Die Behandlung des dritten newtonschen Gesetzes

Die im Unterricht häufig gewählten Formulierungen „actio gleich reactio“ bzw. „Kraft gleich Ge-genkraft“ verstärken die in Kapitel 2.2.4.2 beschriebene falsche Einteilung in eine aktive Ursache und in eine passive Wirkung. In der newtonschen Sichtweise sind jedoch beides völlig gleichbe-rechtigte Kräfte. Deshalb ist hier nicht von „actio und reactio“ oder „Kraft und Gegenkraft“ die Re-de, sondern vom „dritten newtonschen Gesetz“ bzw. vom „Wechselwirkungssatz“.

Ein beim dritten newtonschen Gesetz häufig dargestellter Versuch ist der Versuch, der auf NEWTON

selbst zurückgeht, bei dem ein Magnet und ein Eisenstück auf Korkstücken (oder Styropor) liegen, die wiederum auf Wasser schwimmen (Grehn et al., 1998, S. 50; Gaitzsch et al., 1996, S. 35; Feuer-lein et al., 1993, S. 41). Dieser Versuch ist durch die kFeuer-leine Anziehungskraft nicht überzeugend realisierbar, da die Korkstücke schwanken und sie durch die Oberflächenspannung nicht nur gegen-seitig, sondern auch vom Gefäßrand angezogen werden. Selbst bei einem guten Aufbau ist aber aufgrund der geringen Reichweite des Magnetfeldes eine Beobachtung nur über eine kurze Strecke (ca. 10 cm) bzw. kurze Zeit (ca. 5 s) möglich. Mehr, als dass sich beide irgendwie aufeinander zu bewegen, kann man kaum aussagen.

Deshalb wurde zunächst der Versuch mit zwei gleich schweren Schülern auf zwei Skateboards (Ba-der et al., 1998, S. 34; Gaitzsch et al., 1996, S. 35; Feuerlein et al., 1993, S. 41) eingesetzt. Ein Schüler bekommt den Auftrag, den anderen aktiv zu sich herzuziehen, während dieser den Auftrag bekommt, nur passiv das Seil festzuhalten – ohne den anderen herzuziehen. Man findet sicher auch zwei annähernd gleich schwere Schüler, die etwas Erfahrung mit Skateboards haben. Das Problem ist, das man in der Regel keine zwei Skateboards mit gleicher Reibung zur Verfügung hat, so dass sich keine gleichen Geschwindigkeiten einstellen und die Schüler sich nicht in der Mitte treffen.

In allen in Schulbüchern aufgeführten Versuchen werden stets nur die Geschwindigkeiten vergli-chen, die zwei Körper nach einer Beschleunigungsphase haben (Wilhelm, Heuer, 2004, S. 17 f.).

Will man wirklich die Gleichheit beider Kräfte zeigen, muss man aber zwei Beschleunigungen mes-sen. Dies ist mit einer kontinuierlichen Messung mit einem Messwerterfassungssystem möglich, was nur von wenigen Lehrbüchern eingesetzt wird – allerdings auch nur zur Geschwindigkeitsmes-sung.

Für eine genaue kontinuierliche Messung wurde der Standardversuch mit den zwei Skateboardfah-rern auf der Luftkissenfahrbahn nachgebaut, so dass nach einer qualitativen Durchführung des Ska-teboardversuchs damit eine quantitative Behandlung zur Erarbeitung des dritten newtonschen Ge-setzes möglich ist (Albert, 1997). Auf der horizontalen Luftkissenfahrbahn stehen zwei Luftkissen-gleiter. Auf einem wird eine kleine Holzplatte befestigt, auf der ein reibungsarmer Kleinmotor (F ≈ 0,02 N, Dauermagnet-Motor, Außenpolmotor, Firma Faulhaber, Serie 1616, Typ 003S), zwei 1,5

V-Batterien zur Spannungsversorgung und ein Schalter zum Einschalten befestigt ist (Abb. 5.24). An dem Kleinmotor befindet sich ein Wickelrad, auf das der Faden auf-gewickelt werden kann, der beide Gleiter verbindet. Vor dem Wickelrad wird noch eine kleine Führungsöse befestigt, damit der Faden beim Aufprall auf den zweiten Gleiter nicht vom Wickelrad herunterrutscht. Will man zwei gleich schwere Gleiter, muss man auf den anderen ein entsprechendes Zusatz-gewicht setzen.

