Mechanik

Beschleunigte Bewegung

Der freie Fall

  • Was heißt eigentlich „Von 0 auf 100 in 6 Sekunden“?
  • Ist Bremsen denn auch Beschleunigen?
  • Wird man beim Beschleunigen wirklich immer schneller?

Der freie Fall

Der freie Fall ist eine der wichtigsten beschleunigten Bewegungen, die wir im Alltag beobachten können. Gleitet uns eine Tasse aus der Hand, fällt sie frei zum Boden mit bekanntem Ergebnis. Wenn wir beim Gehen nicht aufpassen, fallen wir u. U. ein kleines Wegstück frei mit oft unangenehmen Folgen.

Schon im Altertum beschäftigte man sich mit diesem Bewegungstyp und entwickelte Vorstellungen, die erheblich von den heutigen Überzeugungen abweichen, die aber als Fehlvorstellungen beim Lernenden häufig zu finden sind.

In den Schriften des Aristoteles werden die Vorstellungen vom Aufbau des Kosmos und daraus resultierend die Erklärung des Ablaufs von Bewegungen dargestellt. Mit geringen Abänderungen hielt sich die Lehre der alten Griechen bis etwa in das 16. Jahrhundert, also ca. 2000 Jahre lang.
Erst mit einer neuen Herangehensweise an naturwissenschaftliche Fragestellungen, bei denen das Experiment eine entscheidende Rolle spielte, gelangte man zu deutlich abweichenden Erkenntnissen, die aber - scheinbar - mit unseren Erfahrungen aus dem täglichen Leben nicht so ohne weiteres in Einklang zu bringen sind.

Aristoteles (384 - 322 v. Chr.),
griechischer Philosoph

Der Kosmos der alten Griechen und deren Aussagen zum freien Fall
Im Mittelpunkt des Kosmos steht die Erde. Die irdische Sphäre besteht aus den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer. Über der irdischen Sphäre erhebt sich die himmlische Sphäre mit den Gestirnen.

Die Bewegungen in den verschiedenen Sphären werden unterschiedlich erklärt:

  • Himmlische Bewegungen
    Sie erfolgen harmonisch nach einer "ewigen Ordnung". Die Gestirne bewegen sich von selbst gleichförmig auf idealen Kreisbahnen.
  • Irdische Bewegungen
    Sie erfolgen nicht auf regelmäßigen, "göttlichen" Bahnen und müssen eine Ursache haben.

 

    • Bewegung von Lebewesen
      Die Ursache für die Bewegung eines Körpers ist dessen "Lebendigkeit".
      Beispiele: Das Schwimmen der Fische, das Fliegen der Vögel, das Gehen der Menschen.
    • Natürliche Bewegungen
      Durch die natürliche Bewegung wird eine gestörte Ordnung wieder hergestellt. Schwere Körper sind "unten" angeordnet und leichte Körper "oben". Daher hat ein schwerer Stein das natürliche Bestreben nach unten zu fallen und der leichte Rauch steigt nach oben.
      Verschieden schwere Körper streben unterschiedlich stark nach unten: Je höher die Gewichtskraft eines Körpers ist, desto größer ist seine Fallgeschwindigkeit.

 

 

    • Erzwungene Bewegungen
      Im Gegensatz zu den natürlichen Bewegungen erfordern erzwungene Bewegungen einen aktiven äußeren Beweger, bzw. eine ständig wirkende Kraft. Nur dadurch kann sich ein Körper von seinem natürlichen Ort entfernen oder von einer natürlichen Bewegung abweichen. Als typisches Beispiel wird hier immer der Ochsenkarren angeführt, der sich nur bewegt, wenn der Ochse zieht.

Die Untersuchung des freien Falls durch Galilei
Als ein sehr wichtiger Vertreter der im 16. Jahrhundert aufkommenden naturwissenschaftlichen Arbeitsweise gilt Galileo Galilei, der sich u. a. auch mit dem freien Fall beschäftigte. Dabei kam er zu den folgenden Ergebnissen:

  • Der freie Fall ist eine konstant beschleunigte Bewegung mit der Beschleunigung a = 9,81 m/s2. Man schreibt für die Erdbeschleunigung zu Ehren Galileis auch g = 9,81 m/s2.
  • Im Gegensatz zu Aristoteles fallen nach Galilei alle Körper - unabhängig von ihrer Gewichtskraft - gleich schnell.
  • Schon bei Galilei taucht die vage Vermutung auf, dass zwischen irdischer und himmlischer Bewegungslehre kein Unterschied ist.

von Justus Sustermans [Public domain],
via Wikimedia Commons

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