Willkommen auf meinem Weblog / Welcome to my blog

Es startet die Entdeckungstour auf verschlungenen Pfaden zu unentdeckten physikalischen Forschungen und Themen, die sich ergebnislos im Gespräch befanden und deren Rätsel durch dieses Blog kaum gelöst, aber zumindest gemeinsam etwas bedacht und besprochen werden können. Was sonst noch als bedeutsam im Leben oder der Umgebung wahrgenommen wird, landet hier auch. Der Leser kann selber problemlos kommentieren - was als Feedback und Ergänzung der Artikel wünschenswert wäre.
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A short translation of the article in English You find at the end of the blog.

Freitag, 27. November 2009

Auf den Spuren der Tide



Unter dem Begriff "Tide" versteht man das vermutlich durch den Erdtrabanten, dem Mond, hervorgerufene regelmäßige Fallen und Steigen des Meeresspiegels. Fragt man nach den Ursachen von Ebbe und Flut, so wird man schnell merken, daß sich dieses Thema noch mitten in einer Diskussion befindet. Da sich zwei Flutberge auf entgegengesetzten Punkten des Erdkörpers bilden und diese Orte auf der Verbindungsgeraden von Erde und Mond liegen, wird der Mond als eine Ursache angesehen. Der Einwand, daß auch die Sonne mit ihrer Massenanziehung eine Auswirkung haben könnte, wird dadurch entkräftet, daß das Verbleiben der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne voraussetzt, daß sich hier Anziehungskraft und Zentrifugalkraft die Waage halten und sich somit an jedem Ort gegenseitig aufheben. Der Drehpunkt des Erde-Mond-Systems liegt 11000km von der mondabgewandten Seite der Erde entfernt und befindet sich somit noch innerhalb des Erdkörpers. Es wirken sich mehrere Kräfte auf die Meeresflächen aus:


  • Die Anziehungskraft des Mondes
  • Die Zentrifugalkraft des Erde-Mond-Systems
  • Die Erdanziehungskraft
  • Die Zentrifugalkraft der Erdrotation

Zuerst sollen die wirksamen Kräfte auf der mondzugewandten und der mondabgewandten Seite untersucht werden:
  • Nach dem Gravitationsgesetz errechnet sich der Betrag der Massenanziehung nach der Formel: F_g=Y*m_1*m_2/r²
  • Die Mondanziehung würde sich dann nach folgender Formel berechnen: F_gm=Y*m*m_m/r²
  • Hierbei sind: Gravitationskonstante Y=6,67*10^(-11)m³/s²kg
  • Mondmasse m_m=7,36*10^22kg
  • Mittlerer Bahnradius (Abstand des Mondes) r_m=3,84*10^8m
  • Wenn die Masse eines Gegenstandes m=1kg beträgt, ergibt sich folgende Rechnung: F_m=6,67*10^(-11)*1*7,36*10^22/(3,84*10^8)²=33,29µN
Berechnung der Zentrifugalkraft des Erde-Mond-Systems:
  • Das Erde-Mond-System rotiert in 27,3215 Tagen um seinen Drehpunkt, der sich innerhalb des Erdkörpers 4700km von der Erdachse entfernt befindet.
  • Die Zentrifugalkraft errechnet sich nach der Formel: F_z=m*v²/r wobei v=omega*r und omega=2*pi/T und v=2*pi*r/T ist.
  • Somit gilt die Formel: F_z=4*pi²*m*r/T²
  • Für den Punkt auf der mondabgewandten Seite gilt dann mit r_ab=4700km + 6370km=11070km
  • F_zab=4*pi²*1*1,107*10^7/(27,3215*24*3600)²=78,4279µN
  • Für den Punkt auf der mondzugewandten Seite gilt dann mit r_zu=6370km-4700km=1670km F_zzu=4*pi²*1*1,67*10^6/(27,3215*24*3600)²=11,83µN

