Physikalische Soiree | Wissen

Kategorie: Basics

  • Bewegung und Geschwindigkeit

    Der Stillstand ist einfach. Ein Objekt bewegt sich nicht. Seine Geschwindigkeit ist Null. Wichtig ist dabei, dass diese Ruhe nur im Vergleich zu etwas anderem festgestellt werden kann. Im Vergleich zum Bahnsteig bewegt sich jemand nicht, wenn er still steht.

    Aber der Zug … der bewegt sich im Vergleich zum Bahnsteig. Seine Geschwindigkeit ist groß. Wichtig ist dabei, dass diese Bewegung nur im Vergleich zu etwas anderem festgestellt werden kann. Im Vergleich zum Bahnsteig bewegt er sich.

    Geschwindigkeit ist Wegänderung / Zeitänderung. Zwei Stunden brauchst du nach St. Pölten, das 70 km entfernt ist? Die Geschwindigkeit ist 70 km / 2 h, also 35 km/h. Üblicherweise wird in der Physik mit Metern und Sekunden als Grundeinheit gerechnet, die Geschwindigkeit gibt man in der Physik daher in der Einheit Meter / Sekunde an (m/s). Man kann aber diese Einheiten leicht umrechnen (nachdenken reicht dazu, man braucht keine extra Formel für diese Umrechnung).

    Der Bahnsteig, das ist das so genannte Bezugssystem. Wichtig ist dabei, dass dieses Bezugssystem selbst ruhig sein muss, oder zumindest in gleichförmiger Bewegung. Man kann also sehr wohl Ruhe und Geschwindigkeiten auch im Bezug zum Fußboden im fahrenden Zug angeben. Dann ist halt der gleichförmig fahrende Zug das Bezugssystem. (Es heißt „Intertialsystem“).

    Richtig arg wird es, wenn das Bezugssystem beschleunigt wird. Wenn es seine Geschwindigkeit ändert. Das passiert sogar, wenn es in die Kurve fährt. Da ändert sich die Geschwindigkeit der Richtung nach. Es ist dann kein Inertialsystem mehr und es treten so genannte „Scheinkräfte“ auf. Ein Beispiel: Das Auto fährt in die Kurve und du wirst an die Wand des Autos gedrückt. Diese Scheinkraft nennt man „Fliehkraft“, du merkst sie, weil dein Körper eigentlich geradeausweiter muss, während das Auto in die Kurve fährt.

    Jetzt halten wir nur noch kurz fest: Wenn sich Geschwindigkeiten ändern, sprechen wir von Beschleunigung. Beschleunigungen brauchen immer eine Ursache – und das ist die Kraft. So ist die Kraft auch definiert. Kraft ist Masse • Beschleunigung. Dieses Gesetz heißt „2. Newtonsches Axiom“, und wenn du fragst, was ist mit dem „1. Newtonschen Axiom“, das verstehst du leicht: wenn es keine Kraft gibt, dann ändert sich die Geschwindigkeit nicht.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Geschwindigkeit

  • Grundkräfte des Universums

    Grundkräfte des Universums

    Wir erkennen vier bis fünf Grundkräfte des Universums. Sie haben sich seit dem Urknall herausgebildet.

    1. Gravitation. Sie wirkt zwischen Massen.
    2. Elektrische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „elektrische Ladung“.
    3. Magnetische Kraft. Sie wirkt zwischen Teilchen mit der Eigenschaft „magnetisch“.
    4. Starke Wechselwirkung. Sie hält in Protonen und Neutronen die Quarks zusammen, aus denen sie bestehen.
    5. Schwache Wechselwirkung. Sie spielt eine Rolle bei einer Art des radioaktiven Zerfalls. Zusammenhang mit Neutrinos.

    Die 2. und 3. Kraft wird oft als „elektromagnetische Kraft“ zusammengefasst. Dann wären es insgesamt vier Grundkräfte, von denen man spricht.

    Kräfte werden auch als Wechselwirkungen bezeichnet. Dieses Thema wird also auch als „fundamentale Wechselwirkungen“ beschrieben. Übrigens: Kräfte sind Erscheinungen, die die Geschwindigkeiten von Körpern verändern können.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Fundamentale_Wechselwirkung

  • Newton’sche Axiome

    Isaac Newton hat drei Aussagen über Kräfte gemacht, die als Newton’sche Axiome bezeichnet werden. Kräfte sind übrigens jene „Erscheinungen“, die Geschwindigkeiten verändern können. Die also Beschleunigungen hervorrufen können.

    1. Wenn es keine Kraft gibt, bleibt ein Körper ruhig oder in gleichförmiger Bewegung.
    2. Wenn es eine Kraft gibt, wird ein Körper beschleunigt. Je nachdem, welche Masse er hat, unterschiedlich stark.
    3. Wenn dich wer schlägt, schmerzt es die schlagende Person genau so. Kraft ist gleich Gegenkraft.

    Klar ist das physikalisch ein wenig anders formuliert, als „Formel“. Die schlägst du am besten nach.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze

  • Eigenschaften der Masse

    Eigenschaften der Masse

    Sie begegnen einer Masse im Supermarkt. Und sagen „Hallo“. Wie erkennen Sie, dass eine Masse vor Ihnen steht? Anders gefragt? Was sind die Eigenschaften einer Masse? Wenn Licht vor Ihnen steht, ist das keine Masse. Mhm. Andere Eigenschaften. Nochmals: was sind die Eigenschaften einer Masse?