Am Graphen (Abb. 5.25a) sieht man, dass sich beide Gleiter mit entgegengesetzten, aber betragsmäßig gleichen Beschleunigun-gen aG

≈ 0,05 m/s² bewegen, bis sie zusam-menstoßen (t = 3,8 s). Dabei bewegen sich die Gleiter (m = 420 g) über jeweils eine Strecke von ∆x = 0,4 m. Wenn man will, kann man auch betrachten, wie sich die bei-den Gleiter nach dem Stoß (3,8 - 4,6 s) mit betragsgleichen Beschleunigungen langsam-erwerdend voneinander wegbewegen (4,6 - 6,0 s) und dann wieder mit gegengleichen Beschleunigungen aufeinander zufahren (6,0 - 7,4 s) (Abb. 5.25 b). Die Beschleunigung ist beim auseinander Fahren etwas größer, da die Reibung nun auch in die Richtung der Zugkraft wirkt.

Interessant sind natürlich auch die Phasen, in denen die Gleiter zusammenstoßen (in Abb.

5.25b bei 3,8 - 4,6 s und 7,4 - 8,2 s, 9,4 - 10,0 s), so dass es sich lohnt, diese Stöße allein ohne Motor zu betrachten – bei gleich schweren und unterschiedlich schweren Gleitern. Damit die Beschleunigungen nicht zu kurz und stark sind, wurden an die Gleiter weiche Stoßfedern befestigt. Nachdem nun ein Gleiter angestoßen wurde (in Abb. 5.26

Abb. 5.26: Stoß unterschiedlich schwerer Gleiter, Orts-animation mit Pfeilen für v und F, t-a-Graphen und t-F-Graphen (gemessen mit PC-Mäusen)

Abb. 5.24: Foto des Kleinmotors auf dem Luftkissen-gleiter (einschließlich Batterien, Schalter und Öse)

Abb. 5.25a: Beschleunigung der beiden Gleiter während des gegenseitigen Anziehens

Abb. 5.25b: Beschleunigung der beiden Gleiter ein-schließlich zweier Stöße (gemessen mit PC-Mäusen)

bei t = 1,0 s), stoßen die Gleiter während einer Messzeit von 15 s dreimal miteinander (in Abb. 5.26 bei 2,4 s, 4,1 s und 11,2 s) und mehrmals mit der Begrenzung der Luftkissenfahrbahn (in Abb. 5.26 bei 3,5 s, 5,4 s, 9,5 s und 14,8 s). Um in einer anschließenden Diskussion immer wieder nachschau-en zu könnnachschau-en, welcher Peak in welcher Situation nachschau-entstand, ist eine Animation hilfreich, die die Be-wegung der Gleiter entsprechend den Messwerten umsetzt und die jederzeit mit einem Ablauf des Graphen reproduziert werden kann. Als Vektoren können hier weitere interessierende Größen wie die Geschwindigkeit oder die Kräfte eingezeichnet werden (Abb. 5.26 oben), ohne dass man viele unübersichtliche Graphen erhält. Der Versuch kann leicht mit gleich schweren und unterschiedlich ungleich schweren Gleitern wiederholt werden, wobei insbesondere ungleich schwere Gleiter inte-ressant sind (Abb. 5.26). Hier stellt man fest, dass zwar die Beschleunigungen während des Stoßes, also während der Wechselwirkung, unterschiedlich sind, aber die entsprechend den Massen gewich-teten Beschleunigungen m⋅a betragsgleich sind (Abb. 5.26).