Wirksame Kräfte auf der mondzugewandten und mondabgewandten Seite:
  • Somit errechnet sich eine wirksame Kraft für die Flut auf der mondabgewandten Seite von: F_ab=F_zab-F_m , eingesetzt: F_ab=78,4279µN-33,29µN=45,1379µN
  • Somit errechnet sich eine wirksame Kraft für die Flut auf der mondzugewandten Seite von: F_zu=F_zzu+F_m, eingesetzt: F_zu=11,83µN+33,29µN=45,12µN
Diese Kräfte wirken senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche. Um die Frage nach ihrer Wirksamkeit zu beantworten, muß der Unterschied solcher nach oben gerichteter Kraftwirkungen zwischen den Verhältnissen außerhalb des Wassers zu denen im Wasser bedacht werden. Ein in einem Behältnis befindlicher Liter Wasser läßt sich "an Land" nicht durch eine Kraft von z.B. 1 N anheben. Befindet sich dieser Wasserbehälter jedoch schwebend unterhalb der Wasseroberfläche, so kann er durch die Kraft von 1 N leicht nach ober bewegt werden. Das Phänomen wird dadurch erklärt, daß bei einem schwebenden Gegenstand im Wasser sich einerseits dessen Gewichtskraft und andrerseits seine von der Wasserverdrängung verursachte Auftriebskraft aufheben und somit eine geringfügige Kraft zu einer Bewegung führt. Aus diesem Gedankengang folgt die grundlegende Erkenntnis für den nachfolgenden Ansatz: "Wasserteilchen schweben!" Auf der mondzugewandten Seite wirkt auf 1 Liter Wasser eine Kraft von F_zu=45,12µN, die "nach oben" gerichtet ist. Somit erzeugt eine größere Wassertiefe auch eine Zunahme der nach oben gerichteten Kraft. Angenommen wird, daß z.B. bei einer Wassertiefe von 1000m sich eine Kraft von F=45,12µN*10000=0,4512N ergibt, d.h. man stellt sich vor, daß 10000 1dm³-Würfel übereinander gegen die Wasseroberfläche gepreßt werden. Hierdurch wird nach dieser Hypothese die Wasseroberfläche so weit gehoben, bis der Schweredruck des gehobenen Wassers genauso groß ist, wie die von unten wirkende Kraft des 1000m tiefen Wassers. Da sich die Flächen gegenseitig kürzen, braucht man nicht mit dem Druck, sondern nur mit der Gewichtskraft rechnen:
  • F_g=A*h*rho*g, h=F_g/A*rho*g h=0,4512N/(0,01m²*1000kg/m³*9,81m/s²)=0,0046m =4,6mm
Wer sich allerdings die Wasserstände von Hoch- und Niedrigwasser ansieht, wird Werte von mindestens 2m dabei entdecken. Der scheinbare Widerspruch zwischen den zuvor errechneten 4,6mm und dem beobachteten Tidenhub von 2m kann durch zwei Denkansätze aufgelöst werden.

1. Denkansatz: Wenn Großflächigkeit und Geschwindigkeit dieser gehobenen Wasseroberfläche bedacht werden, kann durch eine geringfügige Anhebung des Wasserstandes im offenen Meer eine Flutwirkung im Küstenbereich bewirkt werden. Beispiel: Gibt man einem kleinen Teppich auf Parkettfußboden Schwung, so türmt er sich an der Fußleiste auf. Entsprechendes geschieht mit einer Ölfläche, die gegen einen Rand bewegt wird. Die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Erde beträgt am Äquator V=2*pi*r/T V=2*pi*6,37*10^6/24*3600=463m/s=1667,6km/h Betrachtet man den Zeitraum von 1h, so ergibt sich trotz der nur geringstfügigen Anhebung der Wasseroberfläche doch ein beträchtliches Volumen, welches zusätzlich den Wasserstand steigert. Das Wasser staut sich nach diesem Modell schräg auf und man kann das Volumen der gehobenen Meeresfläche mit dem Volumen der aufgestauten Meeresfläche an der Küste gleichsetzen. Da für dieses Volumen eine gleiche Ausdehnung in der Breite angenommen wird, können die Querschnittsflächen A des gehobenen und aufgestauten Wassers gleichgesetzt werden. Somit hat die gehobenen Wasserfläche eine Länge von 1667000m, weil eine Zeitdauer von 1h angenommen wurde, in welcher die Erde bei v=1667km/h sich um eine Entfernung von 1667*1000m bewegt. Die Anhebung der Wasserfläche wurde mit 4,23mm, d.h. 0,00423m, angenommen, so dass nunmehr A=1667000*0,00423m²=7051,41m² errechnet werden kann. Das Ziel wäre die Höhe h des aufgestauten Wassers zu berechnen, hierzu wird die Querschnittsfläche A als Dreiecksfläche angenommen, so dass sich diese Fläche aus A=g*h/2 ergibt und da ein Winkel vorkommt, kann gerechnet werden, dass tan(alpha)=Gegenkathete/Ankathete=GK/AK ist, wobei GK=h und AK=h/tan(alpha). Somit wäre die Dreiecksfläche A=h*h/(2*tan(alpha)); h²=2*A*tan(alpha); h=sqrt(2*A*tan(alpha))=sqrt(2*1667,6*1000*4,23*tan(1°)/1000)=15,69m


