Schwere Geburt

Leserzuschrift , Samstag, 13.06.2015, 13:06 (vor 3855 Tagen) @ Ashitaka

>>> Du kannst den Arm anziehen, ihn ausstrecken, ihn wieder anziehen, als Kräftesystem (Astronaut+Stab) bewegt sich euer Massemittelpunkt keinen Zentimeter durch den Raum.

Ja. Der gemeinsame Massemittelpunkt des Systems "Astronaut+Stab" bleibt an Ort und Stelle. Das hindert aber die einzelnen Massemittelpunkte von Astronaut und Stab nicht daran, sich voneinander zu entfernen.

> Wenn du nach dem Stab packst und ihn zu deinem Korpus bewegst, deinen Korpus zu ihm bewegst, oder den Stab von deinem Korpus wegbewegst, dich von dem Stab wegbewegst, dann seid ihr ein System.

Nicht "wenn ... dann", sondern "immer".
Der Astronaut und der Stab bilden ein physikalisches System, ganz egal, ob sie sich berühren oder nicht.

Du kannst Dir den Massemittelpunkt als "Drehachse" einer Balkenwaage vorstellen, an der die Gewichte auf beiden Seiten - unter Beibehaltung des Gleichgewichts - immer weiter nach außen geschoben werden.

> Nix Gewichtskraft, sondern Schwerelosigkeit. Der Massemittelpunkt eines Körpers setzt keine Gewichtskraft voraus.

Dass Du diese Analogie nicht verstehen würdest, hatte ich schon befürchtet, aber einen Versuch war's mir wert.

Das gilt übrigens analog für das System "Rakete+Verbrennungsgase": dessen gemeinsamer Massemittelpunkt bleibt an Ort und Stelle. Da sich die Gase aber von der Rakete entfernen, bleibt der Rakete gar nichts anders "übrig", als sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, um das "Gleichgewicht" zu halten.

> Mit Gleichgewicht hat das überhaupt nichts zu tun.

Deswegen steht es ja auch in Anführungszeichen.

Es tut mir leid, dass dieses Bild Deine Vorstellungskraft überfordert hat.
(Keine Ironie, sondern völliger Ernst.)

Die zum System "Astronaut+Stab" gehörende Armmuskulatur ist durchaus in der Lage, diese Kraft aufzubringen.

> Sie kann nur Kraft gegen Widerstände wirken lassen, dadurch chemische Energie in kinetische Energie wandeln. Da sind keine Widerstände.

Doch. Die Trägheit des Astronauten und die des Stabes bilden Widerstände.

"Trägheit, auch Beharrungsvermögen, ist das Bestreben von physikalischen Körpern, in ihrem Bewegungszustand zu verharren, solange keine Kräfte oder Drehmomente auf sie einwirken."

Wenn sich Astronaut und Stab relativ zueinander beschleunigen, also ihre Bewegungszustände verändern, dann müssen Kräfte wirken, um ihr Beharrungsvermögen zu überwinden.

>>> Wo vor deinem Handgriff 2 Massen mit 2 Massemittelpunkten im Raum ruhen, ist nach deinem Handgriff nur noch 1 Massemittelpunkt vorhanden.

Nein. Der gemeinsame Massemittelpunkt von Astronaut und Stab war auch schon da, bevor der Stab angefasst wurde, und die einzelnen Massemittelpunkte von Stab und Astronaut verschwinden nicht.

> Nein, vor dem Festhalten sind es 2 durch den leeren Raum isolierte Kräftesysteme.

Es war von "Massemittelpunkten" die Rede, nicht von "Kräftesystemen".

Abgesehen davon sind auch die Sonne und die Planeten durch "leeren Raum isoliert"; trotzdem bildet dieses Planetensystem ein "Kräftesystem".

