Blog

Wissenschaft

Messen, wiederholen, vorhersagen und Widersprüche diskutieren. Das ist das Konzept der „Marke Wissenschaft“.

Schau

Problemelösen

… haben gleich einmal etwas mit dem Erkennen des Systems zu tun. Michael Müller hat im Publicis-Verlag ein hübsches Buch dazu geschrieben: „Ideenfindung, Problemlösen, Innvoation“. Einige Punkte daraus möchten wir hier vorstellen, weil sie sich ausgezeichnet dazu eignen, auch in der Schule verwendet zu werden.

Um für ein Problem eine Lösung zu finden, müssen wir zuenächst das System beschreiben und erkennen. Dazu sind unter anderem Freihandskizzen eine gute Idee, aber grundsätzlich gibt es vier Methoden, ein System zu erklären:

  1. Die historische Methode. Wie hat sich das alles im Laufe der Geschichte entwickelt.
  2. Die pragmatische Methode. Wie gehe ich selbst – privat – damit um.
  3. Der pädagogische Ansatz. Den Kern deutlich machen.
  4. Die funktionale Methode. Was ist die angestrebte Funktion, die sichtbaren Strukturen sind da Mittel zum Zweck. Diese Methode ignoriert die historische Entwicklung, meint Michael Müller.

Ohne Herz geht es dabei nicht, man muss erst seine Liebe zum Problem erkennen, um es zu lösen.

Luftwiderstand

Resistance/Friction und Drag sind verschiedene englische Begriffe. Im Deutschen bezeichnen wir das als Reibung bzw. Widerstand (Reifen/Boden) und Luftwiderstand. Dieses Video zeigt, wie Friction und Drag zusammenwirken, um einen Fahrradfahrer schneller zu machen als die anderen.

Aufgabe:

  1. Beschreiben Sie bitte, was Sie sehen.
  2. Begründen Sie das Phänomen auf physikalischer Sicht.
  3. Wie ändern sich Friction und Drag mit zunehmender Geschwindigkeit?
  4. Geben Sie eine Empfehlung für Radrennfahrer ab.

Farben in der Natur

Schillern, strahlen, leuchten. Die Physikerin Ille Gebeshuber erzählt, wie es dazu kommt. Ausgestrahlt im ORF Österreich Radioprogramm Vom Leben der Natur, ab 30.01.2017.

mehr lesen…

Lang andauernde Experimente

Pech ist fest, brüchig, aber zugleich langsam fließend: 1927 gab Thomas Parnell an der Universität Queensland etwas Pech in einen Glastrichter. Das Experiment bestand darin zu warten: Alle neun Jahre kam ein Tröpfchen aus dem Trichter heraus. Das Experiment läuft heute noch. Zwar kein Experiment, aber ein Orgelwerk von John Cage, das 639 Jahre dauert: ORGAN2/ASLSP. Es ist derzeit im deutschen Kloster St. Burchadi zu Halberstadt zu hören. Seit dem 5. Februar 2003 erklingt der erste Akkord: ein gis‘, ein gis‘‘ und ein h‘, am 5. Juli 2004 kamen ein e und ein e‘ dazu. Am 5. Juli 2005 um 16.33 Uhr haben sich das gis‘ und das h‘ für lange Zeit verabschiedet. Der letzte Klangwechsel war am 5. Oktober 2013, der nächste kommt am 5. September 2020. Das Werk endet im Jahr 2642.

Wann bricht der Krug?

Der Krug geht so lange zum Brunnen, bis er bricht. Wann bricht der Krug? Dieses Sprichwort hat viel mit Physik und Chemie zu tun. Wir probieren hier eine Annäherung.

mehr lesen…

Sprichwörter physikalisch betrachtet

Der Krug geht so lange zum Brunnen, bis er bricht. Warum bricht der Krug?

Viele Sprichwörter haben gute wissenschaftliche Gründe, Fragen, die man stellen kann. Antworten sind gut zu finden. Ein Krug hält ja irgendwie zusammen. Wenn er das nicht mehr tut, gibt es einen Grund. Kräfte. Energie. Erhaltungssätze. Wunderbare Anwendungen für Gelerntes tun sich auf. Was fällt Ihnen ein?

Es ist nicht alles Gold, was glänzt. Warum glänzt Gold?

In der Nacht sind alle Katzen grau. Welche Farben haben Katzen? (Wie würde eine Stealth-Katze aussehen, die auch von infrarotstrahlensehenden Schlangen nicht erkannt wird?)

Es gibt viele Sprichwörter, die sich eignen, untersucht zu werden. Die folgenden hier beginnen mit „A“.

  1. Abwarten und Tee trinken. Wie kühlt Tee?
  2. Alle Wege führen nach Rom. Welcher ist der beste?
  3. Am Abend wird der Faule fleißig. Wer ist faul und was ist Leistung?
  4. An ihren Taten sollt ihr sie erkennen. Was sind Ursache und Wirkung?
  5. Arbeite klug, nicht hart. Wie kann ich mir die Arbeit sparen?
  6. Auf fremden Arsch ist gut durch Feuer reiten. Wie kann man überhaupt durch Feuer reiten?
  7. Auf jeden Regen folgt auch Sonnenschein. Warum regnet es nicht immer?
  8. Aus den Augen, aus dem Sinn. Was kann man sehen?
  9. Alles hat ein Ende, nur die Wurst hat zwei. Wie viele Enden kann etwas haben?

