Gutachten der DPG

Sachverhalt

Am 12. Februar 2013 hat die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) ein "Gutachten" über den Karlsruher Physikkurs (KPK) verfasst und auf ihrer Webseite aufgeschaltet. Dieses Gutachten wurde von erbitterten Gegnern des KPK initiiert und sehr wahrscheinlich auch verfasst. Mit diesem "Gutachten" sollte der KPK vollständig aus den Schulstuben verbannt werden. Dementsprechend hart ist auch das Fazit verfasst

Version vom 12. Februar 2013: Der KPK ist als Grundlage eines physikalischen Unterrichts ebenso ungeeignet wie als Leitlinie zur Formulierung physikalsicher Lehr- und Bildungspläne. Die Deutsche Physikalische Gesellschaft rät mit allem Nachdruck davon ab, den KPK in der physikalischen Ausbildung zu verwenden.

Version vom 28. Februar 2013: Der KPK ist als Grundlage eines physikalischen Unterrichts ebenso ungeeignet wie als Leitlinie zur Formulierung physikalsicher Lehr- und Bildungspläne. Wir empfehlen der Deutschen Physikalische Gesellschaft, mit allem Nachdruck dafür einzutreten, dass der KPK nicht in der physikalischen Ausbildung verwendent wird.

Vergleicht man die beiden Versionen und berücksichtigtd dabei, dass Vorstandsmitglieder gleichzeitig als "Gutachter" gewirkt haben, wird sofort klar, welch abgekartetes Spiel da getrieben worden ist. Im Gutachten werden drei Punkte aus dem KPK aufgegriffen und kritisiert:

1. Begriff des Impulsstromes in der Mechanik
2. Entropie und Wärme in der Thermodynamik
3. Magnetische Ladungen und der Begriff des Vakuums in der Elektrodynamik

In einem weiteren Punkt wird noch die mangelnde Anschlussfähigkeit des KPK bezüglich eines technisch oder naturwissenschaftlich ausgerichteten Studiums moniert. Weil die Systemphysik nur von den ersten beiden Punkten betroffen ist, werden nachfolgend auch nur die zwei kritisch hinterfragt.

Impulsbilanz

Der Impuls ist eine vektorwertige mengenartige Grösse, die lokal bilanzierbar ist. Nun kann Impuls durch die Materie (leitungsartig), über Felder (feld- oder strahlungsartig) sowie zusammen mit Materie (konvektiv), transportiert werden. Den Impulsaustausch zwischen Materie und Felder beschreibt man mit Quellen und Senken. Betrachtet man ein Stück Materie, das mit dem Gravitationsfeld in Kontakt steht, besagt die lokale Impulsbilanz, dass die Divergenz der leitungsartigen plus die Divergenz der konvektiven Impulsstromdichte plus die Änderungsrate der Impulsdichte gleich der gravitativen Impulsquellendichte ist

[math]j_{p_{ij,j}}+j_{{p}_{ij,j}}^{conv}+\varrho_{p_{i,t}}=\sigma_{p_i}[/math]

i = x, y, z mit der Einstein-Konvention, wonach über gleiche Indices zu summieren ist und eine Komma vor dem Index die partielle Ableitung bedeutet. Die negative, leitungsartige Impulsstromdichte ist der Spannungstensor. Die konvektive Impulsstromdichte ist Massendichte mal das Tensorprodukt der Geschwindigkeit, die Impulsdichte ist Massendichte mal Geschwindigkeit und die Impulsquellendichte ist Massendichte mal Graviatationsfeldstärke

[math]-\sigma_{ij,j}+(\varrho v_iv_j)_j+(\varrho v_i)_{,t}=\varrho g_i[/math]

Als Nebenbedingungen kann man noch die Massenbilanz formulieren

[math](\varrho v_j)_j+\varrho_{,t}=0[/math]

und in die Impulsbilanz einfügen

[math]-\sigma_{ij,j}+\varrho v_jv_{i,j}+\varrho v_{i,t}=\varrho g_i[/math]

Ersetzt man nun noch den Spannungstensor mit Hilfe des linear-viskosen Materialgesetzes, erhält man die Navier-Stokes-Gleichung.

