Inhalt des Kurses

Dieser Kurs ist für alle mit Interesse und der Zeit für einige Gedanken geeignet. Der Kurs zielt darauf ab, dir ein Verständnis des Begriffes "Kraft" zu vermitteln. Dafür wirst du in das "moderne" Weltverständnis der Physik eingeführt. Es wird dabei weitestgehend auf Fachbegriffe verzichtet, doch auf fachliche Korrektheit geachtet.

Vorwissen

Es ist kein Vorwissen nötig. Auf der nächsten Folie wird alles Nötige an Vorwissen anschaulich erklärt.

Kursdauer

Dieser Kurs dauert ca. 4 Stunden.

Wissenschaftler wie Newton, Einstein, Tesla, Maxwell, Heisenberg, Planck, Schrödinger und viele weitere haben ihr gesamtes Leben geforscht. Sie haben mit viel Mühe und Begeisterung wichtige Erkenntnisse gewonnen und mit uns allen geteilt. Und es ist, wie Newton schon bescheiden sagte:

Dafür wird erst einmal grundlegend erklärt, was Kräfte überhaupt sind und worin Unterschiede zwischen Erfahrungen aus dem Alltag und dem Wissen der Physik bezüglich Kräften liegen. Es wird dabei versucht, dir bewusst zu machen, wo diese Kräfte im Alltag wirken. Damit wirst du dir am Ende dieses Kurses des Konzertes der Wechselwirkungen um dich herum bewusst werden:

Elektrische Ladung

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Es gibt positive und negative elektrische Ladungen. Ein "Plus" steht für eine positive Ladung und ein "Minus" für eine negative.

Zwei positive Ladungen stoßen sich gegenseitig ab. Zwei negative stoßen sich ebenfalls gegenseitig ab. Eine positive und eine negative Ladung ziehen sich dagegen an.

Kern-Hülle-Modell

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Alles, was wir sehen, besteht aus Atomen. Deine Hand, ein Holzwürfel, Pflanzen, Autos und selbst Luft besteht aus Atomen. Das Kern-Hülle-Modell besagt, dass Atome wiederum aus einem Kern und einer Hülle bestehen.

*Bild: Objekte bestehen aus Atomen; an ein Atom heranzoomen und mit blauer Hülle und orangem Kern darstellen*

In der Hülle befinden sich Elektronen. Das sind winzig kleine, negativ geladene Teilchen. Der Kern besteht dagegen aus Protonen und Neutronen. Neutronen sind im Vergleich zu Elektronen sehr große und schwere Teilchen. Sie besitzen keine Ladung. Protonen sind genauso groß und schwer wie Neutronen, aber haben eine positive elektrische Ladung.

Kurzschreibweisen:

Quarks als Bausteine der Protonen und Neutronen

Neutronen und Protonen kann man noch aus der Schule kennen. Sie sind aber ebenfalls aus kleineren Bausteinen aufgebaut. Diese heißen Quarks. Wichtig ist, dass Quarks Ladung besitzen. Wer möchte, kann sich in dem folgenden Spoiler ein bisschen genauer informieren.

Größe der Teilchen

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Im Alltag sagt man gelegentlich, dass jemand Kraft besitzt. Aus der Sicht der Physik kann man Kraft jedoch nicht besitzen, sondern nur ausüben.

Im Folgenden werden dir wichtige Konzepte zu Kräften vermittelt.

Kraft kann anziehen oder abstoßen.

Von Magneten kennt man diese Eigenschaft schon. Hält man unterschiedliche Pole zweier Magneten gegeneinander, ziehen sie sich an. Richtet man dagegen gleiche Pole aneinander, so stoßen sich diese gegenseitig ab.

Kraft wirkt immer auch über Entfernungen.

Ein Magnet ist dabei wieder ein anschauliches Beispiel. Bringst du gleiche Pole von Magneten einander näher, so spürst du die Abstoßung schon lange bevor sie sich berühren. Bei Magneten wird die Kraft stärker, je näher du die Magnete einander bringst.

Zwischen mehreren Objekten finden Wechselwirkungen statt, wenn sie dieselbe Art von Kraft ausüben.

Du stellst jeden Tag fest, dass dich die Erde anzieht. Wäre dies nicht der Fall, dann würdest du die Erde mit einem Sprung in die Luft für immer verlassen.

