Logo PTB

maßstäbe Heft 11: Kräfte messen

Impressum

Herausgeber:
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin
Redaktion:
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, PTB
Postfach 3345, 38023 Braunschweig
Telefon: (0531) 592-3006
Fax: (0531) 592-3008
E-Mail: presse@ptb.de, massstaebe@ptb.de
Redakteure: Imke Frischmuth (if), Brigitte Röthlein (br, E-Mail: brigitte@ roethlein-muenchen.de), Erika Schow (es), Jens Simon (jes, verantwortlich)
Grafik und Layout: Alberto Parra del Riego (alb)
Autoren: Birgit Ehlbeck, Ilka Flegel, Frank Frick, Nicole Geffert, Anne Hardy, Ute Kehse (uk), Jan Oliver Löfken, Brigitte Röthlein, Dörte Saße, Rainer Scharf, Axel Tillemans (at)
Redaktionsassistenz: Cornelia Land
Druck:
westermann druck GmbH, Braunschweig
© PTB. Alle Rechte vorbehalten.

Bitte geben Sie bei einem auszugsweisen Nachdruck Quelle und Autor an und benachrichtigen Sie die Redaktion.
Braunschweig, Mai 2011

Falls Sie die maßstäbe unterstützen möchten: Die maßstäbe bleiben weiterhin kostenfrei. Wir freuen uns aber über jede finanzielle Hilfe. Für alle, die etwas für die maßstäbe übrig haben, folgt hier die Bankverbindung. Wenn Sie bei Ihrer Überweisung die maßstäbe als Verwendungszweck (s. u.) eintragen, kommen die Gelder auch einzig und allein der Redaktionsarbeit und der Produktion des Magazins zugute.


Deutsche Bundesbank, Filiale Leipzig
Bankleitzahl: 860 000 00
Kontonummer: 860 010 40
Verwendungszweck: PTB-Maßstäbe, Nr. 11 (2011)


Für Überweisungen aus dem Ausland:
IBAN: DE 38 8600 0000 0086 0010 40
BIC: MARKDEF 1860

Vorwort

Alles, was hochsteigt, kommt wieder runter. Auch die Maßstäbe-Redaktion (im freien Fall von links: Imke Frischmuth, Jens Simon, Erika Schow, Alberto Parra del Riego) kann der Schwerkraft nicht entfliehen. Leider.Foto: original-okerland
Alles, was hochsteigt, kommt wieder runter. Auch die Maßstäbe-Redaktion (im freien Fall von links: Imke Frischmuth, Jens Simon, Erika Schow, Alberto Parra del Riego) kann der Schwerkraft nicht entfliehen. Leider.
Foto: original-okerland

Autor: Jens Simon

Liebe Leserin, lieber Leser,
denken Sie auch manchmal an Kraft? Vielleicht einen Gedankender Art „Mensch, bin ich heute schlapp und kraftlos!“am Morgen nach einer viel zu kurzen Nacht oder am Abendeines viel zu zergliederten Tages? Und denken Sie manchmalauch das Gegenteil, etwa: „Heute könnte ich Bäumeausreißen!“, wenn Sie Ihrem Körper oder Ihrer Seele zuvorviel Gutes angetan haben? Wenn das so ist, dann denken Sievöllig „normal“, denn Sie registrieren dann das Besondere,die Extremausschläge. Über den gewöhnlichen Zustand denkenSie eher nicht nach. Aber warum eigentlich nicht? DieKraft, wenn auch mal mehr, mal weniger, ist immer da. Undist sie wirklich gewöhnlich oder nicht vielmehr immer etwasBesonderes? Denn was ist das eigentlich, diese „Kraft“? Undgibt es nur eine? Und hatte nicht Newton auch etwas Schlauesdazu gesagt? Aber kaum haben Sie solche Gedanken gedacht,geraten Sie vermutlich ins Schwimmen und scheinen denBoden unter den Füßen zu verlieren. Kein begrifflicher Haltmehr, sich daran festzuklammern. Aber keine Sorge: Dasist in diesem Anfangszustand völlig normal. Warum soll esIhnen auch anders ergehen als der maßstäbe-Redaktion, diediesem Begriff auf den Grund gehen wollte, sich anfangswie auf einer schiefen Ebene fühlte, mächtig ins Rutschenkam, zeitweise sogar den Boden unter den Füßen verlor,sich aber schließlich doch wieder fangen konnte. BegleitenSie die maßstäbe – Sie sind herzlich dazu eingeladen – aufIhrer Flugparabel, die natürlich da beginnt, wo alles beginnt.Fliegen Sie mit durch Raum und Zeit, aber hüten Sie sichvor Schwarzen Löchern und Antimaterie. Genießen Sie zwischendurchdas bauchkribbelnde Gefühl der Schwerelosigkeitoder transformieren Sie lästige Kräfte mal einfach weg, bevorSie sich vom Schwerefeld der Erde wieder einfangen lassenund in den Laboratorien der Kraftmesser der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt landen. Aber nicht, dass IhreFlugbahn hier beendet ist: Die Energieerhaltung sorgt schondafür, dass Sie sich noch einmal vom Boden abstoßen, in atomareGefilde vordringen (Vorsicht: Keine voreilige Bindungeingehen!), um schließlich wieder ganz bei sich, beim Hirnund dem eigenen Denken zu landen.Die maßstäbe-Redaktion wünscht Ihnen einen guten Flugund: Möge die Kraft mit Ihnen sein!