Weitere Sprichwörter: Wikipedia-Liste

Wie würde man so ein Thema bearbeiten? Sicher einmal das Sprichwort nennen. Dann beschreiben, was es aussagt. Dann, was das Besondere daran ist. Dann, wo Physik versteckt ist. Dann, warum die besondere Physik dahinter zum Sprichwort führt. Dann hat man es verstanden.

Fragen für die VWA

Wie finde ich eine Frage für die Vorwissenschaftliche Arbeit (VWA)?

Stellen Sie doch eine Frage an die Natur. Eine, die Sie im Idealfall interessiert. Keine, die Sie sich wo abschauen. Eine, die Sie selbst hier und jetzt aufschreiben. – Aufgeschrieben? Dann fangen wir an. Ziel ist nun, zu schauen, ob sie funktionieren wird. Und wie die Natur sie beantworten wird – und nicht Sie.

1. Zuerst arbeiten wir gleich mal an der Frage. Dazu beantworten wir Folgendes:

„Eignet sich meine Forschungsfrage für eine Vorwissenschaftliche Arbeit?“

Sie erkennen das, indem Sie folgende fünf Punkte beantworten können:

  1. Wie lautet das Themengebiet?
  2. Wie lautet die Frage?
  3. Wie wird die Antwort gefunden?
  4. Wie könnte die Antwort lauten?
  5. Gibt es ein Problem?

Beispiel: Sie haben an einer Bushaltestelle einen Baum mit Flechten gesehen. Er erinnert Sie an den Biologieunterricht. Dort wurde gesagt, dass Flechten gute Luft anzeigen. Aber in der Stadt ist doch keine gute Luft. Da müsste man doch etwas untersuchen können.

Sie beantworten die fünf Punkte:

  1. Themengebiet: Biologie / Pflanzen / Flechten / Luftqualität / Stadt
  2. Frage: „Welche Flechten befinden sich auf dem Baum an der Bushaltestelle?“
  3. Methode: Alle finden, abzählen, abmessen, beschreiben, bestimmen
  4. Erwartete Antwort: 150, zwischen 1 und 10 cm, gelb und grau, lateinische Namen
  5. Problem: Ich kann nicht den ganzen Baum absuchen, zu hoch, hat zu viele Zweige

Da es ein Problem gibt, müssen Sie Ihre Frage ändern. Keine Angst, das ist ganz normal. Sie beantworten dann wieder die fünf Punkte:

  1. Themengebiet: Biologie / Pflanzen / Flechten / Luftqualität / Stadt
  2. Frage: „Welche Flechten befinden sich am Baumstamm in einem Streifen, der einen Meter breit ist, auf dem Baum an der Bushaltestelle?“
  3. Methode: Alle finden, abzählen, abmessen, beschreiben, bestimmen
  4. Erwartete Antwort: 40, zwischen 1 und 10 cm, gelb und grau, lateinische Namen
  5. Problem: Kein erkennbares, das werde ich schaffen

Jetzt erhalten Sie von Ihrem Betreuungslehrer das OK für den Start.

2. Und dann schreiben wir die Arbeit. Was soll in meiner Arbeit stehen?

Sie beginnen (1) mit einem Kapitel über Flechten und ihre Verbindung zur Luftqualität (recherchieren), beschreiben dann (2.1–2.5) Ihre Arbeit – die obigen fünf Punkte mit Ihrem wirklichen Ergebnis, dazu (3) die Details, wie Sie das Ergebnis erhalten haben. Dann kommt (4) ein Kapitel, in dem Sie Ihre Ergebnisse bewerten, und in einem Schlusskapitel (5) schreiben Sie einen Ausblick: Welche weiteren Fragen könnte man unter Berücksichtigung Ihres Ergebnisses nun weiter stellen? Quellenangaben müssen immer dann gemacht werden, wenn etwas kopiert wird. Das wollen wir vermeiden. Faktenwissen, Lehrbuchwissen darf ohne Quelle aufgeschrieben werden – dazu müssen wir es aber selbst aufschreiben, so wie wir die Sache wissen und sie sehen. Wir wollen nichts und niemanden kopieren, ohne es sauber anzugeben. Fakten wollen wir überhaupt nicht kopieren. Wir lesen uns die Sachen durch, dann schreiben wir es auf. Wenn’s wichtig ist. Dann haben wir es auch im Kopf und schlagen notfalls halt mal nach.

Disclaimer: Bevor Sie starten, sprechen Sie bitte mir Ihrem Betreuungslehrer. Vielleicht sieht sie/er die Sache anders.

Wie viele Einwohner hat Gmünd?