Eine Feder ziehst du auch an, aber du bemerkst davon nichts. Du siehst nur, dass die Feder von der Erde angezogen wird, obwohl auch du sie anziehst. Dies kannst du auch in folgendem Bild erkennen:

Zwei Objekte, welche dieselbe Kraft ausüben, beeinflussen sich immer gegenseitig.

Zwei Magnete stoßen sich immer gegenseitig ab oder ziehen sich gegenseitig an. Es werden immer beide Magnete beeinflusst. Wenn einer der Magnete befestigt wird oder sehr viel schwerer ist als der andere, wird man dies allerdings nur schwer bemerken können. Genauso merkst du auch nicht, dass du die Erde anziehst. Denn sie ist viel schwerer als du.

Ein Objekt kann mehrere Kräfte gleichzeitig ausüben.

Wenn du einen Magneten anhebst und ihn fallen lässt, dann ist das die Wirkung der Gravitation. Die Erde zieht den Magneten an und der Magnet zieht die Erde an.

Wenn der Magnet von einem anderen Magneten angezogen oder abgestoßen wird, ist das Elektromagnetismus.

Gelegentlich fallen im Alltag auch mal physikalische Bezeichnungen von Kräften. So könntest du zum Beispiel schon von der Reibungskraft, Zentrifugalkraft, Zentripetalkraft, Corioliskraft, Van-der-Waals-Kräfte und vielen weiteren gehört haben.

*Bilder: zu einigen der Kräften*

Doch die Physiker haben erkannt, dass sich alle diese Kräfte auf nur vier grundlegende Kräfte zurückführen lassen. Diese nennen die Physiker die vier Grundkräfte.

Zur Beschreibung der Kräfte wird in der Physik gerne das Wort "Wechselwirkung" verwendet. "Wechselwirkung" drückt aus, dass zwei Objekte, die aufeinander Kräfte ausüben, immer beide von den Kräften beeinflusst werden.

*Bild: Wechselwirkung*

Die Gravitation

Objekte, die Masse (oder Energie) besitzen, ziehen andere Objekte, die Masse (oder Energie) besitzen, an und werden von ihnen angezogen. Diese Kraft ist in ihrer Stärke abhängig vom Abstand. Sie besitzt dabei unendliche Reichweite.

Wie du sicherlich weißt, besitzt du eine Masse. Die Erde besitzt auch eine Masse. Wegen der Gravitation zieht ihr euch gegenseitig an. Man sagt dazu, dass eure Kräfte wechselwirken. Da die Erde allerdings sehr viel schwerer ist, als du es bist, wirst du näher zur Erde gezogen als sie zu dir.

Die Elektromagnetische Wechselwirkung

Diese Kraft wirkt zwischen Objekten, die elektrische Ladung besitzen. Gleiche Ladungen stoßen sich dabei ab und unterschiedliche ziehen sich an. Die resultierende Kraft besitzt unendliche Reichweite. Beispielsweise ziehen sich deine Haare und ein Luftballon an, nachdem man sie aneinander gerieben hat. Denn eines der beiden ist danach positiv geladen und eines negativ.

Die Starke Wechselwirkung

Diese Kraft wirkt nur zwischen Quarks. Sie ist sehr stark, weshalb sie auch den Namen "starke Wechselwirkung" trägt. Ihre Reichweite entspricht ungefähr dem Radius eines Protons. Die starke Wechselwirkung hat eine beschränkte Reichweite.

Man kann sie sich wie ein Gummiseil vorstellen, welches ab einem bestimmten Abstand reißt. Sie bindet mehrere Quarks zu einem Proton oder Neutron zusammen.

*Bild: Links: Zerfall von Atomen ohne vernachlässigte starke Wechselwirkung, weil elektromagnetische Wechselwirkung die Protonen sich abstoßen lässt;;; Rechts: In der Realität werden die Protonen von der starken Wechselwirkung zusammen gehalten.*

Die schwache Wechselwirkung

Diese Kraft wirkt zwischen sehr kleinen Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen und Quarks. Sie ist von ihrer Wirkungsreichweite auf weit weniger als einen Protonenradius beschränkt. Außerdem ist sie weitaus schwächer als die starke- oder elektromagnetische Wechselwirkung, weshalb sie den Namen "schwach" trägt.

Die schwache Wechselwirkung wird in diesem Kurs kaum besprochen.

*Bild*

Zwei Elektronen stoßen sich gegenseitig ab, weil beide negativ geladen sind. Doch woher wissen diese Elektronen eigentlich voneinander, wenn sie sich doch noch gar nicht berühren? Elektronen sehen doch nicht, oder? Haben sie dann vielleicht einen Blindenhund?