Die lokale Impulsbilanz kann nun bezogen auf ein raumfestes oder ein materiefestes Bilanzgebiet aufintegriert werden. Nimmt man ein materiefestes Bilanzgebiet und integriert die lokale Bilanz über das Volumen eines Körpers, erhält man nach Anwendung des Satzes von Gauss die Impulsbilanz bezüglich dieses Körpers

[math]\dot{\vec p} = m\dot{\vec v}_{MMP}=\vec{F_{Res}}^{OF}+\vec{F_G}[/math]

Die Impulsänderungsrate ist gleich Mass mal Beschleunigung des Massenmittelpunkts, die resultierende Oberflächenkraft ergibt sich aus dem Spannungstensor durch Integration über die ganze Oberfläche, der konvektive Impulsstrom verschwindet und die Gewichtskraft ist gleich der Gravitationsfeldstärke mal das Volumenintegral über die Massendichte. Oft tauscht ein Körper gleichzeitig mit mehreren andern Körpern Impuls aus. Der Spannungstensor ist dann stückweise über jede einzelne Berührfläche zu den Nachbarkörpern zu integrieren. Die Impulsbilanz oder das zweite Newton'sche Gesetz nimmt damit folgende Form an

[math]m\dot{\vec v}_{MMP}=\sum_i \vec{F_i}+\vec{F_G}[/math]

Aufgrund dieser Zusammenhänge wird eine Oberflächenkraft oft als Flächenintegral über den Spannungstensor definiert, wobei in der Regel über eine offene Teilfläche zu integrieren ist. Orientiert man die Schnittfläche auf die andere Seite, also bezüglich des Nachbarkörpers, erhält man die Reaktionskraft im Sinne des dritten Newton'schen Gesetzes.

Impulsstrom

Nimmt man den Impuls als primäre, vektorwertige, mengenartige Grösse, erscheinen die Newtonsche Gesetze als anitquierte und umständliche Formulierung eines Bilanzgesetzes für Spezialfälle und Themen wie die Relativitätstheorie, die Mechanik offener Systeme (Rakete, Strahltriebwerk, Turbinen und anderes) und die Kontinuumsmechanik können schnell und effizient erschlossen werden. Zudem erschliessen sich ganz neue Darstellungsmethoden, wie zum Beispiel das Flüssigkeitsbild oder das Impulsstrombild. Um solche Impulsstrombilder zu erzeugen, muss ein raumfestes Koordinatensystem eingeführt werden, damit die für jede der drei Komponenten ein eigenes Strombild generiert werden kann.

Stein des Anstosses ist meist die Statik. Weil viele Leute Strom mit Bewegung gleich setzen, stolpern sie über das eigene Vorurteil. Strom und Bewegung sind nur bei konvektiven Transportvorgängen gekoppelt. Bei leitungsartigen Transporten wie elektrischer Strom im Kupferdraht, Wärmeleitung durch eine Kühlschranktüre oder Drehimpulstransport durch eine Antriebswelle ist keine Bewegung im Sinne der Mechanik feststellbar oder der Körper bewegt sich wie bei der Antriebswelle quer zur Transportrichtung. Schwingen über eine Feder verbundene Gleiter im Gegentakt auf der Luftkissenbahn, fliesst ein Impulswechselstrom durch die Feder, ohne dass sich diese in die eine oder die andere Richtung bewegt (Video: Gibt es Impulsströme)

Oft fehlt es auch an klaren Begriffen. Ein Strom bezeichnet einen Transportvorgang, eine Stromdichte beschreibt die lokale Stärke (Menge pro Zeit und pro Fläche) und eine Stromstärke beschreibt die Stärke eines Stromes bezüglich einer orientierten Referenzfläche. Die Stromstärke berechnet sich aus der Stromdichte durch Integration über die ausgewählte, offene Referenzfläche. Bezogen auf die Elektrizitätslehre fliesst ein Strom von Knoten A zu Knoten B und wird mit der Stromstärke I gemessen. Üblicherweise erwähnt man bei solchen Problemen weder die Stromdichte noch die Referenzfläche, sondern malt einfach nur einen Strombezugspfeil hin.