2. Denkansatz: In diesem sollen als Ursache von Ebbe und Flut die Erdanziehungskraft und die Fliehkraft der Erdrotation als wesentlich angesehen werden. Da die Wasserteilchen frei verschiebbar sind, d.h. schweben, kommt es zu der Frage, was sie daran hindert, einfach geradlinig tangential in den Weltraum wegzufliegen.

Die Verhältnisse des Meeres können mit einem Wassereimer verglichen werden, wobei die begrenzenden Umrandungen durch den Meeresgrund und die Meeresoberfläche gebildet werden, d.h. die Wasserteilchen schweben im "Behältnis" des Meeres und werden aufgrund der Schwerkraft nach oben durch die Meeresoberfläche begrenzt. Erst, wenn ein Wasservolumen als Welle oder Dünung aus dem Gesamtvolumen des Wassers heraus geschoben wird, kommt es zu einer Wirkung von Gravitationskräften der Erde, des Mondes, bzw. der Fliehkraft des Erde-Mond-Systems. Somit kommt es nur dann bei den Wellen zum Gleichgewicht von Erdanziehung und Fliehkraft per Erdrotation. Will man nun begründen, wie es zu den Flutbergen auf der mondzugewandten und mondabgewandten Seite des Globus kommt, so gilt, dass nur an diesen Stellen die Drehrichtung des Erde-Mond-Systems exakt in Richtung der Erdrotation wirkt und somit die Umfangsgeschwindigkeit der hier befindlichen Wasservolumen gesteigert wird. Nunmehr schiebt sich an diesen Stellen die Meeresoberfläche höher aus dem Wasser des Ozeans heraus. Die Flutberge bilden sich nicht per "Strömung", sondern per "Schiebung" - die dadurch zustande kommt, dass in der "Flutzone" das Wasser aufgrund der Bewegung des E-M-Systems eine höhere tangentiale Geschwindigkeit hat, die höhere Auftürmungen benötigt, um per Erdanziehung in der Kreisbahn gehalten zu werden. Insgesamt ist somit einerseits allgemein "Dünung" oder auch Wellengang erforderlich, um das Wasser in eine Kreisbahn zu lenken und andererseits sind "Flutberge" erforderlich, um trotz höherer Umfangsgeschwindigkeit oder Bahngeschwindigkeit das Wasser in die Kreisbahn zu drücken, da erst dann die Gewichtskräfte sich begrenzend auf die tangentiale Bewegung des Wassers auswirken. Wenn sich im Bereich der Flut die Umfangsgeschwindigkeit erhöht, dann kommt es zu höheren Aufschiebungen.







Letzte Änderung: 2. Dezember 2009, 20:15

Bei den Ausführungen handelt es sich um Modelle, Theorieentwürfe und Meinungen, die sich in der Diskussion befinden und nach bestem Wissen und Gewissen als Anregung publiziert werden.