Kraftakt

Cartoon: Bernd Pfarr/VG Bild-Kunst, Bonn
Cartoon: Bernd Pfarr/VG Bild-Kunst, Bonn

Autor: Jens Simon

Das erste Problem steckt immer im Anfang. Denn ein Anfang will nicht nur gemacht, er will auch gut gemacht sein. Legt doch ein Anfang fest, wohin die Reise geht. Nach Osten, nach Westen? Nach oben, nach unten? Welche Wahl soll ich treffen? Kenne ich alle Alternativen? Sollte ich dann im Laufe der Reise merken "Ach, mein Anfang war wohl nicht so glücklich!", kann ich dann zurück auf Anfang gehen? Vollständig gelingt dies freilich nie. Reversibilität ist ja schließlich nur eine Erfindung idealisierender Physiker oder unverbesserlicher Optimisten. Also trägt, wer anfängt, die große Last der Verantwortung für die Konsequenzen des Anfangs. Wer aber eine große Last tragen will, braucht viel Kraft. Umso mehr gilt dies, ist der Anfang nicht irgendeiner, sondern der allererste überhaupt – der Anfang von allem. Wie viel Vorbereitung mag diesem Anfang vorausgegangen sein? Welche Heer­schar von Engeln oder Projektmanagern musste rund um die (damals noch gar nicht erfundene) Uhr arbeiten, um nur ja kein Detail des Ablaufs und keine relevante Anfangsbedingung des Systems zu vergessen? Aber irgendwann war es dann soweit und es machte nicht nur "Bang!", es machte „Big Bang!“, und die Geschichte nahm ihren Lauf. Und so läuft sie schon über 13 Mil­li­ar­den Jahre. Von nichts anderem angetrieben als von einem großen Kraftakt am Anfang und vielleicht ein paar Zufälligkeiten beim Reiseverlauf.

Im Anfang war die Kraft

Autorin: Ilka Flegel

Geschrieben steht: „Im Anfang war das Wort!“
Hier stock’ ich schon! Wer hilft mir weiter fort?
Ich kann das Wort so hoch unmöglich schätzen,
Ich muss es anders übersetzen,
Wenn ich vom Geiste recht erleuchtet bin.
Geschrieben steht: Im Anfang war der Sinn.
Bedenke wohl die erste Zeile,
Dass deine Feder sich nicht übereile!
Ist es der Sinn, der alles wirkt und schafft?
Es sollte stehn: Im Anfang war die Kraft!
Doch, auch indem ich dieses niederschreibe,
Schon warnt mich was, dass ich dabei nicht bleibe.
Mir hilft der Geist! Auf einmal seh’ ich Rat
Und schreibe getrost: Im Anfang war die Tat!


J. W. v. Goethe, Faust. Der Tragödie erster Teil. Aus der Szene: Studierzimmer 1

 

Montagmorgen, 6:30 Uhr, der Radiowecker geht an. Sie schwingen die Bein eüber die Bettkante und stolpern ins Bad. Sie tasten nach dem Lichtschalter. Müde betrachten Sie Ihr Spiegelbild im Lampenlicht. Woran Sie in diesem Moment wohl kaum denken: Allein in dieser ersten Minute Ihres Tages haben Sie schon mit drei fundamentalen Naturkräften Bekanntschaft gemacht; beziehungsweise, falls die Sonne schon aufgegangen ist, sogar mit allen vier! Bevor Sie zur Zahnbürste greifen, halten Sie einen Moment inne und lassen das enge Geflecht von Naturkräften, das uns und unsere Welt regiert, auf sich wirken...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Kraftakt Universum

Numerische Simulation: Christian Reisswig, Luciano Rezzolla (MPI für Gravitationsphysik). Wissenschaftliche Visualisierung: Michael Koppitz (MPI für Gravitationsphysik und Zuse-Institut Berlin)
Numerische Simulation: Christian Reisswig, Luciano Rezzolla (MPI für Gravitationsphysik). Wissenschaftliche Visualisierung: Michael Koppitz (MPI für Gravitationsphysik und Zuse-Institut Berlin)