    1. Eine Masse ist träge. Wenn Sie anstoßen, bleibt sie erst mal stehen und sie tun sich weh an ihr. Erst mit etwas Verzögerung weicht sie zurück, wenn hinter ihr Platz ist. Anderes Experiment: Sie werfen eine Orange in die Luft und zerschlagen/zerschneiden sie mit einem Messer in der Luft. Achtung, aufpassen. Aber in der Zeit, wo das Messer durch die Orange zischt, bleibt sie mal an der Stelle in der Luft. Sie ist träge. Erst dann fällt sie auseinander.
    2. Eine Masse ist schwer. Wenn Sie sie auf die Waage legen, zeigt diese etwas an. Und zwar, wie schwer sie genau ist. Massen reagieren also auf Schwerkraft. Die Waage funktioniert ja genau deswegen, sie zeigt an, wie sehr die Masse von der Erde angezogen wird – wie schwer sie ist.

    Es war gar nicht so leicht, zu zeigen, dass die „träge Masse“ gleich der „schweren Masse“ ist, dass also für ein Objekt die beiden Massewerte (in kg) übereinstimmen müssen.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Masse_(Physik)

  • Gravitationswellen (Weiss/Barish/Thorne)

    Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit – in „Zeit und Raum“. Man kann sich das vorstellen, wie bei elektromagnetischen Wellen (Licht, Radio, Gammstrahlen etc.): Wenn ein Elektron beschleunigt wird, strahlt es elektromagnetische Wellen ab. In einer Antenne passiert das. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Es müssen große Massen sein, die beschleunigt werden, damit Gravitationswellen messbar werden, zum Beispiel, wenn Schwarze Löcher kollidieren (zusammenstoßen). Es geht bei diesem Thema auch um die Frage, ob die Gravitation im ganzen Universum „sofort“ spürbar ist, oder ob sie sich ausbreitet, so wie das Licht. Letzteres ist der Fall.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationswelle

  • Neutrinooszillationen (Kajita/McDonald)

    Neutrinos sind Elementarteilchen, elektrisch neutral, mit sehr geringer Masse. Sie entstehen bei Umwandlungen von Elementarteilchen, zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall (beim Beta-Zerfall). Diese Teilchen sind wichtig, weil die Gesamtbilanz von Erhaltungsgrößen nicht stimmen würde. Man kann sich das so vorstellen wie bei einer Schachtel Süßigkeiten. Wenn immer die Gummibärlis fehlen, sie aber niemand im Raum gegessen hat, muss es „etwas“ geben, das sie gegessen hat. Auch wenn man dieses „Etwas“ nicht wahrnimmt. Bei den Neutrinos ist es ähnlich, die Wahrnehmung wäre durch die „schwache Wechselwirkung“ möglich. Große Detektoranlagen können Neutrinos wahrnehmen/messen. Es gibt verschiedene Arten von Neutrinos – und Neutrinos können ihre Art wechseln, das wird „Neutrinooszillation“ genannt.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutrino

  • Higgs-Teilchen (Englert/Higgs)

    Das Higgs-Teilchen ist ein Elementarteilchen, nach dem lange gesucht wurde. Bei Experimenten in einem Elementarteilchenbeschleuniger (CERN) wurde es gefunden. Man sagt: Higgs-Teilchen sind Elementarteilchen, die der Materie Masse verleihen. Das ist eine recht schnelle Formulierung. Warum war es schwierig, das Higgs-Teilchen zu finden? Es sind bei den Experimenten hohe Energien nötig, das Higgs-Teilchen zerfällt rasch, und man kann es nicht einfach so „sehen“, man kann es finden, indem man Daten statistisch analysiert.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Higgs-Boson

  • Beschleunigte Expansion des Universums (Perlmutter/Schmidt/Riess)

    Das Universum ist im Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Seither dehnt es sich aus. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung nimmt aber zu. Man spricht von der „beschleunigten Expansion des Universums“. Das Ganze muss man natürlich erklären. Dazu wurde das Konzept „Dunkle Energie“ eingeführt. Wenn es diese „dunkle Energie“ gibt, dann stimmt die Beobachtung mit der Theorie überein. Dafür gab es 2011 den Physik-Nobelpreis für die Astrophysiker Perlmutter, Schmidt und Riess.

    Hier stehen die Details sehr schön beschrieben: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/news/2011/nobelpreis-fuer-physik-2011-geht-an-perlmutter-schmidt-und-riess/

  • Graphen (Geim/Novoselov)

    Kohlenstoff. Dieses Element kann in zwei bekannten Erscheinungsformen vorkommen: als Graphit (schwarz, weich) und als Diamant (hart, durchsichtig). Es gibt aber auch noch eine dritte Erscheinungsform – Graphen. In Schichten. Für grundlegende Forschung dazu haben Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Physik-Nobelpreis erhalten.

    Hier gibt es einen guten Übersichtsartikel dazu: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2010/physik-nobelpreis-an-andre-geim-und-konstantin-novoselov-fuer-die-arbeit-zu-graphen/

  • Bose-Einstein-Kondensat (Kettele/Cornell/Wiemann)

    Normalerweise können wir Teilchen unterscheiden, auch wenn sie gleich aussehen. Wir könnten sie nummerieren, weil wir sie unterscheiden können. Diese Teilchen bilden sogenannte Aggregatszustände: wir kennen alle „flüssig“, „fest“, „gasförmig“, es gibt aber noch andere. Das Bose-Einstein-Kondensat ist nun ein spezieller Aggregatszustand, in dem die beteiligten Teilchen ununterscheidbar sind, weil sie alle die gleichen Merkmale haben, wir sprechen von „gleichen quantenphysikalischen Zuständen“.

    Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bose-Einstein-Kondensat