Gewichtskraft und ART

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Guten Morgen
Das Thema Gewichtskraft und ART war für mich lange Zeit ein weisser Fleck. Nun glaube ich, eine Erklärung gefunden zu haben, die mich angesichts der vielen Lehrbuchweisheiten doch erstaunt. Bei Sexl habe ich vor langer Zeit gelesen, dass die Gewichtskraft wie die Zentrifugalkraft eine Scheinkraft sei. Aber wieso eigentlich? Weil in der ART alle frei fallenden Systeme lokal inertial sind. Sobald das ausgewählte Bezugssystem gegen den freien Fall beschleunigt ist, wie zum Beispiel ein bezüglich der Erde ruhendes System, treten Trägheitskräfte auf. Liege ich falsch? Wenn ja, wo ist mein Denkfehler? Sollte eine Schülerin, ein Schüler oder auch Studierende die Zentrifugal- oder Corioliskraft als so real ansieht wie die Gewichtskraft, hat sie/er/es nach Einstein recht, liegt aber nach Newton falsch.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Die Frage ist dich zunächst, was einem Schüler als Kraftbegriff natürlich bzw. anschaulich erscheint.

Wenn ich einen frei fallenden, kräftefreien Körper betrachte, was der Schüler aus dem Fernsehen (ISS) oder der Anschauung (Achterbahn) kennt, dann ist es doch nur natürlich, dass der Kraftbegriff eben gerade so definiert ist, dass im freien Fall im Gravitationsfeld gerade keine Kraft herrscht. Wenn der Körper am freien Fall gehindert wird (Erdoberfläche), dann spürt man eine Kraft. Aber diese ist eben gerade nicht die Gewichtskraft, die gemäß Newton nach unten wirkt und nach Einstein als solche gar nicht existiert, sondern die Kraft der Erdoberfläche die den Körper am Fallen hindert - in beiden Theorien sogar identisch.

Der Formalismus nach Einstein passt dann exakt zur Anschauung - er enthält genau die Kräfte, die man spürt bzw. misst - und nicht die Gewichtkraft, die man eben gerade nicht direkt misst sondern nur implizit benötigt, damit die Newtonschen Gleichungen aufgehen.

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Kraft ist primär ein Begriff aus der Alltagssprache, der bis hin zur Energie reicht (Kraftwerk, Kraftstoff) und sogar an Schulen so verwendet wird (Kraft des Automotors).
In der Physik (in den USA schon lange, in Deutschland dank Hartmu Wiesner, Thomas Wilhelm oder Rainer Müller seit mehreren Jahren) wird zwischen Volumenkraft und Oberflächenkraft unterschieden, wobei dann die Summe über alle Kräfte gleich Masse mal Schwerpunktsbeschleunigung ist. Dass dies immer noch nicht ganz klar ist, hat mir eine Diskussion auf Wikipedia zur schiefen Ebene gezeigt.
Was spürt man dann? Dazu stelle man sich vor, dass man zwei grosse Packungen Mineralwasser aus dem Supermarkt trägt. Dann spürt man in den Armen Zug und im Rumpf Druck. Primäre Ursache ist die Gewichtskraft. Fällt man dummerweise in einen Schacht, spürt man während des Falls gar nichts. Also spürt man die Oberflächenkräfte wie zum Beispiel die Normalkraft? Nun kann man eine Hand zusammen mit dem Mineralwasser freischneiden, den ganzen Arm, den Schultergürtel oder den ganzen Menschen. Jedesmal entstehen neue Schnittkräfte. Wie kann man etwas spüren, dass operativ durch einen Schnitt entsteht? Bleibt noch der Spannungszustand, der die Verformung bestimmt und damit auf das Nervensystem wirkt. Nun ist der Spannungstensor der statische-räumliche Anteil des Energie-Impuls-Tensors, womit wir bei den Impulsstromdichten wären, aber das wollte ich hier gar nicht thematisieren.

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5041

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Hermann von Helmholtz: Über die Erhaltung der Kraft. Reimer, Berlin 1847
Sadi Carnot: Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwickelung dieser Kraft geeigneten Maschinen (1824).
Relevant ist, was die Schülerinnen fühlen und denken. Alles andere führt zu Papageienwissen.

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5041

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Vielleicht habe ich mich unpräzis ausgedrückt. Die Auszubildenden kommen mit sehr viel Vorwissen (Präkonzepte) in den Unterricht. Werden sie nicht dort abgeholt und wird ihnen das Wissen einfach nur übergestülpt, führt das zu Fehlkonzepten. Ein valider Test, um das Verständnis der Mechanik zu prüfen, ist das Force Concept Inventory, das seit den 90er Jahren nach meiner Schätzung über hunderttausendmal ausgefüllt worden ist. Aus diesem Test habe ich drei Fragen zum Thema Wechselwirkungsprinzip etwa 100 Studienanfängern gestellt. Eine, welche eine Gleichgewichtssituation beschreibt, wurde oderntlich (60%) beantwortet, die zwei andern erreichten je etwa 30%. In meiner breit gemischten Klasse befanden sich Kaufleute, Pflegefachleute, technisch geschulte Berufsleute und Maturanden (Abitur). Es war kein Unterschied feststellbar zwischen denjenigen, die keine einzige Lektion Physik gehabt haben und denen, die in den Genuss von über 300 Lektionen gekommen sind. Solang man nur einen Körper anschaut, braucht man das Wechselwirkungsprinzip auch nicht. Leider wird gerade das Wechselwirkungsprinzip in vielen Lehrbüchern völlig falsch erklärt. Ob jemand die Newtonschen Gesetze verstanden hat oder nicht, sieht man erst bei formelfreien Erklärungen. Siehe dazu (14:16) https://www.zdf.de/dokumentation/terra-x/supercodes-die-geheimen-formeln-der-natur-unsichtbare-kraefte-mit-harald-lesch-100.html

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Systemdynamiker · Anmeldungsdatum: 22.10.2008 Beiträge: 594 Wohnort: Flurlingen

Vielen Dank! Genau das habe ich mir von Dir erhofft, eine mathematisch klare Darstellung der Zusammenhänge. Die didaktischen und die pädagogischen Zusammenhänge sollte ich hier nicht diskutieren. Vielleicht nur noch ein Hinweis: Schau Dir in diesem Forum mal an, was alles zu Kreisbewegung und Looping geschrieben wird.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18026

Freut mich, wenn's geholfen hat.