Autor: Rainer Scharf

Mit dem Urknall vor knapp 14 Milliarden Jahren begann das größte aller Abenteuer und ein Kraftakt ohnegleichen – unser Universum. Es dehnt sich seither unaufhörlich aus und kühlt dabei ab. Im Laufe der Jahrmilliarden hat die in ihm enthaltene Materie eine unerschöpfliche Fülle von Strukturen hervorgebracht: Gaswolken, Planeten und Sonnen, Schwarze Löcher, Galaxien und Galaxienhaufen. Wie es dazu kam und welche Kräfte dabei wirkten, haben die Astrophysiker und Kosmologen in den vergangenen 50 Jahren eingehend erforscht. Doch jüngst mussten sie erkennen, dass der größte Teil der Energie und Materie im Universum noch unbekannt und im wahrsten Sinne „dunkel“ ist...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Kraftlos

Foto: George Karger/Time Life Pictures/Getty Images
Foto: George Karger/Time Life Pictures/Getty Images

Autor: Jens Simon

Wenn zwei dasselbe sagen, können Sie doch ganz Unterschiedliches meinen. Zwischen einem durch die Wohnung gerufenen „Ich bin gleich fertig, Schatz!“ (Sie) und einem „Ich bin gleich fertig, Schatz!“ (Er) können Welten liegen. Im Alltag entspinnen sich daraus die schönsten Verwicklungen. Man mag sich gar nicht vorstellen, wie solche Szenen im Hause eines Physikers respektive einer Physikerin aussehen. Physiker meinen ja häufig etwas sehr Eigenes, auch wenn sie sich scheinbar der Alltagssprache bedienen. Die Worte „Kraft“ und „Kraftlosigkeit“ gehören in diese Kategorie. Glaubt etwa jemand, „kraftlos“ bedeute so viel wie „ohne Kraft“? Weit gefehlt! Für den Physiker heißt „kraftlos“ vielmehr: „Alle wirkenden Kräfte addieren sich zu Null“. Wer jemals in einem frei fallenden Fahrstuhl auf einer Waage stand (Einstein hat Derartiges mal in einem Gedankenexperiment durch-gespielt) und verblüfft auf dem Waagendisplay „0,00 kg“ gelesen hat, weiß, wovon die Rede ist: Die Schwerkraft und die eigene Träg-heitskraft zeigen beide in unterschiedliche Richtungen und heben sich gegenseitig auf. An diesem kleinen Beispiel lässt sich leicht ablesen, was im Umgang mit Physikern stets angebracht ist: Vorsicht! Da tauchen plötz-lich Kräfte auf, die gar nicht da sind, und umgekehrt. Etwa dann, wenn der Physiker zwischen Bezugssystemen (gehört übrigens zu den Physiker-Lieblingsworten) hin und her wechselt. Manche Kräfte tauchen nur in einem Bezugssystem auf und in dem anderen nicht, sodass sich diese Kräfte durch einen veränderten Beobachtungsstandpunkt einfach wegtransformieren lassen. Denken Sie daran, wenn Sie etwa bei der nächsten Kurvenfahrt ganz real nach außen gedrückt werden und Ihnen ein Physiker weismachen will, dass dies nur eine Scheinkraft ist. Aber wer traut schon Physikern!

Physikalische Momente im Phantasialand

Autor: Frank Frick

Zum ersten Mal würde meine Familie beim Besuch des Phantasialands den mittelalterlich anmutenden Burgturm Mystery Castle nicht links liegenlassen. Bisher war mein Sohn Florian – gerade zehn Jahre alt geworden – zu jung, um sich, so der Originaltext auf der Homepage, „im Bungee Drop aus 65 Metern Höhe im freien Fall … in die dunkle Tiefe zu stürzen“. Ehrlich gesagt: Mir war das Verbot des Freizeitpark-Betreibers immer ganz gelegen gekommen. So hatte ich ohne weitere Begründung den Fallturm meiden können. Wer steht schon gerne vor seinen Kindern als Angsthase da?

Ich studiere das Schild neben dem schmalen Gang, der zum Turm führt: „Gute körperliche Verfassung, keine Höhenangst sowie Nervenstärke sind für diese Attraktion Voraussetzung.“ Zahlreiche Hinweise warnen etwa Schwangere, Menschen mit Rücken-, Nacken- oder Knochenproblemen oder mit kürzlich überstandenen Krankheiten. Mir wird flau im Magen. Kurz überlege ich, ob mir das  Bluthochdruck-Warnzeichen einen einfachen Rückzug ermöglicht. Stattdessen höre ich mich verkünden: „Im Turm kann man Schwerelosigkeit erleben.“ Ich hätte wissen müssen, dass meine 12-jährige Tochter Clara diese Aussage nicht einfach hinnimmt. „Warum Schwerelosigkeit? Im Turm zieht uns doch die Schwerkraft nach unten.“ ...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Von Scheinkräften und Himmelsmächten

Autorin: Dörte Saße

Wenn es einem den Boden unter den Füßen wegzieht, muss es nicht unbedingt Liebe sein. Schuld könnte auch eine Scheinkraft sein,  eine Kraft, die ein Nebenstehender gar nicht erkennen kann. Für die Beteiligten hat sie aber direkte und spürbare Auswirkungen. Wie die Liebe eben...