Entsprechend vieler Experimente und Überlegungen scheint es so etwas wie Blindenhunde zu geben. Auch wenn es definitiv keine Hunde sind! Anscheinend gibt es Teilchen, welche Kraft in Form von Information übermitteln. Diese Teilchen nennt man "virtuelle Teilchen", weil sie nicht materiell existieren. Das klingt schon mal sehr merkwürdig.

Nicht seriöse Veranschaulichung

Nehmen wir also zwei Elektronen als Beispiel, welche sich einander näheren. Von "Elektron 1" aus macht sich ein virtuelles Teilchen auf den Weg zu "Elektron 2". Dieses virtuelle Teilchen sagt dann zu "Elektron 2", dass es umdrehen muss. Und das tut "Elektron 2" dann auch schleunigst.

Dasselbe spielt sich auch andersrum ab. Denn es beeinflussen sich ja immer beide Elektronen gegenseitig.

Die Kräfte spielen auf absolut unterschiedlichen Größenordnungen. Wir beginnen bei der Kraft, welche auf der kleinsten Ebene wirkt und arbeiten uns Stück für Stück hoch bis hin zu Planeten.

*Bild von gesamter Kette*

Zur schwachen Wechselwirkung

Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen mehreren Quarks oder mehreren Elektronen. Sie ist also auf der Höhe ihrer Macht bei Abständen, die deutlich kleiner als Protonen sind. Auf der Größe eines Protons ist die schwache Wechselwirkung bereits nahezu bedeutungslos.

*Bild*

Zur starken Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung wirkt auf einer für uns ebenfalls unwahrscheinlich kleinen Größenordnung. Sie betrifft Quarks, welche die Bausteine von Protonen und Neutronen sind. Ihre Wirkung geht gerade noch so weit, dass sie die Neutronen und Protonen in den Atomkernen zusammenhält. Die Protonen im Atomkern stoßen sich ja aufgrund der Elektromagnetischen Wechselwirkung ab. Doch die starke Wechselwirkung ist auf dieser Größenordnung noch immer ausreichend stärker als die Elektromagnetische Wechselwirkung.

Zur elektromagnetischen Wechselwirkung

Wenn wir die Atomkerne verlassen und uns durch die Atomhülle bewegen, hat die starke Wechselwirkung bereits nichts mehr zu melden. Ab hier herrscht allein die Elektromagnetische Wechselwirkung. Sie beginnt in den Atomkernen und reicht bis in unseren Alltag hinein. Sehen, hören und fühlen verdanken wir alles der Elektromagnetischen Wechselwirkung.

*Bild*

Zur Gravitation

Ab den Massen kleinerer Monde fängt die Gravitation an, für uns erkennbar mitzuspielen. Die Gravitation der Erde zieht uns zum Mittelpunkt der Erde, aber die elektromagnetische Kraft ist zum Glück noch stark genug, sodass wir nicht von der Gravitation zu einem Brei an Masse zermahlen werden. Ab der Masse eines schwarzen Loches hat die Elektromagnetische Wechselwirkung nichts mehr zu melden.

*Bild Strichmännchen hüpft auf der Erde in die Luft vs. Strichmännchen hüpft auf einem kleinen Mond in die "Luft"*

Unsere Formeln und Theorien zu den vier Grundkräften sind allerdings nur Modelle. Bei ihnen wird in der Regel immer davon ausgegangen, dass nur diese eine Kraft wirkt. Alles andere wird ignoriert. Dies kann natürlich Ungenauigkeiten bei Vorhersagen von Experimenten bewirken.

*Bild: Links: Zerfall von Atomen ohne vernachlässigte starke Wechselwirkung, weil elektromagnetische Wechselwirkung die Protonen sich abstoßen lässt; Rechts: In der Realität werden die Protonen von der starken Wechselwirkung zusammen gehalten.*

Beispielsweise wirken auf ein Quark die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung und die schwache Wechselwirkung. Wie sich die Kräfte jedoch verhalten, wenn sie alle gleichzeitig wirken, ist uns noch nicht absolut klar.

*Bild: drei Kräfte ziehen am Quark*

Eine Theorie die Alles erklärt

Die Physiker sind schon lange auf der Suche nach der sogenannten Weltformel. Das ist eine Theorie, die alle vier grundlegenden Kräfte alleine erklären kann. Bisher stellt jede der vier Kräfte noch eine eigene Theorie dar und berücksichtigt die anderen nicht. Diese eine Weltformel -Theorie würde dann hoffentlich nur noch eine große Formel enthalten, durch welche sich jedes physikalische, chemische oder biologische Problem berechnen lässt.

