Wie schnell ist das Zeug in unseren Lungen? (Whiteboard-Skizze III)

Wir können es nicht direkt sehen, schmecken, riechen, hören oder anfassen - dennoch wissen wir, dass es uns permanent umgibt, uns einhüllt, wir nicht viel anderes vollbringen können als Tag für Tag am Grund seines "Ozeans" einen Fuß vor den anderen zu setzen, mit jedem Schritt erneut versuchend, der natürlichen, zum Erdkern gerichteten Kraft etwas entgegenzusetzen, um nicht hinzufallen, während sein unvorstellbares Gewicht von oben auf unsere Schultern drückt und es - spürbar durch ein leichtes Streichen übers Gesicht - unsere Vorwärtsbewegung erschwert.

So unantastbare, möglicherweise sogar betrüblich wirkende Effekte dieses Etwas auf uns auch zu haben scheint, so essentiell ist es für unsere Existenz und die jeglicher anderen Lebensformen auf unserem Planeten.

Schwerelos am Äquator (Whiteboard-Skizze I)

Die Erde rotiert momentan in etwa 24 Stunden ein Mal um ihre eigene Achse, wodurch Tag und Nacht entstehen. Genauso wie auf einem Karussell werden ihre Bewohner (und übrigens auch alles Material der Erde selbst) durch die Fliehkraft bzw. die Zentrifugalkraft "nach außen" gedrückt. Auf uns wirkt aufgrund der Erddrehung also ständig eine Kraft "nach oben". Allerdings ist die Zentrifugalkraft um einiges schwächer als die zum Erdkern gerichtete Zentripetalkraft, also die gewohnte Schwerkraft bzw. Gravitation - wäre dies nicht so, könnten wir uns nur schwer auf dem Erdboden halten. (Auch der Erdboden könnte sich nicht "auf dem Erdboden" halten und würde ins All geschleudert werden.)

Die Badezimmer-Waage in der Erdumlaufbahn

Man kann auf der Internationalen Raumstation (ISS) nicht einfach schnell einkaufen gehen, wenn das Essen knapp wird - Gründe dafür sind hauptsächlich logistischer Natur. Die Nahrung muss mit Raumfahrzeugen in die Erdumlaufbahn geliefert werden, was dazu führt, dass sie im Vorhinein haltbar gemacht werden muss und nur in begrenzter Menge vorhanden ist. Zwar ist das Essen auf der ISS ausgesprochen gut, wie viele Astronauten sagen, dennoch besteht keine Gefahr, im Orbit übergewichtig zu werden und nicht mehr in den eigenen Raumanzug zu passen. Vielmehr müssen Astronauten darauf achten, nicht zu viel Körpermasse abzubauen: Muskeln, die in der Schwerelosigkeit kaum beansprucht werden, bauen sich schnell ab, und auch die Knochendichte der Astronauten nimmt nach längerem All-Aufenthalt nachweislich ab.

BMX-Tricks auf einem fahrenden LKW? - Die Physik ist auf eurer Seite!

Momentan verbringe ich ja wieder einmal viel Zeit in der Universität und besuche dementsprechend oft die Mensa in der Mittagspause. Dort gibt es nicht nur Fenster und Essen, sondern auch die Möglichkeit, für einen Moment vom Uni-Alltag abzuschalten. Dass ich aber gerade an diesem Ort auf die Grundlage von Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie treffe, damit habe ich nicht gerechnet.

Nun gut, zugegebenermaßen liegt das wahrscheinlich hauptsächlich daran, dass ich in der Uni meistens den Kopf mit Physik vollgestopft habe und sich viele in der gleichen Situation wohl eher auf das Gulasch am Teller konzentrieren wollen. Wie auch immer, ich möchte hier kurz ein paar Wörter zur Relativitätstheorie erzählen und erklären, warum man diese derzeit in der Mensa antrifft.

Konkret geht es um dieses Video eines BMX-Fahrers, welches momentan in den Uni-Screens zu sehen ist:


Im Video sieht man einen BMX-Fahrer, der ein paar Tricks in einer Halfpipe (Oder nennt man das Ramp? Oder ganz anders? ...ich bin kein BMX-Experte!) macht, während ein LWK mitsamt der Halfpipe in der Stadt umherfährt. "Ziemlich eindrucksvoll" dachte ich mir im ersten Moment!