 

Auf den ersten Blick

Da geht eine junge Frau die Straße entlang und bleibt stehen wie vom Blitz getroffen: Liebe auf den ersten Blick. „Er“ steht gegenüber und verwirrt ihre Sinne. Für sie selbst hat das abrupte Haltemanöver keine direkten Folgen – wohl aber für ihre Tasche, die am pendelnden Arm weiter nach vorne schwingt. Und für ihren Rock und ihren Zopf, die sich weiter bewegen, so weit sie kommen, für die locker sitzende Kappe, die ungebremst in Richtung Straße segelt, und vielleicht auch für kleine Äffchen oder Papageien auf ihrer Schulter, die...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Erdkräfte

Foto: AFP/Getty Images
Foto: AFP/Getty Images

Autorin: Erika Schow

Dass die Kräfte der Erde alles menschlich Fassbare übersteigen können, ist in diesem Frühjahr wohl jedem klar geworden. Bei der dreifachen Katastrophe in Japan tragen nur an einem Teil die Menschen entschiedene Schuld: Sie haben sich auf angeblich sichere Kernkraftwerke verlassen. Für das Erdbeben selbst, das Zehntausende von Gebäuden umstürzen ließ, und den folgenden Tsunami, der ganze Landstriche einfach wegradierte, konnte niemand etwas. Im Gegenteil, alle haben offensichtlich sehr viel richtig gemacht: Die Bevölkerung war im Umgang mit diesen Erdkräften geschult wie niemand sonst auf der Welt. Ein topmodernes Erdbebenwarnsystem war installiert. Und selbst Hochhäuser blieben stehen. Alles ein Erfolg von Geowissenschaftlern, die schon vieles wissen über die Dynamik der Erde und deren Kräfte so gut wie möglich messen, und von Ingenieuren, die auf der Grundlage von solchem Wissen technische Wunderwerke errichten. Und doch bleibt der Mensch in diesem ungleichen Wettkampf sehr klein. All sein Wissen reichte auch hier in Japan oft nur für einige Sekunden Vorsprung gegenüber den heranrollenden Gewalten. Und die genügten einigen, aber längst nicht allen zum Überleben. Eindrucksvoller konnte die Erde nicht demonstrieren, wie wenig sie sich von den Menschen in ihr Handwerk pfuschen lässt. Kein Wunder, wenn angesichts der Erdgewalten die Menschen bei höheren Mächten Schutz suchen und beten. So auch die Pilger auf der Abbildung links. Sie sind Ende Januar dieses Jahres auf den ausbrechenden Vulkan Bromo im Osten der indonesischen Insel Java gestiegen, um für die Sicherheit der Anwohner zu beten. Doch der Vulkan schlägt ungerührt zurück und zwingt sie mit giftigen Aschewolken zur Flucht.

Die Wärme-Kraft-Maschine

Autorin: Ute Kehse

Wenn die Erde ihre Muskeln spielen lässt, dann bricht die Hölle los. Innerhalb von Sekunden können Erdbeben ganze Städte in Schutt  und Asche legen. Vulkanausbrüche, Wirbelstürme, Flutwellen oder Lawinen hinterlassen nur zu oft eine Spur der Verwüstung. Doch wo liegt der Motor der mächtigen Kräfte, die die Erdoberfläche manchmal mit brutaler Gewalt gestalten?...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Ein nicht perfekter Schutzschild

Autor: Axel Tillemans

Ein Dynamo im Erdkern erzeugt das Magnetfeld der Erde, das uns vor kosmischer Strahlung beschützt. Der magnetische Schutzschild ist aber nicht perfekt und verursacht dann und wann Katastrophen. Doch große Sorgen machen müssen wir uns nicht.

Im Sommer 1979 bekam die NASA einen Bußgeldbescheid in Höhe von 400 Dollar. Ausgestellt hatte ihn der australische Verwaltungsbezirk Esperance Shire. Das Vergehen, das der NASA vorgeworfen wurde, war illegale Müllentsorgung. Was hatte die NASA angestellt? Nun, sie war unvorsichtig. Sie hatte Warnungen in den Wind geschlagen, die vorhergesagt hatten, dass der Orbit der Raumstation Skylab im Jahr 1979 durch eine erhöhte Sonnenaktivität massiver als erwartet beeinflusst werden würde. Beim Auftreffen des aus schnellen geladenen Teilchen bestehenden Sonnenwindes auf das Magnetfeld der Erde würde es zu einer Erwärmung der  oberen Atmosphärenschichten kommen. Infolgedessen würde sich die Atmosphäre nach oben hin ausdehnen, wodurch das in 440 km Höhe fliegende Skylab abgebremst und zunehmend an Höhe verlieren würde...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Leicht