Die Schwierigkeit

Um alle Kräfte in einer Theorie unterbringen zu können, müsste man sie alle gleichzeitig in Aktion beobachten können. Jedoch entfaltet keine der Kräfte in unserem Alltag ihre volle Wirkung, während eine andere es tut. Das wäre aber sehr wichtig, damit wir sehen können, ob und wie die Kräfte untereinander wechselwirken.

*Bild: Vergleich des Auseinanderrückens der Kräfte mit einem großen "Power Ranger Roboter" der sich aber in vier kleinere Roboter aufgeteilt hat (aus denen er halt zusammengesetzt war) und bei denen man nicht mehr erkennt, dass sie mal ein einziger waren. Also, ihre Funktionen haben sich geändert. Einer der Roboter, der nur ein Verbindungsglied war, muss, wenn er alleine ist, ja auch kämpfen können.*

In dem ursprünglichen Zustand des Universums nach dem Urknall war alles sehr heiß. Unwahrscheinlich heiß. Und wir wissen auch schon, dass alle Kräfte ab ausreichend hohen Temperaturen ihre volle Stärke gleichzeitig entfalten. Leider können wir das nicht beobachten, da wir so hohe Temperaturen noch nicht einmal im Labor erzeugen können.

Für die Zukunft

Insgesamt steht die Welt der Physik also vor Naturgesetzen, welche alle vielleicht einmal sehr einfach zu durchschauen gewesen sein mögen, aber sich heute in viele kleine komplexe Bausteine aufzuteilen scheinen. Deswegen geht die Forschungsreise noch lange weiter. Du kannst zur nächsten Generation der Forscher gehören und davon kann es nicht genug geben, denn es gibt in alle Richtungen noch viel zu erforschen!

Beispiel: Ab ca. ${10}^{15}10^\{15\}$ K verhalten sich elektromagnetische WW und schwache WW gleich. Siehe elektroschwache WW.

Bei Abständen von ${10}^{-18}10^\{-18\}$m ist die schwache WW in unserem Alltag genauso stark wie die elektromagnetische WW.

In diesem Abschnitt sollen viele Fragen, die einem sonst im Alltag nie beantwortet werden, doch einmal beantwortet werden. Die Rechnungen stellen dabei oft starke Vereinfachungen der Realität dar. Häufig wird dabei gerechnet werden, doch in der Aufgabenlösung folgt am Schluss immer eine Zusammenfassung der Ergebnisse.

Auf Atomarer Ebene finden keine Berührungen statt

Tatsächlich finden auf atomarer Ebene keine Berührungen statt und hier soll erklärt werden, wie es dazu kommt. Oder anders ausgedrückt: "Wieso findet keine Kernfusion statt, wenn ich die Atome meiner eine Faust auf die Atome meiner anderen Faust drücke?" Am Schluss dieses Punktes gibt es eine leicht verständliche Zusammenfassung, doch die Rechnung ist leider erst ab der 11. Klasse geeignet. Klicke auf "Erklärung", wenn dich das Thema interessiert.

• Geräusche

• Sehen

• Fallende Feder: Warum fällt das untere Ende nicht? -> Slowmoguys

• Jede Form von Materie ist magnetisch

Spin der Elementarteilchen (Quarks und Elektronen)

-> Ferromagnetismus ist davon ein Unterpunkt

• Wofür ist die schwache Kraft?

Kernfusion in der Sonne; ==> Menschheit ohne schwache Kraft nicht möglich

• Wieso ziehe ich keine Feder an, obwohl wir doch beide Masse haben?

Das hat zwei Gründe. Zum einen ist die Anziehungskraft der Erde auf die Feder wesentlich stärker als deine Kraft auf die Feder. Zum anderen befindet sich in der Luft eine unwahrscheinlich große Menge an Atomen, welche alle verdrängt werden müssten.

Die Einheit der Kraft

Viele haben Schwierigkeiten mit der Bedeutung der zusammengesetzten Einheit $1\text{N}={\displaystyle \frac{\text{kg}\cdot \text{m}}{{\text{s}}^2}}1\; \backslash text\{N\}=\backslash dfrac\{\backslash text\{kg\}\backslash cdot\backslash text\{m\}\}\{\backslash text\{s\}^2\}$ . Klicke auf "Erklärung", wenn dich das Thema interessiert.