Diese Frage hat jetzt weniger mit Physik zu tun, als mit einer Frage, die man sich beim Schwimmen oder in der Sonne liegen am Baggersee stellen könnte. Ohne Unterlagen. Gemeint sind nicht das Handtuch oder die Luftmatratze, sondern schriftliche Unterlagen, die einem helfen würden, diese Frage zu beantworten. Das deutet doch alles auf eine interessante Forschungsfrage hin. Die man zum Beispiel im Rahmen einer Vorwissenschaftlichen Arbeit (VWA) an österreichischen Gymnasien bearbeiten könnte.

Beispiel: Einwohnerzahl — Recherche, Beschreibung und Bewertung

  1. Frage: Wie viele Einwohner hat Gmünd?
  2. Erwartete Antwort: Zwischen 1 und 1.000.000. Es wird unterschiedliche Antworten geben.
  3. Methode: Alle Möglichkeiten der Recherche: denken, telefonieren, fragen, Bücher, Internet.
  4. Hintergrund: Gmünd ist eine menschliche Ansiedelung im nördlichen Waldviertel. Eine Siedlung hat üblicherweise mindestens einen Einwohner. Würden dort aber viele Menschen leben, wäre sie groß und bekannt. So wie Linz, Graz, Wien. Gmünd ist aber nicht allzu bekannt und wird daher unter 1.000.000 Einwohner haben. Über Telefonate, Bücher und jede beliebige Quelle im Internet werden genau wirkende Einwohnerzahlen zu finden sein. Diese Zahlen werden aber unterschiedlich sein. Welche stimmt? Wir denken nach und rufen am Gemeindeamt Gmünd an. Wir lernen, dass es das Konzept „Meldepflicht“ gibt, und jene Stelle, die die Anmeldungen der Menschen eines Ortes entgegennimmt, wird daher die „richtige“ Einwohnerzahl kennen. Ein Vergleich mit den Daten der Statistik Austria würde weitere Unterschiede zeigen, die man durch Nachfragen begründen könnte. Und woher bezieht Wikipedia ihre Zahlen? Dies wäre in der Quellenangabe sichtbar. In der Bewertung der Ergebnisse würden die Unterschiede beschrieben werden. Es würde sichtbar werden, wer der Urheber der Einwohnerzahl eines Ortes sein kann.
  5. Ausblick: Was könnte man mit den Ergebnissen der Arbeit weiter machen?
    • Unterschiede in den einzelnen Zahlenangaben begründen
    • Urheber von Einwohnerzahlen identifizieren
    • Definitionen und Methoden zum Finden einer Einwohnerzahl darstellen
    • Entwicklung von Einwohnerzahlen bei einem Urheber darstellen
    • Entwicklung der Methoden zum Finden von Einwohnerzahlen darstellen
    • Interessensgruppen im Zusammenhang Einwohnerzahlen beschreiben
    • Erfinden einer Methode, dass alle die „richtige“ Einwohnerzahl haben

Dünen unter Wasser

In einer Bucht der Donau auf der Donauinsel gibt es einen Sandstrand. In den ersten Metern unter Wasser zeigt sich dieses Bild: „Sanddünen unter Wasser.“

  1. Frage: Welche Dünen sind zu sehen
  2. Erwartete Antwort: Zwei verschiedene, mit unterschiedlichen Größen.
  3. Methode: Fotografieren, Maßstab dazulegen. Auf Papier übertragen und ausmessen. Größenverteilung darstellen.
  4. Hintergrund: Kein bekannter
  5. Ausblick: Was könnte man mit den Ergebnissen der Arbeit weiter machen?
    • Die Wellenlänge typischer Wasserwellen darüber messen und schauen, ob es einen Zusammenhang zur Größe der Muster am Grund darunter gibt.
    • Mit Sand in einem Becken und Wasser darüber versuchen, solche Dünen selbst zu erzeugen.

 

Wann bleibt Schnee liegen?

Warum liegt auf manchen Stellen Schnee? Und warum liegt an anderen Stellen kein Schnee? Offene Fragen. Suchen Sie viele mögliche Antworten, um daraus eine Theorie vom Schneeligenbleiben zu formulieren.

Schnee schmilzt, wenn er die Energie dazu erhält.

  1. Aus dem Boden
  2. Aus der Luft (dem Wind)
  3. Aus der Sonne (Strahlen)

An diesem Beispiel sehen wir alle drei Möglichkeiten Wärme zu übertragen. Wärmeleitung (1), Konvektion (2) und Strahlung (3).

Link zu einem Artikel zu dieser Thematik.

 

Was bringen Kometen?

Sie bringen vor allem Wissen. Über den Beginn des Sonnensystems. Drei Weltraumwissenschaftler erzählen über Kometen, den Staub der Kometen, und die Rosetta-Mission. Und: wie ein Komet riecht.


Foto: ESA, Link zu Episode 229 der Physikalischen Soiree. Dort kannst du die Episode downloaden. Dringend gesucht: ein Transkript (Abschrift) dieser Folge. Bitte schicken an lothar@sprechkontakt.at

Wie hoch kommst du mit einem Keks?

Du gehst Bergsteigen. Wie so oft. Im Rucksack eine Rolle Keks. Wie immer. Doch dieses Mal die Frage: Wie hoch kommst du mit einem Keks?