Dabei sollte man deutlich machen, dass beim Stoß unterschiedlich schwerer Körper die Wirkungen auf die beiden Körper tatsächlich entsprechend der Schülervorstellung unterschiedlich sind. Diese

„Wirkungen“ sind die Beschleunigungen, sie entstehen aber durch gleich große Kräfte. Damit wird den Schülern zugestanden, dass ihre Erfahrung richtig ist; es findet allerdings eine Art Umdeuten statt. Ein Beispiel, das Schülern sehr gefallen hat, ist das Folgende: Wenn ein Hase von einem Auto erfasst wird, wirken auf beide gegengleiche Kräfte, was aufgrund der unterschiedlichen Massen zu recht unterschiedlichen Wirkungen führt.

NEWTON selbst hat bei „Wirkungen“ an die Kräfte gedacht und geschrieben „Die Wirkung ist stets der Gegenwirkung gleich, oder die Wirkungen zweier Körper auf einander sind stets gleich und von entgegengesetzter Richtung“ (Newton, 1963, S. 32). In dieser Arbeit werden als Wirkungen die Beschleunigungen gesehen, so dass zwar die Kräfte (Einwirkungen), aber nicht die Wirkungen (Er-gebnisse) gleich sind.

Eine weitere Variante auf der Luftkissen-fahrbahn ist, die zwei unterschiedlich schwe-ren Gleiter mit einer weichen Standard-Schraubenfeder (D = 3 N/m, l = 0,15 m, ∅ = 0,03 m) zu verbinden. Zusätzlich wird an einen Gleiter eine der oben erwähnten kreis-ringförmigen Stoßfedern befestigt. Nun hat man einen ständigen Wechsel zwischen An-ziehen durch die Schraubenfeder und ein Abstoßen durch die Stoßfeder, wobei wieder die Beschleunigungen im Allgemeinen un-terschiedlich und die Kräfte in jedem Mo-ment gleich groß sind (Abb. 5.27).

Auch beim dritten newtonschen Gesetz ist es

wichtig, dass die vorhandenen Vorstellungen angesprochen und mit der physikalischen Sichtweise verglichen werden. Außerdem muss das erarbeitete Gesetz auf weitere Kontexte projiziert werden,

Abb. 5.27: Beschleunigungen und Kräfte beim Wechsel zwischen Anziehen und Abstoßen bei zwei unterschied-lich schweren Gleitern (gemessen mit PC-Mäusen)

nach Gemeinsamem darin gesucht werden und die Struktur wieder erkannt werden. Ein wichtiges, aber schwieriges Standardbeispiel ist, sich den Wechselwirkungspartner eines fallenden Apfels zu überlegen.

Ein guter Versuch, der mehr herausfordert und Schülervorstellungen bewusst angeht, ist der Ver-such mit der batteriebetriebenen Spielzeugeisenbahn (Braunschmidt, 1972, S. 53; Bader et al. 1998, S. 35; Feuerlein et al., 1993, S. 44): Ein Schienenstück ist auf Walzen gelagert. Fährt die Eisenbahn an, bewegt sich nicht nur die Eisenbahn nach vorne, sondern auch die Schiene nach hinten. Für eine weitere Analyse des Anfahrvorgangs nimmt man ein Spielzeugfahrzeug, das von einem verdrillten Gummiring angetrieben wird. Spannt man den Gummiring extrem stark und setzt das Fahrzeug dann auf eine glatte, mit Wasser benetzte Fläche, fährt es trotzdem nicht an, sondern bleibt überra-schenderweise an seinem Platz stehen, während das Wasser durch die sehr schnell drehenden Räder nach hinten weggespritzt wird. Das Fahrzeug konnte „sich“ also nicht „selbst“ beschleunigen.

Durch die fehlende Reibung konnte die Unterlage keine Kraft auf das Fahrzeug ausüben.

Die Idee, dass sich ein Auto selbst beschleunigt, ent-spricht physikalisch der Geschichte des Barons Münch-hausen, der sich selbst aus dem Sumpf zieht. Deshalb ist es sinnvoll, diese Geschichte zu diskutieren (Backhaus 2001, S. 14; Feuerlein et al., 1993, S. 44). Zum Ver-gleich eignet sich folgender Freihandversuch: Auf einem Wagen wird ein größeres ebenes Segel mit Pappe befes-tigt. Liegt ein kleiner Fön auf dem Wagen und bläst in das ebene Segel (siehe Abb. 5.28), bewegt sich der Wa-gen bei der vorhandenen Reibung nicht (da die Luft hauptsächlich seitlich abgelenkt wird und nicht um 180°

umgelenkt wird). Hält man dagegen den Fön mit der Hand vor das Segel, bewegt sich der Wagen.

