativen Wert ab. Die Beschleunigung ist positiv, falls die Kurve im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm längs der Zeitachse steigt. Dabei spielt es keine Rolle ober der Wert der Geschwindigkeit im positiven oder negativen Bereich ist.
- Hintergrund: Der Kraftbegriff der Umgangssprache bezieht sich meistens auf die Energie statt auf den Impuls. Konsequenterweise überträgt man diese Assoziation auch auf die Beschleunigung.
- Behauptung: Eine Beschleunigung kann man spüren.
- Berichtigung: Die Beschleunigung ist die Änderungsrate der Geschwindigkeit oder die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit. Die Geschwindigkeit ist wiederum die Änderungsrate des Ortes oder die Ableitung des Ortes nach der Zeit. Um den Ort festzulegen, benötigt man ein Bezugssystem. Folglich hängt die Beschleunigung vom Bezugssystem, also von der Wahl des Beobachters, ab.
- Beispiel: Fährt ein Auto gegen eine Mauer, kann die Beschleunigung eines ausgewählten Punktes des Fahrers auf das Armaturenbrett oder auf die Mauer bezogen werden.
- Hintergrund: Im Innern eines Fahrzeuges, das gegenüber der Erde beschleunigt ist, wirkt ein anderes Gravitationsfeld als auf der Erdoberfläche selber. Die Stärke dieses auf das Fahrzeug bezogene Gravitationsfeld ist gleich der Feldstärke der Erde minus die Beschleunigung des Fahrzeuges gegen die Erde. Auch ein Beschleunigungssensor misst primär die lokale Gravitationsfeldstärke. Zieht man davon die Gravitationsfeldstärke der Erde ab, erhält man bis auf das Vorzeichen die Beschleunigung des Körpers gegenüber der Erde. Direkt spüren kann man weder das eine noch das andere Feld, sondern nur die Wirkung der im eigenen Körper fliessenden Impulsströme .
- Behauptung: Ein Astronaut ist schwerelos, weil
- kein Gravitationsfeld wirkt
- weil das Gravitationsfeld der Erde nicht so weit hinauf reicht
- weil er in einem antriebslosen Satelleliten frei fällt
- weil sich die Kapsel im luftleeren Raum befindet
- weil er sich ausserhalb des Magnetfelds der Erde befindet
- Berichtigung: Die beiden letzten Behauptungen sind völliger Unsinn und müssen nicht weiter kommentiert werden. Das Gravitationsfeld der Erde geht mit dem Quadrat des Abstandes von der Erdmitte zurück und ist somit nirgends genau gleich Null. Aber in jedem antriebslos durch den leeren Vakuum fallenden Raumschiff ist man schwerelos, weil das Gravitationsfeld bis auf das Gezeitenfeld durch die Fallbewegung wegtransformiert wird. Antwort 3 ist somit richtig. Antwort 1 ist richtig, sobald man die Gravitation im Sinne von Einstein auffasst.
- Hintergrund: Das statische Universum von Isaac Newton wird von einem absolut ruhenden Raum aufgespannt. Darin entfaltet das Gravitationsfeld, das von den Massen der einzelnen Himmelskörper erzeugt wird, eine von Raum und Zeit unabhängige Wirkung. In allen gleichförmig dazu bewegten Systemen, den Inertialsystemen, gelten die Bewegungsgesetze uneingeschränkt. Im dynamischen Universum von Albert Einstein gelten die Gesetze der Physik in allen Bezugssystemen. Die Gravitation selber, die in allen frei fallenden Systemen lokal verschwindet, ist ein rein geometrisches Phänomen. Gefühlsmässig stehen wir Einstein viel näher als Newton, da wir vom lokal nachweisbaren Gravitationsfeld direkt beeinflusst werden (vergl. oben).
- Behauptung: Der Mond fällt nicht runter, weil auf seiner Bahn die Fliehkraft genauso gross ist wie die Anziehungskraft.
- Berichtigung: Der Mond wird von der Erde angezogen und fällt tatsächlich hinunter. Weil er aber gleichzeitig noch eine Geschwindigkeit normal zur Gravitationswirkung besitzt, fällt er um die Erde herum. Eine Flieh- oder Zentrifugalkraft darf erst eingeführt werden, wenn man die Bewegung eines Körpers von einem rotierenden Bezugssystem aus analysiert.