Autorin: Birgit Ehlbeck

Einmal sprang ich in einen vermeintlich kühlen Bergsee, der sehr einladend aussah. Es war mitten im Sommer. Ich war vom Wandern und Bergauflaufen verschwitzt und erschöpft. Aber das Wasser war eiskalt. Mein Herz blieb fast stehen. Ich war jung und hatte keine Ahnung. Es kam mir schon vorher so vor und nun war es tatsächlich so: In den Bergen ist das Leben grundsätzlich anders. Ein Bergsee ist keine Wellness-Oase, auf schmalen Wegen und steilen Klettersteigen kann man leicht abstürzen, bei einem drohenden Gewitter sollte man zügig eine Zuflucht suchen und manchmal kann man etwas Schwachsinniges rufen und hört sein Echo von den Wänden widerhallen. Und – vermutlich, weil Urlaub ist und man nicht die Aufgabe hat, die Kühe auf die Alm zu treiben, – man fühlt sich leichter...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Kräfte messen

Foto: Keystone/Voller Ernst
Foto: Keystone/Voller Ernst

Autorin: Erika Schow

Wenn zwei Parteien ihre Kräfte messen, dann können das ganze Nationen sein, die sich im Krieg oder in einem Fußballspiel befinden, oder zwei Herren, die um die Gunst einer Dame buhlen. Unsere Alltagsvorstellung vom Kräftemessen ist sehr vielschichtig – und oft durchdrungen von der Idee des Kampfes. Selber zu rangeln oder sich an Wettkämpfen zu belustigen scheint ein zutiefst menschliches Bedürfnis zu sein, von den römischen Gladiatorenkämpfen bis hin zum modernen Boxkampf oder zum Kampf des Einzelnen mit dem „Hau den Lukas“ auf dem Rummelplatz. Auch wenn der Gegner hier eine Maschine ist, geht es natürlich auch um einen Wettstreit unter Menschen, sei es um die Achtung in der Männergruppe oder auch nur um das eigene Selbstwertgefühl. Und hier ist dann auch die zweite Bedeutung des Kräftemessens, nämlich das wirkliche Messen von Kräften, mit Messgerät, Skala und Einheit. Darüber machen wir uns ansonsten im Alltag eher weniger Gedanken – es sei denn, wir denken über die Bedeutung eines Drehmomentschlüssels nach oder knöpfen uns das Innenleben einer elektronischen Waage vor (in dem sich dann ein Kraft-Sensor findet). Und doch lohnt es sich anzuschauen, welche Leistungen die Physiker und Ingenieure auf dem Gebiet der Kraft-Messungen vollbringen: Können sie doch mit ihren verschiedenen Maschinen nahezu alles messen, was nur irgendwie mit Kräften zu tun hat – vom Flügelschlag eines Schmetterlings (und wenn nicht diesen, so doch eine entsprechend kleine Kraft) bis zur Rotordrehung einer riesigen Windkraftanlage. Und wer auch immer bei dem spielerischen Wettkampf auf dem Bild links gewonnen hat – die Ingenieure etwa aus der PTB hätten ihnen mit dem pas-senden Gerät genau sagen können, mit wieviel Newton die unterlegene Partei am Ende über den Acker geschleift wurde.

Die Skala der Kräfte

Abb: PTB/Alberto Parra del Riego
Abb: PTB/Alberto Parra del Riego

Autor: Jan Oliver Löfken

Ein Streifzug durch das Reich der genauesten Kraftmesser Deutschlands

Sturm ist der Normalfall in einem Offshore-Windpark. Auf die großen Rotorblätter der Windkraftanlagen wirken gewaltige Kräfte; mehrere Meganewton (Millionen Newton) können es werden, so viel, wie man es sonst eher aus der Raumfahrt kennt. Aber auch am anderen Ende der Kraftskala sind die Anforderungen groß. Wenn sich eine winzige Insulinpumpe, die ein Diabetiker unter der Haut trägt, dreht, dann wirken zwar nur Kräfte im Bereich von einigen Millinewton. Aber in beiden Fällen müssen die auftretenden Kräfte genau gemessen werden, andernfalls drohen folgenschwere Unfälle...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Prüfen bis zur Ermüdung

Der Auszubildende Stefan Kleinert wirft vor dem Test noch mal einen kritischen Blick auf den Versuchsaufbau.Foto: original-okerland
Der Auszubildende Stefan Kleinert wirft vor dem Test noch mal einen kritischen Blick auf den Versuchsaufbau.
Foto: original-okerland

Autorin: Nicole Geffert

Manchmal merkt man sich den größten Quatsch. Zum Beispiel eine Szene aus einer „Verstehen Sie Spaß“-Sendung. Ich hockte damals, keine zwölf Jahre alt, vorm Fernseher und verfolgte die Scherze mit versteckter Kamera. Da rannte doch so ein Spaßvogel mit einem Schnittmusterbogen durch eine Stadt, hielt arglosen Passanten das knittrige Papier unter die Nase und fragte: „Hallo, könnten Sie mir den Weg zum Bahnhof zeigen, ich bin hier fremd.“ Die Befragten orientierten sich kurz auf dem vermeintlichen Stadtplan, um dann entlang der Linien souverän den Weg zu weisen. Keiner merkte, dass das ein Schnittmusterbogen war! Ein Höhepunkt deutscher  Fernsehunterhaltung.