Donnerstag, 26. November 2009

Ideal und Wirklichkeit am Beispiel der Zentripetalkraft











Der physikalische Begriff "Kreisbewegung" (Synonym: Rotation) ist grundlegend für das Verständnis einer Vielzahl von physikalischen Vorgängen: Erdrotation, Tide, Räder von Fahrzeugen und Zentrifugen. Aufgrund dieser Bedeutung für die Alltagsphysik ist es nicht nebensächlich, ob solche Vorgänge der Kreisbewegung angemessen verstanden werden. Eine Diskussion existiert hier bezüglich des Winkels zwischen dem Vektor der Bahngeschwindigkeit des Massepunktes und der wirkenden Zentripetalkraft. An dieser Stelle soll die These vertreten werden, dass dieser Winkel geringfügig größer als 90° sein kann.
Der Begriff "Zentripetalkraft" kann mathematisch und physikalisch beschrieben werden. Mathematisch ist es eindeutig, dass die "Zentripetalkraft" senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor steht und dies kann bewiesen werden. In Bezug auf das physikalische Phänomen "Zentripetalkraft" streiten sich die Gelehrten, ob diese senkrecht auf dem Geschwindigkeitsvektor steht. Ohne Zweifel ändert der Geschwindigkeitsvektor ständig seine Richtung und behält seinen Betrag bei. Die Richtungsänderung muss bewirkt werden. Würde man ausschließlich eine senkrechte Kraft wirken lassen, so würde sich der Betrag der Geschwindigkeit erhöhen. Aus diesem Grunde spräche viel dafür, dass der Winkel zwischen Geschwindigkeitsvektor und Vektor der Zentripetalkraft etwas größer als 90° ist, damit einerseits in der alten Richtung tangential abgebremst und Richtung Mittelpunkt beschleunigt wird. Es gab in der Wissenschaftsgeschichte ständig Abweichungen zwischen der etablierten und veröffentlichten Meinung der Wissenschaft und offenkundigen physikalischen Tatsachen. Meines Erachtens existiert in diesem Fall ein Unterschied zwischen dem mathematischen Modell und dem physikalischen Phänomen, da die in der Analysis gebräuchlichen Grenzwertbildungen nicht in jedem Fall auf die physikalische Realität übertragen werden können. In dem Fall der Zentripetalkraft sollte von Zeitintervallen und nicht von Zeitdifferentialen dt gesprochen werden, da der Zentripetalkraft eine Wirkungskette zugrunde liegt.


















Zur Klärung des physikalischen Sachverhaltes in einem solchen angesprochenen Intervall wäre von dem Geschwindigkeitsvektor der Bahngeschwindigkeit am Anfang des Intervalls der entgegen gerichtete Geschwindigkeitsvektor aufgrund einer Verzögerung zu subtrahieren und zum anderen ein Geschwindigkeitsvektor in Richtung Mittelpunkt geometrisch zu addieren, so dass sich am Ende des Intervalls ein neuer Geschwindigkeitsvektor mit altem Betrag gebildet hat. Die Verzögerung wird - meiner Meinung nach - dadurch bewirkt, dass die Zentripetalkraft im Winkel von mehr als 90° wirkt und damit eine "rückziehende" Wirkung erzeugt.

Dienstag, 24. November 2009

Rezension einer Anthologie

Das Geschichten-Buch: "Eine abgedrehte Schiebung am Rande der Galaxie" hat eine Rezension bekommen:

