Es gibt drei grundsätzliche Energieformen, die beim Radfahren ins Spiel kommen. Besonders beim Bergauffahren.
1) Potenzielle Energie. Du und dein Rad habt eine Masse, die am Berg oben mehr potenzielle Energie hat. Aufgrund der Höhendifferenz.
2) Kinetische Energie. Du und dein Rad habt eine Masse und eine Geschwindigkeit, die ihr erreichen wollt, damit ihr vorwärts kommt. Das Fahrrad muss beschleunigt werden. Die Energie aufgrund der Geschwindigkeit heißt kinetische Energie.
3) Reibung. Reifen auf Boden. Kette auf Zahnrad. All das geht nicht reibungslos, hier verschwindet Energie, die sich letztlich in einer Temperaturerhöhung bemerkbar macht. Reibungsenergie muss zugeführt werden, damit nicht alles stehenbleibt.
Jede der drei Energieformen muss irgendwo herkommen. Beim normalen Fahrrad ist das dein Körper. Deine Muskeln. Deine Nahrung. Und es ist gar nicht wenig, was man da braucht. Auf eine bestimmte Zeiteinheit gerechnet (in einer Sekunde, in einer Minute, in einer Stunde) sprechen wir auch von Leistung. Gleiche Energie in geringer Zeit eingesetzt – höhere Leistung.
Beim Elektrorad haben wir die Energie im Akku. Was für eine Erleichterung. Wir müssen nur ein wenig mittreten. Die Energie im Akku “macht das Fahrrad hoch”. Sie macht das Fahrrad schnell. Sie hält das Fahrrad schnell.
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.
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
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.
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.
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.
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).
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)
Hinweis: Es gibt aber auch noch einen anderen Grund, warum ein Helm sinnvoll ist: Reibung zwischen Straße und Kopf kann gefährliche Verletzungen verursachen. Schauen Sie sich doch den folgenden Tweet an.
Wissenschaft ist in der Lage Glauben von Wissen zu trennen. Es ist dabei gar nicht die Frage, was besser ist, denn beides hat seine Berechtigung. Wichtig ist, dass man weiß, wo die Grenze ist. Der Philosoph René Descartes hat im 17. Jahrhundert diese Grenze formuliert.
Vier Kriterien, macht die Wissenschaft zur “Marke”, so wie Bio-Essen und geprüfte Betriebsabläufe die Ja natürlich von Billa definieren, oder das Selbstzusammenschrauben die Marke Do-it-yourself.
Bei Vollmond ist die Rundheit des Mondes in allen fehlenden Details sichtbar: was fehlt, sind Ecken und Kanten. Er ist rund. Nicht nur der Mond, sondern alle anderen “vernünftigen” Himmelskörpern. Warum das so ist, könnte jeder beantworten, der schon einmal eine Kugel aus Knetwachs geformt hat.
Die Energie ist gespeicherte Arbeit. Das ist die Kurfassung. Eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, der Chemie, der Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre SI-Einheit ist das Joule. In der theoretischen Physik wird Energie abstrakt als diejenige Größe definiert, die aufgrund der Unveränderlichkeit der Naturgesetze im Lauf der Zeit erhalten bleibt. Viele einführende Texte definieren Energie als Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten.
Kräfte sind Wechselwirkungen zwischen zwei Objekten. Objekte kann man „blau anmalen“, Kräfte nicht. Sie können an ihrer Wirkung beobachtet werden, haben unterschiedliche Stärken und Reichweiten, sie können abstoßend oder anziehend wirken.
Isaac Newton (1643-1727) gehört zu den ersten und bedeutendsten systematisch arbeitenden Naturwissenschaftlern der Menschheit. Grundlegende Beiträge zur Dynamik, Optik, Himmelsmechanik, Mathematik und Chemie charakterisieren sein Lebenswerk. Heute ist ein berühmter Lehrstuhl in Cambridge nach ihm benannt, den derzeit Steven Hawking innehält, ein Astrophysiker.