> Nur wenn der Stab in deinem Greifradius aufwartet, kannst du danach greifen und ihr bildet fortan ein Kräftesystem, das keine Kraft auf irgendetwas auswirken kann und sich mangels fehlender einwirkender Kräfte auch nicht durch den Raum beschleunigen kann.

Also das muss man Dir schon lassen. Im Erfinden von Blödsinn bist Du wirklich kreativ.
Erklär doch mal, was das sein soll: "ein Kräftesystem, das keine Kraft {...} auswirken kann".

Man kann zu jedem System aus mehreren Massen einen gemeinsamen Mittelpunkt angeben, ganz egal, ob sich die Massen berühren oder nicht.

> Mit System ist ein Kräftesystem gemeint. Die Körper sind vorher isoliert.

Und?
Einen Widerspruch zu meiner Aussage kann ich nicht erkennen.

Erde und Mond beispielsweise kreisen um einen gemeinsamen Schwerpunkt, der etwa 4700 km vom Erdmittelpunkt entfernt liegt.

> Du bist bei Gravitationskräften. Ich rede von Reaktionskräften.

Wir waren an dieser Stelle der Diskussion bei Massenmittelpunkten.
Zitat: "Der Massenmittelpunkt (auch Schwerpunkt) eines Körpers ist das mit der Masse gewichtete Mittel der Positionen seiner Massepunkte."

Bei seiner Berechnung spielen Kräfte keine Rolle.

>>> Und du hast keine Chance, einen Stab auch nur einen Zentimeter "wegzudrücken". Dafür bedarf es einwirkender Kräfte.

Mein Arm kann Kraft ausüben.

> Du vergißt, dass auch du ein Körper bist, dessen Masse eine einwirkende Kraft erfordert (dessen Masse beschleunigt werden muss).

Schön, dass Du endlich einsiehst, dass mein Körper eine Masse besitzt.

> Dein Körper beschleunigt nicht alleine wegen deiner Muskeln, sondern weil dein Körper auf einen Widerstand trifft.

Ja. Auf die Trägheit des Stabes.

> Du willst deinen Körper von einer Wand wegdrücken, beschleunigst also deine Masse in Richtung Wand (Aktion), ..

Nicht "in Richtung Wand", sondern weg von ihr.

> ... die Muskelkraft wirkt gegen einen Widerstand, weshalb die Wand nun eine Massebeschleunigung (Reaktion) auf dich ausübt (Newtons 3. Gesetz).

Genau!
Ersetze einfach die Wand durch den Stab, und Du hast es begriffen.

> Und weil die Wand fest betoniert ist, sie also nicht elastisch sondern widerstandsfähig ist, ist es die Masse deines Körpers, die sich von der Wand durch den Raum weg beschleunigt.

Ja. Und wenn die Wand nicht fest wäre, dann würde sich auch die Wand beschleunigen.

Der Astronaut kann mit seiner Armmuskulatur eine Kraft auf den Stab ausüben, ohne dass es dazu irgendwelcher "äußeren Kräfte" bedarf.

> Er übt keine Kraft auf den Stab aus. Denn der Stab kann frei von Kräften bewegt werden.

Zwanzig Zeilen weiter oben schriebst Du noch: "Du vergißt, dass auch du ein Körper bist, dessen Masse eine einwirkende Kraft erfordert" - und jetzt soll das für den Stab nicht gelten?

>>> Wenn dich und den Stab nur Leere umgibt (Vakuum 10^-13mBar), der Stab aber in dem Radius deiner Greifbarkeit liegt, dann musst du auf den Stab keine Kraft ausüben, um ihn an dich heran zu ziehen.

Natürlich muss ich eine Kraft ausüben. Der Stab besitzt schließlich eine Masse, also Trägheit, die sich einer Änderung seines Bewegungszustandes widersetzt.

> Das hatten wir schon. Der Stab besitzt das Potential (die Trägheit), kann aus seiner Trägheit aber in einem nicht beschleunigten Bezugssystem keine Trägheitskraft wirken lassen.