Worum geht es hier? Die Schwerkraft zieht uns nach unten. Wenn wir entgegen der Schwerkraft nach oben wollen, müssen wir Kraft investieren. Diese Kraft kommt aus der gespeicherten Energie unserer Muskeln. Wir arbeiten, wenn wir die Kraft entlang eines Weges entgegen der Schwerkraft investieren. Was für eine Arbeit. Diese Arbeit ist nicht verloren. Sie steckt in uns, wenn wir oben sind. Als Energie.

Begriffe: Kraft, Arbeit, Energie, potenzielle Energie.

Potenzielle Energie, genau genommen – die Energie, weil man „hoch“ ist.  Lageenergie. Woher ist sie gekommen? Na?

Genau. Aus dem Keks. 2/3 der Energie des Keks brauchen wir, um unseren Körper zu betreiben. Herz, Kreislauf, etwas Nachdenken. Gut, davon brauchen manche weniger. Hähä.

Aber ziehen wir mal 2/3 von der Energie des Keks ab. Der Rest steht uns für die Arbeit gegen die Schwerkraft zur Verfügung. Diese Energie wird zur Potenziellen Energie unseres Körpers. Und jetzt wird es ziemlich super. Es gibt eine Formel, mit der man sich die potenzielle Energie berechnen kann. Es steckt die Höhe drin. Logisch. Umgekehrt – wenn ich die Energie kenne, dann kann ich mir die Höhe ausrechnen, und das wäre dann genau die Höhe, mit der ich mit der Energie eines Keks komme.

Also zusammengefasst:

1. Berechne die Energie in einem Keks. Dazu brauchst du die Nährwerttabelle. Haben wir.

Wir nehmen die 493,4 kJ und runden der Bequemlichkeit halber auf 500 kJ. Das sind 500.000 Joule. (Kilo für 1000 und J für Joule, die Einheit für Energie).

2. Berechne ein Drittel davon – weil zwei Drittel ja der Körper für den Betrieb braucht. 500.000 Joule / 3 = 166.667 Joule.

3. Suche dir die Formel für potenzielle Energie: E = m•g•h und forme sie um, indem du durch m und g dividierst: h = E / mg. Energie E kennen wir, m ist die Masse deines Körpers, und g ist die Erdbeschleunigung, steht also für die Schwerkraft, kann man nachschlagen, g= 9,81 m/s*s. Einheiten sind hier nicht das Problem, solange wir in den Grundeinheiten kg (Kilogramm), m (Meter), s (Sekunde) und J (Joule) bleiben.

4. Einsetzen: h = 166.667 / (deine Masse * 9,81).

5. Ausrechnen. Bei mir ist m=80kg. Also h = 166.667 / (80*9,81) = 212 m.

Voila. So hoch kommst du mit einem Keks. Wenn man bedenkt, dass man sich zum Bergsteigen üblicherweise eine Rolle einsteckt, oben auf der Schutzhütte eine Würstelsuppe isst, und wieder hinuntergeht, dann passt das schon ganz gut. Experten werden wissen, dass diese Rechnung vielleicht ein bisschen viele Vereinfachungen gemacht hat – aber es geht uns hier um das Prinzip.

Und das Prinzip ist: Energie kommt aus der Nahrung (chemische Energie; ursprünglich aus der Sonne). Wir brauchen sie für den Betrieb unseres Körpers. Was überbleibt steht für Physik zur Verfügung. Man kann höher werden (Potenzielle Energie). Wie hier in diesem Beispiel. Oder man kann schneller werden (Kinetische Energie). Könnte man ausrechnen. Oder man kann Gummiringerl spannen (Elastische Energie). Oder man kann sich die Hände reiben, die warm werden (Wärmeenergie). Oder man kann einen Stein im Kreis schwingen (Rotationsenergie), oder man kann elektrische Ladungen + und – voneinander trennen, obwohl sie sich anziehen (elektrische Energie). Oder man kann Magneten voneinander trennen (magnetische Energie) Oder man kann einen Radio betreiben (elektromagnetische Energie). Das wär’s dann mal.

Das war’s? Ja. Nur noch eines: den Energieerhaltungssatz sollten wir noch einmal vor uns her sagen: „In einem abgeschlossenen System kann Energie weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie wird immer nur von einer Form in eine andere Form umgewandelt“. Muskel – Keks – Bergsteigen.

Vielleicht war der Teppich keine gute Idee?

1. Was sehen wir hier

Ein Boden. Darauf ein Teppich. Darauf mehrere Menschen. Sie stehen nicht still, sie tanzen. Wenn Sie nur auf und ab springen würden, wäre das die eine Sache. Sie tanzen aber auch zur Seite. Und das ist das Problem.

2. Was müssen wir verstehen, um zu erklären, was wir hier sehen

Reibungskraft, Trägheit, Schwerpunkt, Gleichgewicht, Cosinus.

3. Was passiert genau?

  • Der blaue Teppich liegt am Boden.
  • Die Menschen tanzen.
  • Sie tanzen auf und ab.
  • Sie tanzen zur Seite.
  • Als alle gleichzeitig zur Seite tanzen, schieben sie den Teppich weg.
  • Der Teppich kann ihren Schuhen keinen Halt mehr bieten, um sich abzustoßen – sie müssten das tun, um stehenzubleiben
  • Ihr Schwerpunkt befindet sich nicht mehr über ihren Beinen.
  • Die Beine bewegen sich mit dem Teppich zur Seite, die Masse des Körpers bleibt an Ort und Stelle.
  • Sie fallen.