Galileo Galilei (1564-1642) war ein italienischer Mathematiker, Physiker und Astronom, der bahnbrechende Entdeckungen auf mehreren Gebieten der Naturwissenschaften machte.
Man kann einen Menschen nichts lehren, man kann ihm nur helfen, es in sich selbst zu entdecken. — Galileo Galilei
Alle Körper fallen gleich schnell? Probiere es aus. Wenn die Form gleich ist. Die Masse ist egal.
In wissenschaftlicher Sicht ist Galileos streng mathematische und geometrische Vorgehensweise bemerkenswert und prägend. Er beschäftigte sich sein ganzes Leben lang mit „gleichmäßig beschleunigten Bewegungen“, und verwendete das Konzept einer schiefen Ebene um die Fallgesetze (wie sich die Gravitation der Erde auf den freien Fall eines Objektes auswirkt) zu studieren und zu prüfen. Vorallem kam er zu dem wichtigen Schluss, dass im Vakuum alle Objekte die gleiche Beschleunigung erfahren – völlig unabhängig von Dichte, Masse und Volumen!
Außerdem ist er der Begründer der Elastiziätstheorie, da er als erster feststellte dass ein Balken eine höhere Tragefähigkeit besitzt, wenn er hochkant aufgestellt wird und nicht flach. Diese Erkenntnis ist heutzutage zum Beispiel im Bauwesen von höchster Bedeutung, webenso wie es die Elastizitätstheorie an sich für die Berechnung der Festigkeit von Stoffen ist.
Desweiteren war er auch Erfinder, und erfand zum Beispiel Konzepte von Kerzen und Spiegeln, die das Licht durch ein gesamtes Haus leiten sollten, einen Tomatenpflücker, und den Vorläufer des Kugelschreibers.
Bis zur Zeit Galileis glaubte man, an dem mit leuchtenden Sternen übersäten Himmel sei alles vollkommen, nichts würde sich jemals verändern, und Bewegung, Geburt und Tod gäbe es nur auf der Erde.
Als Galilei sein Fernrohr auf den Himmel und die Sterne richtete, kam er zu einer verblüffenden Erkenntnis: Auf der Sonne gab es Flecken, der Planet Jupiter hatte vier Monde, die Oberfläche des Mondes ist rau, die über den Himmel ziehenden Kometen streiften manchmal fast die Erde kurzum, dort oben am Himmel, wie unten auf der Erde, gab es Bewegung und Veränderung und, dass die Venus Phasen zeigt – sich in Folge also nicht um die Erde, sondern um die Sonne dreht! Galileo leistete also einen großen Beitrag zur Prägung und Überprüfung des damals neuen Heliozentrischen Weltbildes.
Wie es ist und wie es scheint
Galilei ahnte, dass sowohl am Himmel als auch auf der Erde dieselben Naturgesetze herrschen. Wenn man die auf unserem Planeten herrschenden Bewegungen erklären kann, müsste man demzufolge auch verstehen, wie sich die Himmelskörper bewegen.
Doch so einfach ist die Sache nicht, denn oft scheinen die äußeren Erscheinungen den wissenschaftlichen Erkenntnissen zu widersprechen, und die Beobachtung allein genügt nicht:
Eine rollende Kugel wird nach einer gewissen Zeit langsamer und bleibt schließlich liegen. Je glatter die Kugel und je ebener die Fläche ist, desto länger hält die Bewegung an. Eine absolut vollkommene Kugel würde demnach auf einer ebenso vollkommenen, keinerlei Reibung verursachenden ebenen Fläche ewig weiterrollen.
Ein schwingendes Pendel zum Beispiel steigt praktisch auf dieselbe Höhe, von der es losgelassen wurde, da es nur sehr schwachen Widerständen ausgesetzt ist.
“Wenn man die Bewegung nicht begreift, kann man auch die Natur nicht begreifen” davon war Galilei überzeugt. Deshalb begann er, die Bewegung fallender Körper zu studieren.
