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Wissenschaft

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

Fahrrad auf der Rolltreppe

Fahrräder dürfen Sie in Wien auch in U-Bahnen mitnehmen. Diese Fahrräder dürfen aber nicht auf der Rolltreppe transportiert werden.

Auszug aus den Beförderungsbedingungen der Wiener Linien:

Fahrtreppen (auch stillstehende) dürfen mit Fahrrädern nicht benützt werden.

Zwei Freunde nehmen ihre zwei Fahrräder auf der Rolltreppe trotzdem mit. Sie stehen mit ihren Rädern hintereinander auf der Rolltreppe und lassen zwischen ihren Rädern fünf Stufen frei.

Problem: Im Landebereich der Rolltreppe verkeilt sich ein Fahrrad.

Frage: Wie lange hat ein außenstehender Beobachter Zeit, den Not-Aus-Knopf für die Rolltreppe zu betätigen, bevor das zweite Fahrrad sich mit dem ersten Fahrrad im Landungsbereich verkeilt?


Übungen zu diesem Text:

  1. Was ist eine Fahrtreppe? Was ist eine Rolltreppe? Fertigen Sie ein Vokabelverzeichnis für dieses Problem an.
  2. Zeichnen Sie eine Skizze der Situation.
  3. Konnten Sie die Bewegung in dieser Skizze festhalten?
  4. Wissen Sie, wie man ein Fahrrad zeichnet? Probieren Sie den Start mit zwei Dreiecken nebeneinander.
  5. Welche Annahme machen Sie über die Geschwindigkeit der Rolltreppe?
  6. Was ist eine Annahme?
  7. Wie lautet die Formel für die Geschwindigkeit?
  8. Was sagt die Geschwindigkeit der Rolltreppe über ihre Bewegung aus?
  9. Zurück zur eigentlichen Frage: Wie lange hat ein außenstehender Beobachter Zeit, den Not-Aus-Knopf für die Rolltreppe zu betätigen, bevor das zweite Fahrrad sich mit dem ersten Fahrrad im Landungsbereich verkeilt?
  10. Welche Empfehlungen geben Sie für Reisende mit Fahrrädern im U-Bahn-Bereich?

Weiterführende Links:

  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Rolltreppe (Deutsch)
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Escalator (Englisch)

Was man mit diesem Beispiel lernen kann:

  1. Einen Sachverhalt aus einem Text erkennen
  2. Eine Skizze anfertigen: von einer Rolltreppe, von einem Fahrrad
  3. Mehrere Worte für ein und das selbe Ding verwenden
  4. Die wichtigsten Begriffe auch auf Englisch sagen
  5. Die Geschwindigkeitsformel finden
  6. Erkennen, was diese Geschwindigkeitsformel aussagt
  7. Die Verbindung zwischen Zeit und Weg machen
  8. Eine fundierte Annahme machen
  9. Eine Verbindung zwischen einem physikalischen Problem und einem Verbot machen
  10. Die Bedeutung der Problemstellung als generelle Empfehlung erweitern

Problemelösen

Michael Müller: Ideenfindung, Problemlösen, Innovation. Publicis Verlag Erlangen, 2011

… 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.

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.

Alles das gleiche?

Leistung, Energie, die Kraft und Arbeit. Alles das gleiche?

No way. Wir unterscheiden ganz genau. Am besten an einem Beispiel. Drei Bücher liegen am Boden. Sie gehören zurück ins Regal.

Um die Bücher zu heben, brauchen wir Kraft. „Yeah“. Das spüren wir in den Muskeln. Die Kraft beschleunigt die Bücher, damit wir sie hochheben können, gegen die Schwerkraft. Die Kombination aus Kraft und Weg bezeichnen wir als „Ächz“. Und das ist Arbeit. Diese Arbeit steckt dann auch wirklich in den Büchern, wenn sie im Regal stehen. Sie ist nicht verloren und heißt dann ganz einfach Energie. Sie wird frei, wenn die Bücher wieder zu Boden fallen. „Au“.

Das war’s?

Fast. Wenn zusätzlich die Zeit eine Rolle spielt, in der wir die Bücher heben, dann heißt das Leistung. Je schneller wir diese Arbeit schaffen, desto größer ist die Leistung. Und das heißt: „Wow“. Leistung ist Energieumsatz pro Zeit.

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.


Photo by MUILLU on Unsplash

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.

[podloveaudio src=“http://www.physikalischesoiree.at/audio/phs229.mp3″ duration=“31:15″ title=“Physikalische Soiree – Kometen“]
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.

Was muss man beim Tanzen auf einem Teppich beachten?

Wenn Sie auf einem Teppich tanzen, können Sie den Teppich wegschieben, wenn Sie ihre beiden Beine beim Landen zur selben Seite drücken. Da kann es sein, dass Sie stürzen.

1. Wie könnte das aussehen?

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 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?

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?


 
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 Gehgeschwindigkeit. Langsamer geht auch. Aber sicher nicht schneller. Wer schneller geht, stößt gegen die geschlossene Tür.