Das ist falsch.
Trägheitskraft: "In der Klassischen Mechanik bezeichnet Trägheitskraft"
{...}
"* den Widerstand, den ein Körper einer tatsächlichen Beschleunigung durch eine äußere Kraft aufgrund seiner Trägheit entgegensetzt. Dieser Trägheitswiderstand kann als eine Kraft angesehen werden, die der beschleunigte Körper „von innen heraus“ entwickelt, und die mit der äußeren Kraft formal ein („dynamisches“) Kräftegleichgewicht herbeiführt (d'Alembertsche Trägheitskraft). Falls die äußere Kraft von einem anderen Körper ausgeht, kann alternativ derselbe Trägheitswiderstand als die Gegenkraft im Sinne der Gleichheit von Actio und Reactio angesehen werden, die auf den zweiten Körper zurückwirkt."
{...}
"Grundlage der Erklärung der Trägheitskräfte ist das Trägheitsprinzip für Bewegungen, die relativ zu einem Inertialsystem beschrieben werden."

> Eine Reaktionskraft ist die Trägheitskraft ohnehin nicht.

Falsch. Siehe obiges Zitat.

> Eine Trägheitskraft (-ma) wirkt in beschleunigten Bezugssystemen gegen eine Reaktionskraft (ma), nicht die Trägheit.

Bitte nicht die Trägheitskraft in beschleunigten Bezugssystemen mit der Trägheitskraft in Inertialsystemen verwechseln.

> Und geht es dir nun darum, wie du Kräfte auf deinen Körper wirken lässt, oder muss nicht vielmehr ein äußerer Widerstand vorhanden sein, damit du dich als Ganzes (Körper) beschleunigen kannst?

Ja. Der "äußere Widerstand" für den Astronauten ist die Trägheit des Stabes, an dem er sich abstößt.

> Was passiert, wenn du keinen Boden (äußere Masse) unter den Füßen hast, wenn ein Fisch keine Wassermmoleküle um sich hat oder ein Flugzeug zu hoch fliegt und die Luft zu dünn wird?

Dann bleibt mir immer noch der Rückstoß als Antriebsmöglichkeit.

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Damit der Kontext nicht verloren geht stelle ich mein Gedankenexperiment wieder herein:

Wir ersetzen den Rumpf des Astronauten durch einen starren (physikalischen) Körper und den Arm durch eine Spiralfeder.

1. Die Spiralfeder wird gestaucht (zusammengepresst) und in dieser Position arretiert.
2. An dem einen Ende der Spiralfeder wird der starre Körper befestigt.
3. Das Schwert wird dicht vor das andere Ende der Spiralfeder gebracht, ohne es mit dieser fest zu verbinden.
4. Dieses System aus starrem Körper, Feder und Schwert befindet sich in Ruhe; es wirken keine äußeren Kräfte.
5. Die Arretierung der Spiralfeder wird gelöst.
6. Die Spiralfeder übt nun nach vorn eine Kraft auf das Schwert aus und nach hinten auf den starren Körper.
7. Das Schwert wird nach vorn beschleunigt und der starre Körper nach hinten.
8. Die Kraftwirkung endet, sobald die Feder ihre normale Länge erreicht hat.
9. Das Schwert und der starre Körper fliegen fortan mit konstanter Geschwindigkeit auseinander.

Wenn Du im Biologie-Unterricht aufgepasst hättest, dann wüsstest Du, dass die Skelettmuskulatur chemische Energie in mechanische umwandeln kann, und deshalb durchaus in der Lage ist, Kräfte auszuüben und Arbeit zu verrichten, ohne vorher "gespannt" werden zu müssen.

> Nun, dies geht aber nur, wenn deine Muskeln gegen Widerstand arbeiten oder Widerstand bieten müssen (isometrische oder exzentrische Kontraktion).

