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Lukas Kehrer - Der freie Fall - kein leichter Fall!


Der freie Fall — kein leichter Fall!


Lukas Kehrer

angefertigt an der Abteilung für Soft Matter Physics des Instituts für Experimentalphysik der JKU.

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Präsentation (PPTX)


Am Inhalt dieser Seite wird noch gearbeitet.

Physik und Alltag: Ein Widerspruch?

Die Beobachtung, dass ein schwerer Körper schneller fällt als ein leichter, welche Aristoteles vor mehr als 2400 Jahren niederschrieb, hat wohl jede/r von uns schon einmal gemacht. Sie entspricht eindeutig unseren Alltagserfahrungen. Dennoch wird im Schulunterricht vorwiegend die von Galilei entwickelte Idealvorstellung des freien Falls im Vakuum präsentiert, die zwar im Weltraum relevant sein mag, aber doch ziemlich lebensfremd wirkt. Unglücklicherweise ist auch in Lehrbüchern die Aussage zu finden, dass „Schüler/innen fälschlicherweise die Alltagserfahrungen auf die Physik übertragen“.
Es drängen sich also die Fragen auf, warum man sich erstens in der Schule mit dem sicher nicht alltäglichen Freien Fall im Vakuum beschäftigen muss, und ob zweitens Physik etwa gar nichts mit dem Alltag zu tun hat. Beides vielleicht Gründe, warum die Physik eins der unbeliebtesten Schulfächer ist. Auf jeden Fall sollen diese Gedanken so nicht stehengelassen werden. Insbesonders sollen auch die Ideen des großen Denkers Aristoteles nicht zu Unrecht lächerlich gemacht werden [1].

Abb. 1: Typische Schuldarstellung von Galileis Widerspruchsbeweis zu Aristoteles' Behauptung: Würden schwere Körper schneller fallen als leichte, müsste ein leichter Stein einen schweren bremsen. Andererseits müssten sie gemeinsam — da insgesamt schwerer — schneller fallen.


Moderne Ansätze im Physikunterricht

Daher verfolgte ich das Ziel, einen neuen Zugang zum Thema „Fallende Körper“ im Physikunterricht zu schaffen. Bei der Umsetzung dieses Zieles fand ich Unterstützung an der Abteilung für Physik weicher Materie (SoMaP) unter der Leitung von Prof. Siegfried Bauer. Seine Gruppe setzt sich schon erfolgreich mit der Vermittlung von Physikwissen an Jugendliche und neuen Strategien der Wissenschaftskommunikation auseinander. Dabei entstand unter anderem ein Patentvideo der etwas anderen Art — Battery Betty (in enger Zusammenarbeit mit der Kunstuniversität Linz und dem Team von Las Gafas Films). Ein weiteres Beispiel ist ein auf Spielzeugbausteinen basierendes Tisch-Tensometer für Forschung und Lehre (beim Wilhelm Macke Award 2014 von Richard Moser präsentiert.)


Systematische Experimente im Labor

In meiner Lehramts-Arbeit habe ich mich ausführlich und kritisch mit der Bewegung fallender aber auch geworfener Körper auseinandergesetzt. Physik hat sehr viel mit unserer Erfahrung zu tun und das will ich den Jugendlichen vermitteln. Auch scheinbar unrealistische physikalische Problemstellungen führen zu Erkenntnissen, die auf unsere alltäglichen Beobachtungen übertragbar sind. Die Methodik der modernen Physik besteht genau darin, für reale Phänomene abstrakte Modelle und klare Experimente zu formulieren, die – von allem unnötigen Beiwerk befreit – einen Blick auf das Wesentliche erlauben.

Dermaßen ausgerüstet mit fundiertem Physikwissen und modernen Methoden gelang es nun auch mir, einen neuen Zugang zum Thema „Fallende Körper“ im Physikunterricht zu schaffen und einen weiten Bogen von den historischen Texten der großen Denker bis zu aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten zu spannen, die beweisen, dass dieses vermeintlich einfache Thema "Fall" seit über 2000 Jahren bis heute viele Menschen zum Grübeln bringt.
Mittels high-speed Videoanalyse (Tracker™) konnte ich nachweisen, dass Galileo Galileis konstruierter Widerspruch (Discorsi, 1638) zum Angriff auf das Aristotelische Weltbild nicht gerechtfertigt ist (s.Abb.2). Darauf basierend entwickelte ich Unterrichtsmaterialien sowohl für die Unter- als auch Oberstufe.

Abb. 2: Ein leichter Körper (1Kegel, volle türkise Dreiecke), ein schwerer Körper (2 Kegel, volle grüne Rhomben) und beide gemeinsam fallen in Luft. Je nach Art ihrer Verbindung fallen die 3 Kegel gemeinsam einmal schneller (zusammengesteckt: blaue Kreise) und einmal langsamer (2Kegel mit einem dritten durch einen Faden verbunden: ungefüllte Symbole) als der schwere Körper aus 2 zusammengesteckten Kegeln. Bei der Variante mit dem Faden bremst der leichtere Körper (1 Kegel) tatsächlich den schweren (2 Kegel): Dies sieht man daran, dass die roten offenen Rhomben (= die Messdaten der beiden Kegel am Faden unter dem einzelnen) den Boden später erreichen als die grünen vollen Rhomben (dieselben beiden Kegel ohne den "Fallschirm" durch den dritten Kegel).


Schülerzentrierter Unterricht

Ausgehend von ihren eigenen Experimenten mit alltäglichen Gegenständen, wie zum Beispiel Muffinformen, vermittle ich den Schülern und Schülerinnen, dass Physik sehr wohl viel mit Alltagserfahrungen zu tun hat. Durch Videoanalyse mit ihren Smartphones werden sie schrittweise zum tieferen Verständnis der eben nur scheinbar einfachen Fallbewegung geführt. Erst abschließend folgt die mathematische Beschreibung. Dabei durchlaufen die Vorstellungen der Jugendlichen einen ähnlichen Entwicklungsprozess, wie diejenigen unserer historischen Vorbilder aus der Physikgeschichte. Mit moderner Technik und Engagement lassen sich so die Ideen von Aristoteles und Galilei zu neuem Leben erwecken.

Widersprechen sich vielleicht Aristoteles und Galilei gar nicht, sondern reden nur aneinander vorbei? Die Physik des Aristoteles gilt nämlich sogar in aller Strenge, wenn die Reibungskräfte gegenüber den Trägheitskräften überwiegen, wie es für Kleinstorganismen wie Bakterien tatsächlich zutrifft. Diese Erkenntnis ist auch für die moderne Forschung wichtig, etwa bei der Entwicklung sogenannter Nanobots, biologisch inspirierter Maschinen im Kleinstformat. In der Lebenswelt von Kleinstorganismen [2] und Nanobots [3] hat Aristoteles' Vorstellung über Bewegungen ihre volle Berechtigung. Die Relevanz dieses Themas beweist der Chemie-Nobelpreis 2016 für Ben Feringa von der Universität Groningen, an welcher Lukas zu der Zeit studierte.


Abb. 3: Analyse mit der App „VidAnalysis free“ am Smartphone



Referenzen:
[1] B. Kožnjak, (2012). „Was Aristotle an exponent of antiscientific mumbo-jumbo?" Physics education 47, 545-550.
[2] E. M. Purcell, (1977). „Life at low Reynolds number." Am. J. Phys. 45, 3-11.
[3] S. Sanchez, A. A. Solovev, Y. Mei and O. G. Schmidt (2010). „Dynamics of biocatalytic microengines mediated by variable friction control." Journal of the American Chemical Society 132(38), 13144-13145.