4. Was wäre wenn?

  • Wäre die Reibung zwischen Teppich und Boden größer gewesen, wäre er nicht weggerutscht.  Nichts wäre passiert.
  • Hätten nicht alle gleichzeitig zur Seite getanzt, wäre die Kraft ihrer Beine nicht größer gewesen als die Reibungskraft zwischen Teppich und Boden.  Nichts wäre passiert.
  • Wären die Menschen leichter, hätten sie mit ihren Beinen weniger Kraft zur Seite ausgeführt, die Reibungskraft zwischen Teppich und Boden hätte gereicht, den Teppich ruhig zu halten. Nichts wäre passiert.

5. Noch ein Satz zur Reibungskraft: Sie entsteht, wenn sich die Oberflächen zweier Materialien verzahnen. Die Reibungskraft ist eine Kraft, die entsteht, wenn mit einer bestimmten Kraft ein Gegenstand gezogen wird. Die Reibungskraft ist gleich groß wie die Zugkraft, schaut aber entgegen und daher entsteht keine Bewegung. Wenn eine bestimmte Zugkraft überschritten wird, verzahnen sich die Materialien nicht mehr, die Reibungskraft nimmt schlagartig ab, Bewegung entsteht, und jetzt bleibt nur mehr eine geringe „Gleitreibung“, statt der ursprünglich vorhandenen „Haftreibung“. Es gibt auch noch die Rollreibung, die zwischen drehenden Räder (Kugeln/Walzen) und dem Boden ist. Wie stark die Reibungskraft zwischen zwei Materialien ist, wird durch den Reibungskoeffizienten angegeben. All das gilt für die Äußere Reibung. Es gibt auch noch die Innere Reibung, zum Beispiel zwischen Sandkörnern in Sandhaufen. Wie gut sie ist, bestimmt, wie steil ein Sandhaufen werden kann. Aber das ist eine andere Geschichte.

6. Empfehlungen: Reibungskräfte sind nicht ganz „gleichmäßig“. Nur selten nehmen sie linear zu. (Das ist das mathematisch korrekte Wort dafür). Sie sind deswegen schwer einzuschätzen und vorherzusagen.

7. Immer noch interessiert? Lies den Wikipedia Artikel zur Reibungskraft. Im Englischen gibt es das Wort „Friction“ dafür, während „Drag“ der Ausdruck für den bremsenden Effekt von Luft bei Bewegungen hat.

Wie bringt man jemanden zu Fall?

Wir sehen in obigem Video zwei physikalische Strategien, die mit einer psychologischen Strategie kombiniert sind: die Überraschung. Da Menschen üblicherweise nicht fallen, können wir davon ausgehen, dass Sie recht gut stehen oder gehen können, sprich, die Physik beherrschen, die beim Stehen oder Gehen wirkt.

Drei Phönomene stehen in Verbindung:

1. Reibung. Sie ermöglicht ein Vorankommen. Ein Stehenbleiben. Ein nicht Rutschen.

2. Gleichgewicht. Der Schwerpunkt muss überhält der Auflagefläche (Schuhe) sein, damit man nicht umfällt.

3. Bewegung: Bei der gleichförmigen Bewegung bewegt sich der Schwerpunkt gleichförmig, wöhrend die Beine (Schuhe/Auflageflächen) ständig unter dem Schwerpunkt vorangeweht werden.

Bei obiger Fiesheit wird nun die Reibung schlagartig geändert. Das Opfer kommt mit seinen Auflageflächen/Schuhen nicht mehr so schnell unter den vorangewehten Schwerpunkt, als erwartet. Durch die Überraschung konnte die Schwerpunktsbewegung nicht mehr der möglichen Auflageflächenbewegung angepasst werden.

Mann kann auch ohne Bewegung jemanden zu Fall bringen, was äußerst fies ist. Wenn jemand steht, ist er oder sie gut abgestützt gegen die Schwerkraft. Von hinten in die Kniekehlen geschubst, Knicken die Beine ein. Mit dem Überraschungseffekt kann nicht mehr rechtzeitig gegen die Schwerkraft entgegengehalten werden, das Opfer bricht zusammen, obwohl der Schwerpunkt nach wie vor über der Auflagefläche ist. Das sollten Sie niemals machen. Das ist gemein und böse.

Ein ähnliches Problem ist bei einem Erdbeben und jenen Erdbebenwellen, die die Erde nicht auf und ab, sondern vor oder zurück bewegen lässt. Häuser sind gebaut, um ihr Gewicht gegen die Schwerkraft gut nach unten abzustützen. Wenn dieses Unten bewegt wird, wird die Last nicht mehr gut abgestützt. Zusammenbruch. Für genaue und vor allem richtige Erklärungen müsste man aber mit ExpertInnen in diesem Bereich sprechen.