Das stimmt nicht.
Ein Muskel kann auch ohne Widerstand kontrahieren. Stichwort: Muskelkrampf

>>> Für den Umwandlungsprozess bedarf es aber einer Anspannung des Muskels (gegen äußeren Widerstand).

Das stimmt nicht.

> Doch, der Körper selbst erfährt isoliert im leeren Raum keine kinetische Energie.

Auch das stimmt nicht.
Ein Astronaut im Orbit besitzt natürlich kinetische Energie.
Auf der Flughöhe der ISS beträgt seine Geschwindigkeit immerhin knapp 8 km/s.

Erstens ist die Anspannung des Muskels eine Folge der Energieumwandlung, und zweitens zeigt jeder Muskelkrampf eindrucksvoll, dass es dazu keines "äußeren Widerstandes" bedarf.

> Das ist aber keine auf einen Körper einwirkende Kraft. Quizfrage: Könnte man mit Krämpfen erreichen, dass man seinem Körper beschleunigt?

Du lenkst ab.
Meine Erklärung bezog sich auf Deine Aussage, wonach es "für den Umwandlungsprozess {...} einer Anspannung des Muskels (gegen äußeren Widerstand)" bedürfe.

Es geht ja nicht darum, was vorher war, sondern was passiert, sobald die Arretierung der Feder gelöst bzw. der Arm bewegt wird, um den Stab abzustoßen.

> Nur in einer selektiv beschränkten Sichtweise. Natürlich geht es bei einer ehrlichen Ergründung darum, dass vorher Spannarbeit an einer Spannfeder vollrichtet wurde. Sonst hätte die Spannfeder keine Spannenergie zu bieten, müsste nicht in ihre alte Form zurückfinden, wenn das Hindernis gelöst wird.

Das ist doch irrelevant.
Du fragst ja auch nicht, was der Astronaut vorher gegessen hat, um genug Energie für die Bewegung seines Armes zu besitzen.

> Genau das ist das Problem bei deinem Beispiel. Dein Arm ist alles andere als eine Spannfeder.

Ja. Der Arm besteht aus Haut, Muskeln, Knochen usw. und die Spannfeder aus Metall.

Das spielt aus physikalischer Sicht allerdings in diesem Zusammenhang keine Rolle, welchen Ursprungs die Kraft ist, die Astronaut und Stab voneinander abstößt.

>>>>> Du könntest auch gleich dazu übergehen und so tun, als würden Raketen wie Pistolen funktionieren.

Ja. Physikalisch gesehen besteht da kein großer Unterschied.

>>> Nicht miteinander vergleichbar. Die exotherme Reaktion einer Rakete soll im Vakuum stattfinden, nicht in einer Druckkammer (einem Körper), wie z.B. dem Druck aufbauenden Lauf einer Pistole.

Doch vergleichbar, denn die Verbrennung findet ja in der Brennkammer (Düse) statt und eben nicht erst im Vakuum, da dort der Wirkungsquerschnitt für die chemische Reaktion viel zu klein wäre.

> Die Brennkammer ist in einem Vakuum.

Sie ist - grob vereinfacht - von Vakuum umgeben, aber im Innern eines Raketentriebwerkes herrscht eben gerade kein Vakuum. Dort reagieren ja die Treibstoffe miteinander.

> Und damit wirkt das Vakuum (10^-13mBar) auf die gewollte chemische Reaktion wie jedes Vakuum: ruhend langweilig.

Aus einer Fachbereichsarbeit "Raketentechnik" (pdf): "In der Großraketentechnik werden die Triebwerke meistens für einen Mündungsdruck von 7 bis 8 N/cm² ausgelegt, sodass der Nennschub erst in einer bestimmten Höhe erreicht wird."
Der Druck im Brennraum einer Lavaldüse liegt deutlich höher. Nix Vakuum.

> Dass bei fehlender Massebeschleunigungen (Kraft) der Moleküle in Richtung Vakuum auch keine Massebeschleunigungen (Kraft) von Molekülen in Richtung vordere Brennkammerwand möglich ist, habe ich hier ja bereits zur Diskussion gestellt.