„Das ist doch ein Schnittmusterbogen“, sage ich 30 Jahre später zu Martin Laube, Bauingenieur und Betriebsleiter der Materialprüfanstalt für das Bauwesen (MPA) in Braunschweig. Kaum dass ich an seinem Besprechungstisch Platz genommen habe, breitet er einen Plan aus, der den gesamten Tisch bedeckt...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Bindungskräfte

Foto: mauritius images/Oote Boe
Foto: mauritius images/Oote Boe

Autorin: Imke Frischmuth

Es bindet sich das Herrchen an den Hund, der Liebende an die Muse, der Geizige ans Geld, der Ehrbare ans Versprechen, die Voreilige an den Erstbesten, der Ski an den Schuh, der Wasserstoff an den Sauerstoff, der Konservative an die Tradition, das Neugeborene an die Mutter, die Suppe dank des Mehls. Manche Bindungen sind dauerhaft, andere kurzlebig, manche freiwillig, andere erzwungen, manche freudvoll, andere ambivalent. Für viele Bindungen sind Kräfte verantwortlich, die sich der Messung bisher komplett entziehen oder aber physikalisch gesehen sehr klein sein können. So liegt die (Massen-) Anziehung zwischen zwei Menschen, die im Abstand von 100 Metern voneinander entfernt eine Straße entlanggehen, im Pikonewton-Bereich – übrigens ganz unabhängig davon, ob sie sich anziehend finden oder nicht. Dieser schwachen Kraft kann man durchaus trotzen und bei Bedarf die Straßenseite wechseln. Ähnlich kleine Kräfte sind auf der Ebene von Atomen und Molekülen wirksam – mit ungleich gewichtigeren Auswirkungen: Diese Kräfte halten unsere Welt zusammen, wie wir sie mit unseren Sinnen erleben. Wo sich Atome zu Molekülen zusammentun, komplexe Strukturen und große Ansammlungen bilden, nehmen wir Materie wahr. Doch wie soll man sich ein Pikonewton vorstellen? Oder, sagen wir mal, 17 Pikonewton? Verschieben Sie einfach ein einzelnes Kobaltatom auf einer glatten Kupferoberfläche, wie es Regensburger Forscher getan haben. Oder teilen Sie einen Floh in eine Million Teile. Eines davon hat eine Gewichtskraft, die vermutlich auch irgendwo im zweistelligen Pikonewton-Bereich liegt. Klein sind diese Kräfte und doch so elementar. Ohne sie gäbe es weder Hund noch Herrchen, weder Suppe noch Mehl.

Da hatter Heidegger wiederma recht… oder: Warum ist überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts?

Nicht immer genügen die Bindungskräfte, um den Strapazen des Alltags zu widerstehen. Dies hat oft traurige Konsequenzen.Foto: Getty Images/Marcelo Santos
Nicht immer genügen die Bindungskräfte, um den Strapazen des Alltags zu widerstehen. Dies hat oft traurige Konsequenzen.
Foto: Getty Images/Marcelo Santos

Autorin: Imke Frischmuth
Autor: Jens Simon

Fünf partielle physikalische Antworten auf eine generelle Frage

Manchmal fangen die Dinge ganz klein und harmlos an und verstecken sich in unscheinbaren Sätzen hinter dem Wörtchen „warum?“. „Du, Papa, warum ist die Sonne nachts aus?“, „Warum ist die Oma nicht mehr da?“, „Mama, warum sind Gespenster unheimlich?“ Gewöhnlich suchen Eltern dann nach Antworten, die zumindest nicht ganz falsch und für ihre Sprösslinge in gewisser Hinsicht ausreichend und akzeptabel sind. Aber nur ganz selten erreichen die Antworten auch den Grund der Dinge – sei es, dass dieser Grund viel zu tief liegt, als dass sich ohne Sauerstoffflasche nach ihm tauchen ließe, oder sei es, dass viele Antworten möglich sind, aber die nächstgelegene, unabhängig von ihrem Wahrheitsgehalt, immer die ist, die am schnellsten für Ruhe sorgt. Erinnern sich die Kinder später, wenn sie keine Kinder mehr sind, an diese Warum-Erfahrungen und sind sie so abenteuerlustig geblieben, den Dingen gern auf den Grund gehen zu wollen, dann werden sie vielleicht Wissenschaftler und ver-suchen, ihre Kinderfragen neu zu stellen..