Äquivalent, aber nicht so eindrücklich, ist ein Nachbau des Magnetantriebs aus den Geschichten MICHAEL ENDEs über Jim Knopf und Lukas dem Lokomotivführer, bei dem die Lokomotive Emma durch einen an ihr befestigten Magneten gezogen wird.

Man sollte also unbedingt diskutieren, wie die Bewegungen im Alltag zustande kommen und wer auf wen eine Kraft ausübt. So wie der startende Sprinter den Startblock nach hinten drückt und vom Startblock nach vorne gedrückt wird, wird im Paddel- oder Motorboot das Wasser nach hinten ge-drückt. Beim Propellerflugzeug, beim Propellerfahrzeug (im Spielwarenhandel) oder beim Düsen-flugzeug wird die Luft nach hinten beschleunigt und damit von der Luft das Flugzeug nach vorne.

Das dritte newtonsche Gesetz ist auch eine Erklärung für das Fliegen der Flugzeuge (Weltner, 2002): Die Tragflächen lenken die Luft nach unten (Kraft von Tragflächen auf Luft), entsprechend gibt es eine Kraft von der Luft auf die Tragflächen nach oben.

Als Versuche eignen sich auch einige Versuche, die normalerweise für das Thema Rakete aufgeho-ben werden. Das „Rückstoßprinzip“ ist ja nur ein Spezialfall für das „dritte newtonsche Gesetz“.

Ein schöner einfacher Freihandversuch ist das Luftballonauto, bei dem ein aufgeblasener Luftballon auf dem Auto befestigt wird und die Luft nach hinten und das Auto nach vorne beschleunigt

wer-Abb. 5.28: Versuch zur Münchhausen-Geschichte: Fön und Segel auf gleichem Wagen montiert

den. Steht dieses Spielzeug nicht zur Verfügung, kann man natürlich auch einen aufgeblasenen, nicht verschlossenen Luftballon frei davonfliegen lassen. Schließlich kann man obigen Fön auch so auf den Wagen legen, dass er Luft nach hinten bläst.

Fasziniert sind die Schüler stets von der Überlegung, dass bei einer Ohrfeige jeweils die gleiche Kraft auf die Backe und die Hand wirkt, obwohl beim Schmerzempfinden und den juristischen Fol-gen ein Unterschied besteht.

Wichtig ist auch etwas gegen die folgende Verwechslungsgefahr zu tun: Zwei gegengleiche Kräfte greifen als Wechselwirkungskräfte an zwei beteiligten Körpern an (3. newtonsches Gesetz) oder zwei gegengleiche Kräfte erzeugen an einem Körper ein Kräftegleichgewicht. Bei einem Kräfte-gleichgewicht darf man deshalb auch nicht von einer „Gegenkraft“ sprechen, da dieser Begriff für eine Wechselwirkungskraft reserviert sein soll, sondern nur von einer „Gleichgewichtskraft“ oder noch besser von einer „Kompensationskraft“.

Als Hausaufgabe zum Nachdenken kann man ein schwieriges Problem stellen, das für Schüler in der Erklärung recht anspruchsvoll ist. In einem Versuch befinden sich zwei Magnete mit gleicher Orientierung in einem passenden Glasgefäß auf einer Waage (die nicht auf magnetische Kräfte rea-giert) (Feuerlein et al., 1993, S. 44). Wenn man den oberen Magneten umdreht, schwebt er und die Frage ist, was dann die Waage anzeigt. Eine andere Möglichkeit für eine schwierige Nachdenk-Hausaufgabe ist ein Versuch, bei dem ein Gewichtsstück an einer Feder über einem Becher Wasser hängt, der auf einer Waage steht. Die Frage ist, was an der Waage und was an der Feder zu beo-bachten ist, wenn das Gewichtsstück in das Wasser gehängt wird (Gaitzsch et al., 1996, S. 35).