- Hintergrund: Das irrtümlich postulierte Kräftegleichgewicht auf einer Kreisbahn ist auf das mangelhafte Verständnis des Begriffs Beschleunigung zurückzuführen (vergl. oben). Solange man als Beschleunigung nur die Änderungsrate der Schnelligkeit (Betrag der Geschwindigkeit) akzeptiert, bezeichnet man den eine Kurve fahrenden Körper als unbeschleunigt. Um diesen Körper künstlich ins Gleichgewicht zu setzen, neigen viele Lernende und leider auch viele Lehrende zur missbräuchlichen Verwendung des Begriffs Zentrifugalkraft. Die so eingeführte Trägheitskraft steht im absoluten Widerspruch zu den Newtonschen Axiomen. Isaac Newton hat als erster erkannt, dass auf den Mond die gleich universelle Kraft wirkt wie auf den fallenden Apfel. Später hat Albert Einstein die Gravitation als rein geometrisches Phänomen gedeutet. Gemäss Einstein bewegt sich der Mond geradlinig durch die (gekrümmte) Raum-Zeit.
Translation
- Behauptung: Von Kraft im statischen Sinn spricht man, wenn ein Körper verformt worden ist.
- Berichtigung: Eine Kraft ist eine Impulsstromstärke oder im Falle der Gewichtskraft eine Impulsquelle bezüglich eines Körpers. Da Körper von den durchfliessenden Impulsströmen verformt werden, müssen in der Statik mindestens zwei Kräfte auf den Körper einwirken, bis eine Verformung eintritt. Wirkt nur eine Kraft ein, ändert sich der Impulsinhalt und der Körper erfährt eine Beschleunigung.
- Hintergrund: Isaac Newton hat den Kraftbegriff am Beispiel der Planeten entwickelt, indem er die Himmelskörper als Massenpunkte modellierte. Wendet man das Konzept der Punktmechanik auf Alltagsvorgänge an, kann nur der Impulsinhalt nicht aber der Impulstransport adäquat beschrieben werden. Entsprechend ungenau und mangelhaft wird so die Begriffsildung. Erst der mit der Physik der dynamischen Systeme vollzogene Paradigmawechsel liefert die Basis für eine saubere Analyse mechanischer Vorgänge.
- Behauptung: Unter Energie versteht man die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten.
- Berichtigung: Seit 1905 wissen wir, dass Energie und Masse äquivalent sind, d.h. Energie und Masse sind zwei Wörter für die gleich physikalische Grösse. Dass Energie in Joule und Masse in Kilogramm gemessen wird, ändert an der Gleichwertigkeit von Energie und Masse nichts. Die Arbeit einer Kraft oder die Arbeit eines Drehmoments sind quasistatische Rechenvorschriften, um der Kraft oder dem Drehmoment eine mit ausgetauschte Energie zuzuweisen. Als Grundlage dient der zugeordnete Energiestrom.
- Hintergrund: Bewegt sich ein Körper auf der Erde, tauscht er mit dieser Impuls und Drehimpuls aus. Weil die Erde gleichzeitig als Bezugssystem dient, sind alle Prozessleistungen zwischen Körper und Erde gleich den auf den Körper bezogenen Energieströme. Folglich kann in der Mechanik ein eingeschränkter Energiebegriff formuliert werden. Diese Energie bleibt im Grenzfall der absoluten Reibungsfreiheit (keine Dissipation, keine Entropieproduktion) sogar erhalten. Mehr als hundert Jahre nach der Entdeckung der Energie-Masse-Äquivalenz sollte die Zeit auch an den Schulen reif sein für eine umfassende Formulierung des Energiebegriffs. Die Physik der dynamischen Systeme leistet in dieser Hinsicht Pionierarbeit.
Rotation
- Behauptung: Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft hängen eng zusammen.
- Berichtigung: Als Zentripetalkraft bezeichnet man die resultierende Kraft, die auf einen Körper einwirken muss, damit sich dieser auf einer Kreisbahn bewegt. Die Zentrifugalkraft ist der statische Teil der auf einem rotierenden Bezugssystem wirkenden Trägheitskraft .
- Hintergrund: Kräfte sind Impulsströme oder Impulsquellen bezüglich eines ausgewählten Körpers. Folglich kann jeder Kraft aufgrund des Impuls leitenden Materials ein Name zugewiesen werden (Gravitationskraft, elektrische Kraft, Seilkraft, Haftreibungskraft).
- Wird ein Körper durch das Zusammenwirken von mehreren Kräften auf einer Kreisbahn geführt, sollt man für die resultierende Kraft nicht noch den zusätzlichen Namen Zentripetalkraft einführen. Der Begriff Zentripetalkraft ist eine Altlast, die dringend entsorgt werden muss.
- Begibt man sich auf ein rotierendes Bezugssystem, muss das Gravitationsfeld durch zwei zusätzliche Terme ergänzt werden. Diese beiden Terme erzeugen auf jeden Körper zwei zusätzliche Kräfte: Die statische Einwirkung heisst Zentrifugalkraft, die dynamische Corioliskraft.