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Ganz klein und doch ganz stark

Vladimir Nesterov blickt ins Innere des von ihm entwickelten Messgerätes für kleinste Kräfte. Der Prototyp kann bereits Kräfte von nur 50 Pikonewton messen. Zurzeit entsteht ein Primärnormal, das noch genauer werden soll. Üblicherweise finden die Messungen im Vakuum statt – hier darf der Fotograf nur ausnahmsweise einen Blick hineinwerfen.Foto: original-okerland
Vladimir Nesterov blickt ins Innere des von ihm entwickelten Messgerätes für kleinste Kräfte. Der Prototyp kann bereits Kräfte von nur 50 Pikonewton messen. Zurzeit entsteht ein Primärnormal, das noch genauer werden soll. Üblicherweise finden die Messungen im Vakuum statt – hier darf der Fotograf nur ausnahmsweise einen Blick hineinwerfen.
Foto: original-okerland

Autorin: Brigitte Röthlein


Je kleiner die Kräfte sind, die man messen will, desto größer der Aufwand. Und manchmal sind sich Physiker uneins, welches Messverfahren die richtige Antwort gibt.


Die Werkzeuge, mit denen Stefan Stahl an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München seine Forschung betreibt, sind so winzig, dass man sie nur unter dem Mikroskop genauer erkennen kann. Dennoch leistet er damit Präzisionsarbeit. Es handelt sich um wenige Nanometer kleine Spitzen aus Silizium, sogenannte Cantilever, mit denen normalerweise Rasterkraftmikroskope Oberflächen abtasten. Der junge Physiker benutzt sie jedoch zu einem anderen Zweck: Er heftet sie an ein Ende eines komplizierten organischen Moleküls, das auf einer Oberfläche befestigt ist, und zieht dann daran. Damit zwingt er das in sich verknäuelte Molekül, sich nach und nach zu strecken und zu entwirren. „Auf diese Weise lassen sich Aussagen gewinnen über die innere Struktur solcher Komplexe“, sagt er. „Die Streckung erfolgt in mehreren Schüben, erst klappen die äußeren Strukturen weg, danach öffnet sich eine Art Tasche, in der das ATP, der Kraftstoff der Zelle, andocken kann.“...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Geisteskraft

Autorin: Imke Frischmuth

„Gedanken wollen oft – wie Kinder und Hunde –, dass man mit ihnen im Freien spazieren geht“, meinte der Dichter Christian Morgenstern. Und so lassen kluge Menschen ihre Gedanken hinaus aus der Enge des Gewohnten und Bekannten und denken Dinge neu. Generation für Generation definieren Wissenschaftler dann vermeintlich bekannte Tatsachen immer wieder anders. Beispielsweise den Begriff der Kraft. Von Aristoteles über Galilei bis zu Newton und Einstein – klug waren sie alle und doch kamen sie als Kinder ihrer Zeit zu unterschiedlichen Ergebnissen (S. 58). Doch wer ist eigentlich klug? Der, der seinen Gedanken besonders lange Leine lässt? Der, der besonders viele Fakten vom Spaziergang wieder mit heim bringt oder aus den Erfahrungen seiner Ausflüge lernt? Mit IQ-Tests versuchen Psychologen der Intelligenz auf die Spur zu kommen, sie zu messen und ihr einen Zahlenwert zuzuweisen (S. 52). Doch Psychologen können nur das bewerten, was aus dem Kopf herauskommt – andere gucken direkt hinein: Wie einen Hund, der eigentlich lieber weiter verborgen hinter dem Sofa gelegen hätte, ziehen Neurowissenschaftler mittels bildgebender Verfahren sogar Gedanken hervor, die nicht einmal ihrem Besitzer bewusst waren (S. 56). Ob man aber alles ins Freie ziehen soll, nur weil man es kann, sollten alle Klugen bald klären.

Punkte fürs Denken

Foto: W. Filser
Foto: W. Filser

Autorin: Erika Schow

Testen Sie Ihre Intelligenz!“ leuchtet es mir vom Bildschirm entgegen. Ich zögere. Will ich das wirklich wissen? Es könnte blamabel werden, vor allem im mathematischen Teil. Aber dann gebe ich mir einen Ruck und drücke den Weiter-Knopf. Erste Aufgabe: Zahlenreihen vervollständigen. Ich hab’s ja geahnt! Aber dann flutscht die Sache erstaunlich gut, erweist sich mehr als Logik- denn als Rechentest. Dann der sprachliche Teil: Welches Wort passt nicht in die Reihe? Inzwischen bin ich infiziert, wie in alten Tagen beim Kreuzworträtsel-Lösen oder bei meiner kurzen, aber heftigen Sudoko-Sucht. Mit heißen Wangen mache ich weiter, drehe imaginäre Würfel um ihre eigene Achse, ordne Kreise, Dreiecke und Quadrate. Auf der Zielgeraden scheitere ich an einer wirklich schweren Rechenaufgabe – und bekomme einen Lachkrampf, als ich die Ergebnisse serviert bekomme. Die sehr schwere Rechenaufgabe war die einfachste von allen: Wer etwas mit Null multiplizieren soll, braucht eigentlich nicht lange zu rechnen. Testentwickler, ihr habt mich voll erwischt!...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

„Wir haben nicht die Freiheit, uns unvorhersehbar zu entscheiden“

Abbildung: Omikron/Science Photo Library
Abbildung: Omikron/Science Photo Library

Autorin: Imke Frischmuth

Was verrät der wissenschaftliche Blick ins Gehirn über unsere Gedanken, Erinnerungen und unseren freien Willen? Steht uns eine  Zukunft bevor, in der sich nichts mehr verbergen lässt? Ein Gespräch mit dem Hirnforscher John-Dylan Haynes, Professor für Theorie und Analyse weiträumiger Hirnsignale am Bernstein Center for Computational Neurosciences Berlin, über die praktische Anwendung neurowissenschaftlicher Erkenntnisse.