Eine Metallkugel scheint schneller zu fallen als eine Baumwollkugel, doch wenn man eine Kugel aus dicht zusammengepresster Baumwolle und ein dünnes, breites Metallblatt beobachtet, so scheint die Baumwolle schneller zu fallen als das Metall.
Daraus schloss Galilei, dass der Schein trügt und dass alle Körper mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, sobald man den Widerstand der Luft ausschließt und einen luftleeren Raum schafft.
Zwei Wahrheiten können sich nie widersprechen. — Galileo Galilei
Der Überlieferung nach führte Galilei zahlreiche Experimente durch, bei denen er verschiedene Gegenstände vom berühmten Schiefen Turm von Pisa fallen ließ und die Zeit ihres Falls maß. Denn um die Bewegung richtig zu verstehen, so Galilei, muss man “eine Gleichung aufstellen”. Tatsächlich führte Galilei die Experimente auf schiefen Ebenen durch. Die Geschwindigkeit der rollenden Kugeln machte er durch Glocken hörbar, so dass etwaige Unterschiede besser wahrgenommen werden konnten.
Das “Große Buch der Welt” war für ihn in einer mathematischen Sprache geschrieben, deren Buchstaben Zahlen und geometrische Figuren waren. Trotz der Unzulänglichkeiten der Mittel jener Zeit gelang es Galilei, einfache Gesetze der Bewegung zu formulieren.
Erst die Entdeckung der Infinitesimalrechnung im ausgehenden 17. Jahrhundert machte es möglich, die von Galilei entdeckten Naturgesetze in mathematische Formeln zu fassen.
Die Entdeckungen, die ihm sein Fernrohr erlaubte, banden ihn endgültig an die Lehre des Kopernikus: die Sonne ist im Mittelpunkt des Planetensystems, nicht die Erde. Sein Eintreten für diese Lehre brachte ihn in Konflikt mit der Inquisition. Er wurde nach Rom zitiert, verhört und in Haft gehalten. Man drohte ihm die Folter an – Galilei widerrief seine Lehre und schwor ihr ab. Theoretisch blieb er bis zu seinem Tode ein Gefangener der Inquisition – allerdings ohne Kerker und Ketten. 1633 gestattete ihm der Papst, sich auf sein Landgut Arcetri zurückzuziehen. Hier schuf er sein eigentliches Hauptwerk, die Fall- und Trägheitsgesetze. Das Buch über diese Gesetze erschien, nachdem es nach Holland geschmuggelt worden war, erst 1638, weil es selbst in Leiden und Amsterdam keinen Verleger fand.
Galilei wurde zum Vater der “klassischen Physik”. Seine eigentliche Leistung besteht darin, dass er das Experiment als wesentliches Mittel zur Erkenntnis von “Naturgesetzen” erkannte. Er starb am 8. Januar 1642 in Arceti bei Florenz.
Galilei schaut durch das Fernrohr: Portrait des Wissenschaftlers und seiner Leistungen. Download.
Als „Fermirechnungen“, oder „Fermiprobleme“ bezeichnet man Abschätzungen für ein Problem, zu dem anfangs praktisch keine Daten zur weiteren Überlegung zur Verfügung stehen.
Ein Gedankenexperiment ist ein gedankliches Hilfsmittel, um bestimmte Theorien zu untermauern, zu widerlegen, zu veranschaulichen oder weiter zu denken. Die Physiker verwenden Gedankenexperimente gerne, um Ideen ihrer Theorien aufzustellen und sie auch zu überprüfen, ohne gleich zum wirklichen Experiment zu greifen. Oft ist ein wirkliches Experiment auch gar nicht möglich.
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?
Wissenschaft ist in der Lage Glauben von Wissen zu trennen. Es ist dabei gar nicht die Frage, was besser ist, denn beides hat seine Berechtigung. Wichtig ist, dass man weiß, wo die Grenze ist. Der Philosoph René Descartes hat im 17. Jahrhundert diese Grenze formuliert.