Doch wenn man von der psychischen Überwindung absieht, die vermutlich notwendig ist, wenn man als Biker in diese fahrende Halfpipe springt, und auch davon absieht, dass die Tricks und die sportliche Leistung wirklich beeindruckend sind, dann wirkt die ganze Showeinlage nach kurzer Überlegung gar nicht weiterhin spektakulär - zumindest nicht aus physikalischer Sicht.

Wie sich herausgestellte, sind die physikalischen Gesetze in jedem gleichförmig bewegten Bezugssystem gleich. Ob man als BMXler nun in einer normalen ("stationären") Halfpipe trickst, oder ob man das auf einer Halfpipe macht, die sich gleichförmig bewegt, macht keinen Unterschied. Die Physik ist die gleiche, man spürt keinerlei zusätzliche Kräfte oder Beschleunigungen, wenn man seine Stunts auf einem fahrenden LKW macht. Tatsächlich könnte man nicht einmal feststellen, ob man sich bewegt, falls sich die Halfpipe in einem großen, fensterlosen Container befinden würde. Jedes Bezugssystem ist gleichberechtigt - in jedem System herrscht die gleiche Physik mit all ihren Gesetzen! Mit diesen Worten kann man ganz grob dieses sogenannte Relativitätsprinzip beschreiben.

Der BMX-Fahrer im Video ist also ein anschauliches Beispiel für die Gültigkeit des Relativitätsprinzips!

Natürlich gilt das ganze nur für diejenigen Bezugssysteme, die keine Beschleunigung erfahren. Gibt der LKW Gas, bremst er oder ändert er seine Fahrtrichtung während der Biker gerade in der Luft ist, wird dieser es natürlich sofort zu spüren bekommen. Spätestens dann, wenn ihm der LKW unter den Rädern wegfährt, wird er merken, dass die Physik von gleichförmig bewegten Bezugssystemen nicht mehr wie gewohnt funktioniert.
(Außerdem wird der unangeschnallte Fahrgast in der Halfpipe immer mehr Luftwiderstand spüren, je schneller sich der LKW bewegt. Auch in diesem Fall könnte er Rückschlüsse auf seinen Bewegungszustand ziehen, selbst wenn er die Augen verbunden hätte. Doch wie man im Video sieht, rollt der LKW langsam, sodass man einen zusätzlichen Einfluss des Luftwiderstandes getrost vernachlässigen kann.)

Interessant ist, dass man aus diesem Relativitätsprinzip zentrale Aussagen der speziellen Relativitätstheorie herleiten kann - nämlich den berühmten Gamma-Faktor (bzw. für Physiker: der γ-Faktor). Dieser ist dafür verantwortlich, dass die Zeit in sich relativ zu einem Beobachter bewegenden Bezugssystemen langsamer vergeht oder die Längen von sich relativ bewegenden Dingen in Bewegungsrichtung verkürzt wird.

Ich will an dieser Stelle gar nicht weiter ausschweifen und den γ-Faktor und die damit verbundenen Phänomene der Zeitdilatation oder der Lorentzkontraktion erklären, sondern stattdessen auf ein paar Videos des großartigen YouTube-Channels Sixty Symbols verweisen, wie z.B. dieses hier.

Mit etwas Neugier, Interesse und Übung kann man also an jedem Ort ein Stück faszinierender Physik finden. Das heißt nicht gleichzeitig, dass einem das Gulasch deshalb nicht mehr schmecken kann - ganz im Gegenteil: Man erkennt, dass das Gulasch unverändert gut schmecken würde, selbst wenn die gesamte Mensa gleichförmig durch die Stadt fahren würde. (Dennoch würde ich natürlich kritisch sein und eine fahrende Mensa zuerst auf physikalischen Gehalt überprüfen!) ;-)

Holzblöcke beballern - für die Wissenschaft

Derek Muller von Veritasium motiviert uns in diesem Video, unsere graue Hirnmasse zu aktivieren und ein kleines Quiz zu beantworten.

Das erste Video

Derek stellt das Experiment vor: Eine Pistolenkugel wird von unten in einen Holzblock gefeuert, welcher folglich hochgeschleudert wird, bis er eine gewisse Höhe erreicht. Danach wird die Pistole etwas versetzt, sodass die Kugel nicht mehr in der Mitte des Blocks auftrifft, sondern nahe der Kante. Dadurch rotiert der Block ab jetzt im Flug.
Und hier ist die Quizfrage: Wie hoch wird der Block in die Luft geschleudert werden, wenn ihn die Pistolenkugel am Rand trifft, im Vergleich zur Höhe, die er erreichen würde, wenn ihn die Kugel zentral trifft?