Die Moleküle werden in der Brennkammer auf um die 3000°C erhitzt, folglich beschleunigt. Demnach wirken Kräfte.

> Wie der Korridor/Winkel für solche Vektoren geöffnet werden soll, konnte mir hier niemand beantworten.

Das liegt vielleicht daran, dass die Frage absolut unverständlich ist.

>>> Wo ist der äußere Widerstand, wenn du einen Arm im leeren Raum ausstrecken oder an dich heranziehen willst?

Wo ist der äußere Widerstand, wenn sich die Feder nach dem Lösen der Arretierung entspannt?

> Die Spannfeder ist kein Arm.

Siehe oben.

> Es wird bei ihr keine chemische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Die Arretierung wird gelöst und die vorhandene Spannenergie (potentielle Energie) wird in kinetische Energie der nun beschleunigten Körper umgewandelt.

Ja.
Diese Erkenntnis halten wir jetzt mal fest: man kann im Vakuum auf zwei Körper wechselseitig Kräfte wirken lassen, die sie auseinander treiben.

> Der unterschied zum Arm ist, dass die Spannfeder, um in ihre Ursprungsform zurück zu kommen, eine Ausdehnung zwischen dem davor und dahinter befindlichen Körpern beansprucht. D.h. es führt kein Weg daran vorbei, dass beide Körper ihren Bewegungszustand verändern.

Da ist kein Unterschied.
Wenn der Astronaut das Schwert zunächst dicht am Körper hält und es dann mittels einer raschen Muskelanspannung in Oberkörper und Arm von sich stößt, passiert exakt das gleiche. Der gestreckte Arm beansprucht auch mehr Platz.

> Wenn hingegen ein Astronaut einen Stab wegzudrücken versucht, dann beschleunigt weder die Masse des Stabes, noch die Masse des Astronauten.

Das ist falsch.
Schließlich haben auch in diesem Fall beide Körper ihren Bewegungszustand verändert.

> Du verfällst leider dem Irrglauben, dass die Muskeln des Astronauten eine Kraft auf den Stab ausüben können. Doch da ist nichts, was einen Widerstand für eine Umwandlung bietet.

Und wieso kann dann die Spannfeder Astronaut und Stab auseinander treiben?
Wo wäre denn da Dein ominöser "Widerstand"?

Aus physikalischer Sicht ist es egal, wie die Kraft entsteht, die den Stab beschleunigt.

> Nein, die Umwandlung von Spannenergien (Lageenergie) in kinetische Energien (Bewegungsenergie) ist leider etwas völlig anderes, als die Umwandlung chemischer Energien (chemischer Verbindung in einem Energieträger), über chemische Reaktionen bzw. Volumenausdehnungen (Verbrennung, Oxidation), in kinetische Energie.

Das spielt keine Rolle. Es kommt bei der Beschleunigung der Massen ausschließlich auf die Kraftwirkung an.
Zeige mir die Stelle in den Newtonschen Gesetzen, an der bezüglich der Herkunft der Kräfte differenziert wird.

> Schon deshalb, weil physikalische Vorgänge umkehrbar sind und chemische Reaktionen nicht umkehrbar sind, ...

Selbstverständlich sind chemische Reaktionen umkehrbar.
Beispielsweise wird im Hochofen die Oxidation von Metallen rückgängig gemacht, die Verdauungsenzyme Deines Magens spalten komplexe Moleküle in resorbierbare Bruchstücke auf, und beim Reaktionsgleichgewicht finden Hin- und Rückreaktionen sogar gleichzeitig statt.

Bitte tu uns einen Gefallen: nachdem Du Dich schon auf dem Gebiet der Physik bis auf die Knochen blamiert hast, in der Biologie kurz davor stehst, fange nun nicht auch noch mit Chemie an. Das kann nur in die Hose gehen.