Noch ein Detail: es gibt zwei unterschiedliche statische Gleichgewichte. Das eine ist das stabile Gleichgewicht: wenn etwa ein Apfel in einer Glasschale liegt. Jede kleine Abwertung der Schale wird den Apfel ein wenig herumtollen lassen, aber letztendlich wird er wieder in ihrer Mitte ankommen. Und das instabile Leichgewicht: jede kleine Bewegung würde ihn aus der Mitte wegbewegen, das geht aber nur, wenn er auf der umgedrehten Schale außen liegt. Instabile Gleichgewichte sind auch bei stehenden Menschen zu finden oder beim Bslanzieren eines Besenstiels auf dem Finger oder selbst beim Fahrradfahren. Dafür gibt es hier eine eigene Frage.

Wie schnell kann man auf eine automatische Schiebetüre zulaufen?

Was sehen Sie? Versuchen Sie das Geachehen am Video zu beschreiben. Beschreiben Sie dann das physikalische Problem. Wir probieren das mal gemeinsam aus:

Eine automatische Schiebetüre ist üblicherweise geschlossen. Sie beginnt sich zu öffnen, wenn sie eine Bewegung bemerkt Damit nicht jeder Passant auf der anderen Straßenseite die Tür öffnet, sind ihre Sensoren auf eine bestimmte Entfernung eingestellt. Wenn jemand diese Entfernung unterschreitet, wird das Signal zum Öffnen gegeben. Dieses Öffnen dauert ein wenig. Somit haben wir zwei Geschwindigkeiten, die das Geschehen bestimmen. Wie schnell geht jemand vom Auslösepunkt zur Tür. Wie schnell ändert sie ihre Öffnung von Geschlossen zu „breit genuger Spalt zum Durchgehen“.

Am besten wir probieren das mit konkreten Zahlenwerten aus, die wir einfach einmal annehmen, wie wir sie vermuten.

1. Die automatische Türe braucht eine Sekunde, um zu öffnen.
2. Der Auslösepunkt ist einen Meter vor der Türe.

Wir wissen: Geschwindigkeit=Weg/Zeit. Wir haben 1 Sekunde Zeit, um den einen Meter zur Tür zurückzulegen. Mit einer Geschwindigkeit von 1 m/1s geht sich das aus. Da sind umgerechnet 3,6 km/h (Umrechnung m/s auf km/h dich Nachdenken oder Faustregel „*3,6“) Das ist Gehgesvhwinfigkeit. Langsamer geht auch. Aber sicher nicht schneller. Was obiges Video zeigt.

Frage: Wie weit muss denn der Auslösepunkt der Tür gewählt mit man sie, wie im Video sichtbar ist, laufend zurückgelegt werden kann? Machen Sie eine Annahme für seine Geschwindigkeit und bestimmen Sie den Weg, der zur Verfügung stehen muss, um ihn in einer Sekunde zurückzulegen. Dazu formen Sie die Geschwindigkeitsformel Geschwindigkeit=Weg/Zeit auf Weg=… um.

Wie schnell fliegt man im Kreis?

 

Was bedeutet „Schnelligkeit“? Wir sagen auch Geschwindigkeit für Schnelligkeit. Aber egal, wie man sagt, bei der Bewegung im Kreis gibt es zwei verschiedenen Antworten, die im obigen Video gut zu sehen sind.

1. Der Bagger dreht sich. Er schafft eine Umdrehung in einer bestimmten Zeit. 360 Grad in einer bestimmten Zeit. Wenn mit Geschwindigkeit die Anzahl der Grad pro Sekunde gemeint ist, dann sprechen wir von Winkelgeschwindigkeit. Omega=phi/t (Winkelgeschwindigkeit ist Winkel/Zeit).

2. Der Wasserschifahrer dreht sich. Er schafft den Umfang des Kreises mit dem Bagger als Zentrum in einer bestimmten Zeit. Der Umfang ist ein Weg, den man mit U=2*pi*Radius berechnen kann. Wenn mit Geschwindigkeit den zurückgelegten Weg pro Sekunde gemeint ist, dann sprechen wir von Bahngeschwindigkeot. v=s/t (Bahngeschwindigkeit ist Weg/Zeit).

Jetzt gibt es einen bemerkenswerten Unterschied. Die gleiche Winkelgeschwindkeit (der Bagger dreht sich halt einmal) kann je nach Seillänge eine unterschiedliche Bahngeschwindigkeit ergeben. Verdoppeln Sie in Gedanken einfach mal die Seillänge und lassen Sie den Bagger genau so weiter drehen. Da muss der Wasserschifahrer schon schneller werden, um herum zu kommen.

Genau darin liegt der Spaß der Sache in obigem Video. Übrigens auch der Baggerahrer hat eine Bahngeschwindigkeit, die ist aber gering, weil er Nähe am Zentrum sitzt.

Jetzt brauchen wir nur noch einen mathematischen Zusammenhang, der Winkelgeschwindigkeit und Bahngeschwindigkeit in Verbindung bringt: v=r*Omega

Übrigens: die Bahngeschwindigkeit ist eine vektorielle Größe. Sie hat einen Betrag und eine Richtung. Den Betrag kann man mit obiger Formel ausrechnen, die Richtung ist tangential zur Kreisbewegung, sprich: in die Richtung, in die der Wasserschifahrer fahren würde, wenn das Seil reißt.