Frage: Wie weit muss denn der Auslösepunkt der Tür gewählt werden, damit man auf sie zulaufen 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.

Fortgeschritten: Analysieren Sie verschiedene Türen, die Sie suchen. Oder die Sie im Video finden. Das wäre auch ein Forschungsgegenstand für eine vorwissenschaftliche Arbeit.

Wie schnell fliegt man im Kreis?

Was bedeutet „Schnelligkeit“, wenn es um eine Kreisbewegung geht? Etwas wird im Kreis herum geschleudert?

Wir sagen auch Geschwindigkeit für Schnelligkeit. Aber egal, wie man sagt, bei der Bewegung im Kreis gibt es zwei verschiedenen Antworten, die bei einem Karussell gut zu sehen sind.

1. Das Karussell 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. Wenn jemand im Sitz des Karussells sitzt, schafft diese Person ein Umfang des Kreises 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 (das Karussell dreht sich einmal) kann je nach Seillänge eine unterschiedliche Bahngeschwindigkeit ergeben. Verdoppeln Sie in Gedanken einfach mal die Seillänge und lassen Sie das Karussell genau so weiter drehen. Die Bahngeschwindigkeit wird höher – um das Doppelte.

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 die Person weiterfliegen 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 das Karussell.

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 (Seil zieht nach innen) gebildet, der Passagier am Karussell fühlt sich nach außen gezogen (was sie Zentrifugalkraft nennt, wenn sie sich in Physik ein bisschen auskennt).


Photo by Ethan Hoover on Unsplash

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 Bewegung. 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 – Schäden entstehen.

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. Geringe Schäden, wenn überhaupt.

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.

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)


Photo by Nathon Oski on Unsplash


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

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    Über die Bedeutung von Biodiversität und die Vielfalt der Insekten spreche ich mit Konrad Fiedler. Er ist Leiter des Departments für Botanik und Biodiversitätsforschung der Universität Wien.
  • Das Geodreieck
    Fast jeder hat damit Erfahrungen gemacht. Für die einen einfach praktisch – für die anderen mehr als das, durch die eingezeichneten Winkel eröffnete sich eine Welt. Und trotz Mathematikunterrichts, der vielen nicht so viel Freude machte, erhält dieses Hilfsmittel des Lernens viel Sympathie. Nach wie vor und hoffentlich ganz ungebrochen: Das Geodreieck. Besuch in Wörgl […]
  • Der Boden
    Mit der Umwelthistorikerin Verena Winiwarter im Gespräch über Umweltgeschichte. Im Speziellen: über den Boden. Was ihn ausmacht. Wie sich das im Laufe der Geschichte geändert hat. Ursprünglich hat Verena Winiwarter die Ausbildung zur technischen Chemikerin gemacht, sie studierte dann Geschichte und Publizistik. Umweltgeschichte wurde zu ihrem Arbeits- und Forschungsschwerpunkt. Wir sprechen über: Wie war das […]
  • Umweltverträglichkeitsprüfung
    Verwaltung, Wissenschaft und Planung: Karin Hiltgartner vom Department für Raumplanung der TU Wien spricht über die Herausforderung, Umwelt, Menschen, Recht und Projekte unter einen Hut zu bekommen. Es geht in dieser Episode um die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP). Am 19. Juni hat dazu ein Fokustag in Wien stattgefunden. Spannend dabei: das Thema Partizipation und kritisches Denken, darüber […]
  • Landschaftsarchitektur
    An der Universität für Bodenkultur in Wien wurde ein Archiv für Landschaftsarchitektur eingerichtet. Was ist eigentlich Landschaftsarchitektur – und was leistet ein Archiv zu diesem Thema? Gesprächspartner/innen: Lilli Lička, Universität für Bodenkultur Wien, Department für Raum, Landschaft & Infrastruktur, Leiterin des Instituts für Landschaftsarchitektur. Link: http://www.rali.boku.ac.at/ila/personen/lilli-licka/ Wissenschaftliche Mitarbeiter/in bzw. Mitarbeiter im Archiv: Ulrike Krippner: http://www.rali.boku.ac.at/ila/personen/ulrike-krippner/ Roland Tusch: http://www.rali.boku.ac.at/ila/personen/roland-tusch/ […]
  • Schnee
    Zu Gast: Johann Kneihs. Er arbeitet an einer Radiosendung zum Thema Schnee. In diesem Gespräch versuchen wir gemeinsam herauszufinden, was an Schnee spannend ist, und wir legen auch mal auf den Tisch, was Grundlagenforschung zu dieser besonders schönen Art der Kristallisation von Wasser weiß. Ein schneller Einblick, eine schöne Runde, in der sich Kultur und […]
  • Voodoo
    Yvonne Schaffler ist Sozialanthropologin. Sie forscht in der Dominikanischen Republik an "Ritualen der Besessenheit". Was das bedeutet, besprechen wir in dieser Ausgabe der Physikalischen Soiree.