- Leider beschränken sich viele Autoren von Schulbüchern auf den Fall eines an einem Seil reibungsfrei im Kreis herum gleitenden Körpers. Die Seilkraft wird dann als Zentripetalkraft bezeichnet. Danach setzt man einen Beobachter auf den Körper, der zusätzlich eine Zentrifugalkraft einführen muss, um in seinem System das Gleichgewicht des Körpers zu erklären. Wer anhand dieses Beispiels den Begriff rotierendes Bezugssystem einführt, greift ins Leere: ein einzelner Körper macht noch lange kein Bezugssystem aus. Zudem fördert die Ähnlichkeit der Wörter Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft die schon vorhandene Fehlvorstellung.
Elektrizität
- Behauptung: Die physikalische Stromrichtung entspricht der Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Die technische Stromrichtung ist entgegengesetzt.
- Berichtung: Unter einem Strom versteht man primär den Transport einer mengenartigen Grösse durch den Raum. Weil die elektrische Ladung eines Körpers gegensätzliche Werte annehmen kann, musste das Vorzeichen der Ladung willkürlich festgelegt werden. Mit der Zuweisung des positiven Vorzeichens zur Ladung ist auch die Richtung der elektrischen Stromes bestimmt. Verbindet man zum Beispiel zwei gegensätzlich geladene, isoliert aufgehängte Metallkugeln, nimmt die Ladung in der einen Kugel von einem negativen Wert gegen Null zu und in der andern von einem positiven Wert gegen Null ab. Diesen Sachverhalt kann man im Flüssigkeitsbild anschaulich darstellen. Der elektrische Strom fliesst nun vom Körper mit abnehmender zum Körper mit zunehmender elektrischer Ladung. Die elektrischen Ladung wird also immer in die als technisch definierte Richtung transportiert: die technische ist die elektrische Stromrichtung.
- Hintergrund: Seit man weiss, dass in Metallen die elektrische Ladung von Elektronen transportiert wird, erklärt man den Ladungstransport mit Hilfe dieser Elementarteilchen. Weil die Elektronen negativ geladen sind, fliessen die Teilchen und die elektrische Ladung gegeneinander. Ein analoges Phänomen tritt aber auch auf, wenn man die Richtung des Energiestromes untersucht: beim Wechselstrom fliesst die Energie einmal mit und einmal gegen den elektrischen Strom; beim Fahrrad wird die Energie immer gegen die belastete Kette transportiert; in einem auf Zug belasteten Seil kann die Energie mit oder gegen den Energieträger, den Impuls, fliessen. Die physikalische Stromrichtung beschreibt demnach den Transport der Teilchen und nicht den der elektrischen Ladung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Elektronen im Metall nur bedingt als Teilchen angesehen werden können. Von einer Bewegung im Sinne der Mechanik darf bei den im Metall eingebundenen Elektronen auf keinen Fall gesprochen werden.
Wärme
- Behauptung: Der Wärmeinhalt ist ein Mass für die Energie eines Systems.
- Berichtigung: Ein homogener Stoff kann auf zwei Arten Energie austauschen: zusammen mit der Entropie als Wärme und zusammen mit dem Impuls als Arbeit. Der Energieinhalt des Körpers heisst innere Energie. Diese seit mehr als 150 Jahre gültige Unterscheidung zwischen Arbeit, Wärme und innerer Energie lässt den Begriff Wärmeinhalt gar nicht zu.
- Hintergrund: Beschränkt man sich auf die thermischen Prozesse, bei denen ein Körper bei konstantem Druck aufgeheizt oder abgekühlt wird, entspricht die Wärme, die zusammen mit der Entropie ausgetauschte Energie, der Änderung der Enthalpie. Wer Wärmeinhalt sagt, meint meistens die Enthalpie eines Systems.
- Behauptung: Entropie ist ein Mass für die Unordnung eines Systems.
- Berichtigung: In einem mikroskopischen Modell (ideales Gas, gelöste Stoffe, Magnetisierung) ist die Entropie ein Mass für die Zustandssumme. Die Zustandssumme beschreibt, wie viele mögliche, nicht unterscheidbare Anordnungen bei einem bestimmten Zustand (Volumen, Temperatur, Gesamtenergie) möglich sind. In einem mikroskopischen Modell ist die Entropie demnach ein Mass für die möglichen Anordnungen.
- Hintergrund: In populärwissenschaftlichen Büchern, aber auch in vielen Lehrbüchern wird die Entropie mit Unordnung gleichgesetzt. Das Problem besteht in erster Linie darin, dass der umgangssprachliche Begriff Unordnung nicht eindeutig definiert ist. Zudem beschränkt sich die statistische Definition, wonach die Entropie gleich der Boltzmannkonstante mal der natürliche Logarithmus der Zustandssumme ist, auf einige wenige, mikroskopisch beschreibbare Systeme. Die Entropie ist primär die Basismenge der Thermodynamik und entspricht ziemlich genau dem, was die meisten Leute unter der Wärmemenge verstehen.