Und: auch die Winkelgeschwindigkeit ist eine vektorielle Größe. Ihr Betrag ist mit obiger Formel für Omega zu berechnen, ihre Richtung wird in Richtung der Drehachse definiert – also senkrecht auf den Bagger drauf.

Und noch was: die Beschleunigung ist bei der Kreisbewegung ebenso eine vektorielle Größe. Egal wie ihr Betrag nun berechnet wird – die Richtung der Beschleunigung zeigt Richtung Zentrum. Sie wird durch die Zentripetalkraft (Bagger zieht nach innen) gebildet, der Schifahrer fühlt sich nach außen gezogen (was er Zentrifugalkraft nennt, wenn er sich in Physik ein bisschen auskennt).

Wann ist ein Helm sinnvoll?

Helme haben eine klare Aufgabe. Sie schützen den Kopf. Daher könnte die Antwort lauten: Ein Helm ist immer sinnvoll. Wenn das aber so wäre, wären wir schon mit einem Helm zur Welt zu kommen.

Wann können wir also den Helm weglassen?

Immer dann, wenn ein Gegenstand und der Kopf sich begegnen können, gibt es mehrere Möglichkeiten. Sie unterscheiden sich in der Frage, wer sich bewegt.

1. Kopf & Helm in Ruhe. Gegenstand in Ruhe. Kein Helm notwendig.
2. Kopf & Helm in Bewegung. Gegenstand in Ruhe. Helm sinnvoll.
3. Kopf & Helm in Ruhe. Gegenstand in Bewegung. Helm sinnvoll.
4. Kopf, Helm und Gegenstand in Ruhe. Helm sinnvoll.

Die Chancen stehen also 1 : 3, dass ein Helm sinnvoll ist.

Was macht der Helm? Er schützt. Wovor? Vor Kraft. Was macht er noch? Er baut Energie ab. Die Energie der Bewegung wird beim Aufprall in Verformung investiert. Besser der Helm verformt sich, als der Kopf.

Mit der Kraft ist es so: Je kürzer die Zeit ist, in der eine Bewegung auf Stillstand abgebremst wird, desto größer ist die Kraft, die dabei frei wird. Es braucht ja umgekehrt auch mehr Kraft, etwas in kurzer Zeit schnell zu machen. Kurze Zeit, viel Kraft. Große Beschleunigungen sind bei viel Kraft möglich. Schneller werden oder bremsen, beides braucht Kraft.

Und jetzt kommt der Helm ins Spiel. Er schafft uns etwas Zeit. Bei einem Aufprall auf Beton wird der Kopf in kürzester Zeit abgebremst. Große negative Beschleunigung (Bremsung), große Kraft auf den Kopf. Zu viel. Kopf tot.

Mit Helm kann sich der Kopf in der Polsterung ein wenig Zeit für das Abbremsen gönnen. Es wird weicher. Mehr Zeit. Geringere negative Beschleunigung, geringere Kraft. Kopf lebt.

Hinweis: Die Geschwindigkeiten sind bei Verletzungen dabei nicht unbedingt das Hauptproblem. Ein Zug, der vor einigen Jahren mit wenigen km/h auf einen Prellbock auffuhr, sorgte für große Verletzungen, weil Menschen schon an den Ausgängen standen und in kürzester Zeit – durch die Wand auf Null abgebremst wurden. Hohe negative Beschleunigung. Hohe Kraft. Gepolsterte Wände hätten mehr Zeit gegeben. Es ist aber klar, dass bei höheren Geschwindigkeiten die Beschleunigungskräfte beim Abbremsen üblicherweise höher sind.

Was ist jetzt mit dem Tier auf dem Darwin Video (oben)? Bei einem Auffahrunfall wären die Menschen am Motorrad durchaus geschützt. Sie würden auf das (weiche) Tier prallen, die Kräfte der negativen Beschleunigung wären geringer als ohne das Tier.

Physikalischer Hintergrund: Trägheitsgesetz (1. Newtonsches Axiom) – Ein Körper bleibt im Zustand der Bewegung, oder im Zustand der Bewegung, wenn es keinen Grund gibt, das zu ändern. Dieser Grund kann eine Kraft sein (2. Newtonsches Axiom) – es gilt der Zusammenhang: F=m*a (Kraft=Masse*Beschleunigung)

Wo ist der Unterschied

  1. Sterne sind Lichtpunkte am Himmel
  2. Sterne werden als Lichtpunkte am Himmel wahrgenommen.

Zwei sehr ähnliche Formulierungen. Doch im Unterschied liegt eine ganze Welt. Welche?


