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 Betrag und Richtung dieser Grösse nicht ändern.
  • Hintergrund: In der Umgangssprache verstehen wir unter Geschwindigkeit meist nur den Betrag dieser Grösse. 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. Weist die Kurve im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm längs der Zeitachse nach oben, ist die Beschleunigung positiv.
  • 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
  1. kein Gravitationsfeld wirkt
  2. weil das Gravitationsfeld der Erde nicht so weit hinauf reicht
  3. weil er in einem antriebslosen Satelleliten frei fällt
  4. weil sich die Kapsel im luftleeren Raum befindet
  5. 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. Das Gravitationsfeld, das von den Massen der einzelnen Himmelskörper erzeugt wird, entfaltet 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 gibt es kein ausgezeichnetes Bezugssystem mehr. Die Gesetze der Physik gelten in allen Bezugssystem. 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 bei einer Kurvenfahrt ist auf das mangelhafte Verständnis des Begriffs Beschleunigung zurückzuführen (vergl. oben). Solange man als Beschleunigung nur die Änderungsrate der Schnelligkeit (Betrag der Geschwindigkeit) akzeptiert, sieht man den eine Kurve fahrenden Körper als unbeschleunigt an. Um diese Körper künstlich ins Gleichgewicht zu setzen, neigen viele Lernende und leider auch viele Lehrende zur missbräuchlichen Verwendung des Begriffs Zentrifugalkraft. 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.

Rotation

• Behauptung: Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft hängen eng zusammen.
  • Berichtigung: Als Zentripetalkraft bezeichnet man die resultierende Kraft, die auf einen Körper einwirken muss, damit dieser sich 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 vorhandenen Fehlvorstellungen.