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C) Materie: Kraft und Ladung


Übersicht

1. Masse und die Kraft um ein Objekt zu bewegen

2. Schwerkraft und Gewicht (Gravitation)

3. Rotation und die Kraft der Drehimpulserhaltung

4. Die Kraft der Anziehung und Abstossung: Dipole und Magnetismus


1. Masse und die Kraft um ein Objekt zu bewegen

Überall im Kosmos bedarf es einer Kraft, um den Bewegungszustand eines Objekts zu verändern.

Man spricht in der Physik vom Zusammenhang von der Masse und der Trägheit eines Objekts. 

Auch bei völliger Schwerelosigkeit (gravitative Wirkung = 0) bedarf es einer Kraft, um die Masse eines Körpers in Bewegung zu versetzen: der Astronaut stösst sich mit Muskelkraft ab. 

 

Newtons Feststellungen haben sich bewährt: 

  • Ein kräftefreier Körper bleibt in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit (1. Newtonsches Gesetz).
    Falls sich ein Astronaut in den Weltraum hinein abstösst (an einem hypothetischen Ort, wo keine gravitativen Fernkräfte wirken), wird er sich langfristig mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig weiterbewegen.
  • Kraft gleich Masse mal Beschleunigung: F=m*a (2. Newtonsches Gesetz).
    Je stärker sich der Astronaut im obigen Bild abstösst und je leichter er ist, desto stärker beschleunigt er. (a=F/m: die Beschleunigung entspricht der Kraft geteilt durch die Masse )
  • Kraft gleich Gegenkraft: Eine Kraft von Körper A auf Körper B geht immer mit einer gleich grossen, aber entgegen gerichteten Kraft von Körper B auf Körper A einher (3. Newtonsches Gesetz).
    Wenn sich der Astronaut an der gegenüberliegenden Wand abbremst, geht die Kraft der Bewegung seiner Masse auf diese Wand über.

Aus der Tatsache, dass Kraft und Masse einander auch im schwerelosen Raum entsprechen, muss auf eine Wechselwirkung zwischen Raum und atomarer Materie geschlossen werden. Die Erklärung auf Teilchenebene folgt in einem späteren Kapitel.

 

 

 

2. Schwerkraft und Gewicht (Gravitation)

An Orten mit Schwerkraft (z.B. auf Planeten) haben Objekte ein Gewicht. Je nach Schwerkraft (je nach Masse und Grösse eines Planeten oder anderen Himmelskörpers) unterscheidet sich beim selben Körper dessen Gewicht, nicht aber seine Masse.

Das Gewicht eines Menschen ist auf dem Mond ca. 1/6 im Vergleich zu seinem Gewicht auf der Erde.

Die Masse des Körpers  bleibt unverändert.

  

Der Unterschied zwischen Gewicht und Masse kann auch auf der Erde festgestellt werden. Man bewegt den selben Gegenstand zuerst horizontal (Masse) und danach vertikal, entgegen der Schwerkraft (Gewicht).

Auf der Erde ist die Masse im Vergleich mit dem Gewicht sehr gering: es bedarf nur sehr wenig Kraft um eine Tür zu öffnen oder um den eigenen Körper von einer Wand wegzustossen. Die selbe Bewegung in senkrechter Richtung, das Öffnen einer Falltür oder eine Liegestütze, bedürfen eines ungleich grösseren Kraftaufwands.

 

 

 

3. Rotation und die Kraft der Drehimpulserhaltung

Warum ein rotierender Kreisel nicht hinfällt wird in einem späteren Kapitel auf Unterteilchenebene aufgezeigt
Warum ein rotierender Kreisel nicht hinfällt wird in einem späteren Kapitel auf Unterteilchenebene aufgezeigt

 

Die Rotationskraft bzw.  Drehimpulserhaltung ist im normalen Alltag selten sichtbare oder bewusst spürbar. Daher wirken gewisse Aspekte von ihr sehr befremdlich.


 

Die Kraft der Drehimpulserhaltung ist u.a. deutlich stärker als die Schwerkraft und hält ihr mit Leichtigkeit entgegen.

 

Diese Kraft wird u.a. zur treibstofffreien Stabilisierung und Ausrichtung von Satelliten und Raumstationen benutzt. Solarzellen liefern die für die Ausrichtung benötigte elektrische Energie.

Auch die Tatsache, dass im luftleeren Raum die Rotationskraft eine Wirkung zeigt, spricht für eine Wechselwirkung  zwischen Raum und atomarer Materie.

4. Die Kraft der Anziehung und Abstossung: Dipole und Magnetismus

Ein Dipol ist eine Teilchenkomposition (ein Objekt) mit zwei Polen entgegengesetzter Ladung. 

 

Ein Wasserstoffatom hat zu jedem Zeitpunkt eine positiv und eine negativ geladene Seite
Ein Wasserstoffatom hat zu jedem Zeitpunkt eine positiv und eine negativ geladene Seite

 

In ihrer Gesamtheit sind solche Objekte in der Regel neutral geladen. Falls die Ladung nicht neutral ist (z.B. bei Ionen, Ionisation), entsteht bei erstbester Möglichkeit eine Neutralisierung der Ladung mittels Anziehung (z.B. Rekombination). 

 

Als Beispiel ein sich natürlich ereignender Prozess innerhalb von Wasser
Als Beispiel ein sich natürlich ereignender Prozess innerhalb von Wasser

Magnete und Magnetfelder

Auch Magnete sind Dipole: Objekte mit zwei Enden unterschiedlicher Ladung.

Die einzelnen Teilchen (Atomkerne und Elektronen) innerhalb der Magnete sind fix ausgerichtet:

  • Dauermagnete (Permanentmagnete, oben links) sind Magnete, deren innere Ladungsausrichtung im Anschluss an ein spezielles Verfahren unverändert bleibt.
  • Magnetisierbare Materialien werden im Kontakt mit einem Magnet vorübergehend selber zu Magneten (oben rechts).

Magnete bewirken über Distanz auf Teilchen und Objekte eine Anziehung (Magnetfeld).

Nahe Eisenspäne werden von den Polen angezogen. Entfernte Eisenspäne richten sich an den Polen aus. Auch die Späne sind nun magnetisiert, ziehen sich gegenseitig an, überwinden den Reibungswiderstand auf ihrer Unterfläche und vereinen sich auf Linien.
Nahe Eisenspäne werden von den Polen angezogen. Entfernte Eisenspäne richten sich an den Polen aus. Auch die Späne sind nun magnetisiert, ziehen sich gegenseitig an, überwinden den Reibungswiderstand auf ihrer Unterfläche und vereinen sich auf Linien.
Durch innere Prozesse erzeugt die Erde ein Magnetfeld, dessen messbare Wirkung über die Atmosphäre hinaus in den luftleeren Raum hineinreicht
Durch innere Prozesse erzeugt die Erde ein Magnetfeld, dessen messbare Wirkung über die Atmosphäre hinaus in den luftleeren Raum hineinreicht

 

Raum hat demnach zusätzlich sowohl die Eigenschaft für die Weiterleitung von Lichtwellen als auch die Eigenschaft für die Mitwirkung bei der Entstehung von Magnetfeldern (mehr dazu ab Kapitel D).

 

Wie die Kraft der Drehimpulserhaltung ist auch die Magnetkraft deutlich stärker als Gravitation und hält dieser mit Leichtigkeit entgegen.