Wie lange braucht eine heiße Tasse Tee zum Abkühlen und wovon hängt das ab? Mehr dazu…

Disclaimer: Die Inhalte dieser Website haben teilweise noch echte Fehler. Sie entstehen in verschiedenen Schulprojekten und werden von Menschen unterschiedlichen Wissensstands parallel erarbeitet. Bitte um besondere Vorsicht, wenn du die Inhalte ungeprüft verwenden möchtest. Solltest du einen Fehler finden, danken wir für ein Mail an fehler@phyx.at

Tee kühlen, aber richtig

Illustration: Messen wie der Tee kühlt

(c) Stefan Torreiter

Achtung Wissenschaft

Disclaimer

Die Inhalte dieser Website haben teilweise noch echte Fehler. Sie entstehen in verschiedenen Schulprojekten und werden von Menschen unterschiedlichen Wissensstands parallel erarbeitet. Bitte um besondere Vorsicht, wenn du die Inhalte ungeprüft verwenden möchtest. Solltest du einen Fehler finden, danken wir für ein Mail an fehler@phyx.at

RSS Die Physikalische Soiree

  • PHS231 – Pharma! Weiterbildung für Ärzte
    Karl Altenhuber ist Präsident von EIMSED, dem "European Institute for Medical & Scientific Education". Dieses Institut veranstaltet Weiterbildung für Ärzte, es vermittelt zwischen den Wünschen der Pharmaindustrie, den Ärzten, dem Gesetz und den Patienten. Im Gespräch erfahren wir von seiner Arbeit, seinem Hintergrund und einer ganzen Welt, die uns sonst nicht allzu einsehbar ist. Link: […]
  • PHS230 Lastenradlogistik
    Alexandra Anderluh, Vera Hemmelmayr und Pamela Nolz sprechen über die Verteilung von Gütern in der Stadt mit Hilfe von Lastenrädern.
  • PHS229 Kometen – Wissenschaft erzählt
    Die Astrophysiker Wolfgang Baumjohann, Günter Kargl und Mark Bentley vom Grazer Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sprechen über wiederkehrende Himmelskörper. Episoden-Foto: Rosetta’s OSIRIS narrow-angle camera captured this image of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko at 01:20 GMT from an altitude of about 16 km above the surface during the spacecraft’s final descent on 30 September. […]
  • PHS228 Intelligente Erdbauwalzen
    Was auf Entfernung wie eine einfache Straßenwalze aussieht, ist ein ganzes Konzept. Der Wunsch, Boden zu verdichten. Der Geotechniker Johannes Pistrol hat seine Dissertation über oszillierende Erdbauwalzen geschrieben. Sie misst während ihrer Arbeit gleichzeitig die Verhältnisse im Boden. Ziel der Forschung ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge und letztlich auch verringerter Verschleiß. Johannes erzählt, worauf […]
  • PHS227 – Ein Preis, ein Preis: Physik und die Kunst der Vermittlung
    Leo Ludick hat sich gemeldet. Er ist der wissenschaftliche Leiter von WELIOS, dem Science Museum in Wels. Und er ist Sexl-Preisträger. Er würde gerne eine Episode der Physikalischen Soiree machen, und zwar mit mir. Völlig ungewohnt für mich, die andere Seite, aber Leo hat mit viel Geschick und guter Vorbereitung es geschafft, mir einige Sachen […]
  • PHS226 Erdrutsch
    In Pressemeldungen liest oder hört man immer wieder vom "Erdrutschsieg". Was genau ein Erdrutsch ist, und was seine Besonderheiten sind, erzählt in dieser Ausgabe der Physikalischen Soiree Michael Lotter von der Bundesanstalt für Geologie in Wien. Ausschnitte aus disem Gespräch wurden im ORF Österreich 1 Radioprogramm "Moment – Leben heute" am 21.09.2016 als "Wort der […]
  • PHS225 Entwicklungsbiologie und Körperachsen
    Der Entwicklungsbiologe Ulrich Technau vom Department für Molekulare Evolution und Entwicklung spricht über die Ergebnisse der Forschung mit Seeanemonen und gibt einen Einblick in Arbeitsweisen und Überlegungen der Entwicklungsbiologie auf molekularer Ebene vor dem Hintergrund der Evolution.
  • PHS224 Erdgeschichten
    Erdgeschichten werden von Paläontologen und Geologen erzählt. Erdwissenschaft. Erdwissenschaftler lassen eine lange vergangene Landschaft wieder aufstehen. Thomas Hofmann und Mathias Harzhauser erzählen von ihrer Suche nach der Geschichte der Mammuts vor dem Wiener Stefansdom. Wir erfahren viel über die Arbeit in der Paläontologen und Geologen und warum sie forschen. Und Ihre Mühe, die Erkenntnise weiterzugeben.
  • PHS223 Phänomen Licht
    Lutz-Helmut Schön spricht über Licht, das uns durch Phänomene zugänglich wird. Wer Physik unterrichtet, wird diese Phänomene gemeinsam mit den Schüler/innen erforschen, um zu verstehen, wie das Licht ist, und gar nicht unbedingt, was es denn ist. Eine Physikalische Soiree mit Schwerpunkt Physikvermittlung und Didaktik.
  • PHS222 Schallforschung
    Peter Balazs ist Schallforscher. Im Gespräch erzählt er über "Neugiergetriebene Grundlagenforschung" am Institut für Schallforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Anlässlich des Internationalen "Tag gegen Lärm 2016". Link: http://www.laerminfo.at/massnahmen/tag_gegen_laerm.html

RSS Wissen auf die Ohren

RSS Aula auf die Ohren