Die Fragen stellte Imke Frischmuth...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Was ist Kraft?

Autorin: Anne Hardy

Eine kleine Ideengeschichte von Aristoteles bis Einstein

Kraft erleben wir im Alltag unter den verschiedensten Aspekten: Ein Boxer schlägt kraftvoll zu, die Lebenskraft erhält Tiere und Pflanzen, Kraftstoff treibt ein Fahrzeug an und die Anziehungskraft des Mondes bewirkt die Gezeiten. Schon in der Antike fragte sich Aristoteles: Welche verschiedenen Kräfte gibt es? Was bewirken sie? Wie werden Kräfte übertragen? Und was ist ihr Ursprung? Einige Antworten, die er gab, wirken heute noch überzeugend, obwohl sie falsch sind. Das Schwierige an der Beschreibung der Kräfte ist nämlich, dass wir von unserer Alltagserfahrung abrücken, Dinge idealisieren und Umstände vereinfachen müssen, um allgemeingültige Gesetze zu finden. Das ist als Erstem Galileo Galilei gelungen, als er die Fallgesetze von Körpern untersuchte. Im 20. Jahrhundert wurden die  Ausgangshypothesen der Physiker dann immer abstrakter und erlebnisferner. Sie führten aber zu einigen fundamentalen Gleichungen, mit denen sich die unterschiedlichsten Phänomene beschreiben lassen..

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Das Letzte

Das Leichte

Ist das so? Ich meine muss das so?
Ist das so oder ist es vielleicht viel leichter?1


Im Regentropfentrommeln sind sie beinahe untergegangen, diese letzten Zeilen des soeben noch taktgebenden Radiostücks. Aus dem leichten Regen war ein schweres Trommelsolo geworden, das die abrupt endenden Instrumente ablöste. Und vermutlich haben auch Sie sie deswegen nicht mehr hören können. Also aufgehorcht, in Gedanken summe ich Ihnen die letzte, alles entscheidende Frage noch einmal ins Ohr – singen wollen Sie mich nämlich lieber nicht hören: Ist das so oder ist es vielleicht viel leichter? Sollten wir uns diese Frage nicht vielleicht viel öfter ins Gedächtnis rufen, oder was meinen Sie? Wie oft sehen wir (zuerst) in allem nur die Beschwernisse, die uns den Blick verstellen?! Sollten wir nicht hin und wieder leichtgeflügelter aus diesem Schatten hinaustreten...

Aber auch dieser Regen hatte irgendwann ein Ende. Die Sonne scheint wieder. Also, lassen Sie uns die Lektüre beiseitelegen und hinausgehen; vielleicht noch ein wenig durch die vorangegangenen Krafträume schlendern, über Schweres und Leichteres nachdenken und uns auf Kommendes  freuen.

Halten Sie sich fest, falls Sie noch auf der anderen Wippenseite sitzen sollten, denn ich springe jetzt ab. Und nicht, ohne dann doch noch mit dem Singen anzufangen, verabschiede ich mich von Ihnen. Bleiben Sie im Gleichgewicht!

You see – ah ah ah
It’s easy – ah ah ah
You only need to know2

1Wir sind Helden: Ist das so, auf: Die Reklamation, 2003. www.wirsindhelden.de/bildton/text/
2Cat Stevens: If You Want to Sing Out, Sing Out, auf: Footsteps in the Dark. Greatest Hits, Vol. 2, 1984.

Die PTB feiert Jubiläum im Jahr 2012

Das Stichwort, das die PTB seit ihrer Gründung im Jahr 1887 (damals noch: Physikalisch-Technische Reichsanstalt, PTR) begleitet, ist: Genauigkeit. Genauer: Genauigkeit des Messens. Auf die darauf basierende Er-folgsgeschichte kann die PTB im kom-menden Jahr 2012 zurückblicken. Die PTB tut dies auf den Tag genau 125 Jahre nachdem ihr der erste „Reichs-haushalts-Etat“ bewilligt wurde. Und so feiert die PTB am 28. März 2012 ein Jubiläum der besonderen Art – mit einem politischen Festakt in der Braunschweiger Stadthalle und mit einem wissenschaftlichen Symposium am Tag zuvor, unter dem nicht geringen Titel „Metrology, the Universe and Everything“. Ob die Antwort auch an diesem Tag 42 lauten wird? Wir werden genau hinhören...

[...mehr in der pdf-Version des Heftes]

Helmholtz-Preis 2012