Wie durch ein Schlüsselloch können Leser fremdartige Lebenswelten entdecken. Durch die geliehene Brille des Autors materialisieren sich Thematiken, die den kühnsten Träumen nicht eingefallen wären. In
der Geschichten-Sammlung "Eine abgedrehte Schiebung am Rande der Galaxie" geht es um Prosa-Texte, die vorwiegend der literarischen Kategorie Science-Fiction entstammen. Zukunftswelten werden so skizziert, die sich aus der Extrapolation heutiger Technik und Wissenschaft ableiten lassen. Man kann den Helden bei ihren unwahrscheinlichen und abstrusen Abenteuern folgen und über deren mitreißenden Humor schmunzeln. Diese Kurzgeschichten-Sammlung wird um einige skurrile Alltags- und Kriminalgeschichten erweitert. "Bitte schnallen Sie sich an, die Lese-Reise startet in wenigen Minuten!" Wie durch ein Kaleidoskop blättert sich eine Geschichten-Landschaft auf: Forcierte und rückwärtslaufende Stunden begleiten die Lesezeit. Wer Bücher bereits im Weggehen studiert, stellt staunend fest, dass ein Engel mit seiner goldenen Trompete vor dem überall herumliegenden Rutsch-Unrat warnt. Unwillkürlich blickt der Leser nach oben, wenn er liest, dass sich die "Ballerinen des Universums" meterhoch über dem Boden ihrer Großraumstation treffen. Vielleicht wird er dann probeweise einen Passanten nach "Shaddy" fragen. Im Buch wird die Frage von einer Figur mit weißgekalkter Straßenmaske beantwortet, die sich tanzend und singend im Rausch bewegt: Shaddy befindet sich in der vierten Straße. So schleicht man die weißen Marmorstufen zum Parkplatz hinunter und hält sich am chromblanken Treppengeländer fest, während die andere Hand eine zerschlissene Plastiktasche mit dieser Anthologie hält. Rosi leitet einen Erpresser-Ring mit den geilsten Druckmachern des Kontinents trotzdem - heute lächelt sie auf dem Weg zu ihrem Daimler spitzbübisch herüber. Einmal im Monat geht der Protagonist abends zur Sekte. Dort öffnet ein Meister seine Sprachausgangsklappe und trägt irgendeine Belegstelle aus seiner Interaktionstheorie vor. Die Gedanken bleiben bei Lesefetzen wie aus dem Unterricht im Fach Biologie hängen: Einzelne Zellen können dumpf murmeln, sphärische Lieder singen und nervenzerfetzenden Lärm schlagen. Die junge Dame am Nebentisch lässt derweil Orangensaft aus der Karaffe in ihr Kristallglas strömen und schubst noch einen Eiswürfel hinterher, dann steht sie auf und zieht einen süßen Riegel TwixiPic aus dem Automaten der Verlagskantine. Die Werbetrommel flüstert von Surfurlauben am Meer der elektromagnetischen Wellen, mit Ausflügen zu den Strudeln der Gravitation. Derweil sitzt die Tochter mit ihrer Flurbrigade im Amt für Prüfungswesen und erwartet dibbernd das Promotions-Thema: Vielleicht schreiben wir über den Ehrbegriff kybernetischer Existenzen? Doch nach so vielen allzu menschlichen Textanfängen, sollte die Lesevertiefung nicht hinaus gezögert werden. Wie aus einer Phantasie-Maschine strömen dann aus einem Multiversum Wesen der gefährlichsten Art, die sich mit Halbkreaturen und todbringenden Maschinen umgeben. Doch keine Angst, multiple Persönlichkeiten leben länger.

Montag, 23. November 2009

Versuch macht klug

Step by Step - und das sind Mäuseschritte, mit denen es bei den Vorarbeiten zur dritten Auflage des Buches "Von Antenne zu Antenne" weiter geht. Ziel in einem solchen Projekt ist in erster Linie nicht die erfolgreiche Beendigung des Gesamtprojektes, sondern die Bewältigung des nächsten kleinen Schrittes erfordert alle Kräfte. Unbedingt war zu klären, ob ein Hochspannungssignal über größere Entfernung schneller als ein Niederspannungssignal ist. Die obenstehende Schaltungsskizze zeigt den Versuchsaufbau:
Die Hochspannung wird mit Hilfe von Kondensatoren erzeugt - man kann mit Hilfe einer 9-Volt-Batterie so eine Spannung von 20 000 Volt machen. Diese Hochspannung wird mit Hilfe von zwei Spannungsteilern in dem einen Übertragungskanal am Anfang auf Niederspannung reduziert und in dem anderen Kanal am Ende, so dass über die Gesamtstrecke einerseits ein Hochspannungssignal läuft und andrerseits ein Niederspannungssignal. Beide Signale sind dann am Eingang der Auswertungsschaltung mit den zwei Relais auf Niederspannung 10 Volt reduziert und es zieht das Relais des Kanals zuerst an, wo das Signal zuerst eintrifft. Der andere Kanal wird dann per Öffner-Kontakt des anderen Relais gesperrt und ein Lämpchen zeigt an, welche Signalart den Wettlauf gewonnen hat. Das ist die Theorie und nun geht es mit der Verwirklichung schrittweise weiter.