Das zweite Video

Um zu diesem "geheimen" Video zu gelangen, muss man eine der vorgeschlagenen Antworten anklicken. (Dazu unbedingt die Video-Anmerkungen im Player aufgedreht lassen!) Nun erklärt Derek, welche Antwort die richtige ist. (Ich muss zugeben, ich war ziemlich überrascht über den Ausgang des Experiments! Ich hätte genau wie Henry von MinutePhysics oder Destin von Smarter Every Day getippt.)
An diesem Punkt weiß der Zuseher zwar, welche Antwort stimmt, doch weiß er noch nicht, warum sie richtig ist. Letzteres vermittelt uns nächste Woche...

...das dritte Video

Ich bin gespannt! :-)

Feynmans inverser Wassersprinkler - Die Auflösung

In einem Lehrbuch über Hydrodynamik gab es ein Problem, das von allen Physik-Studenten diskutiert wurde. Das Problem ist folgendes: Man hat einen S -förmigen Rasensprenger - eine S-förmige Röhre auf einem Drehzapfen -, und das Wasser spritzt im rechten Winkel zur Achse heraus und läßt diese in einer bestimmten Richtung rotieren. Jeder weiß, in welche Richtung der Rasensprenger sich dreht: er wird von dem austretenden Wasser zurückgetrieben. Die Frage ist nun: Angenommen, man hat (...) ein großes Becken mit Wasser (...) und man tut den Sprenger ganz unter Wasser und saugt Wasser ein, statt es hinauszuspritzen, in welche Richtung würde er sich drehen? Würde er sich in die gleiche Richtung drehen, in die er sich dreht, wenn man das Wasser in die Luft spritzt, oder würde er sich in die entgegengesetzte Richtung drehen? **

Mit diesen Worten beschreibt Richard P. Feynman in seinem Buch "Sie belieben wohl zu scherzen, Mr. Feynman!" das Problem des inversen Wassersprinklers.

Die Rotationsrichtung des S-förmigen Rohres ist wohl für die meisten klar. Das Problematische daran ist, dass für die einen eine Bewegung gegen den Uhrzeigersinn und für andere eine Bewegung im Uhrzeigersinn die richtige ist.

Feynmans inverser Wassersprinkler - Das Rätsel

Ein paar von euch haben vielleicht schon mal vom (in Physikerkreisen) berühmten Problem des inversen Wassersprinklers gehört. Populär wurde es durch Richard P. Feynman, der es in seinem Buch "Surely You're Joking, Mr. Feynman!" beschrieb und erzählte, wie er den Versuch im Zyklotron-Labor der Princeton University durchführte, ohne jedoch den Ausgang seines Experiments zu verraten.
Anschließend entstanden viele (teils widersprüchliche) Abhandlungen über dieses Problem.

A "reaction wheel," as illustrated in figure 153a,
from Ernst Mach's Mechanik, chapter III, section III, p. 278¹

Der Wassersprinkler sei z. B. ein S-förmig gebogenes Rohr, das in der Mitte drehbar gelagert ist. Dort strömt auch gleichzeitig Wasser in das Rohr und wird zu den Öffnungen am Rand gedrückt, wo es austritt und durch den verursachten Rückstoß das Sprinkler-Rohr in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Beim inversen Sprinkler stellt man die Frage, was passiert, wenn man Wasser - anstatt es in das Rohr hinein zu pumpen - aus dem Rohr heraussaugt. (Dazu stellt man sich den ganzen Apparat am besten in einem Wassertank vor, sodass Wasser ständig nachfließen kann.)

Schiffe bewegen mit Maschinengewehren

In diesem Artikel wird es darum gehen, was passiert, wenn man auf einem schwimmenden Schiff Kugeln aus einem Gewehr auf eine Wand feuert, die sich wiederum auf dem Schiff befindet.
Dabei will ich kein neuartiges Konzept eines Antriebes vorstellen, sondern vielmehr ein paar Gedankenexperimente anstellen, die für das Verständnis eines späteren Artikels von Vorteil sein werden.