Frage von Usedefault, 83

Welche Grundkräfte sind Beschleunigungen?

Hallo!

Es gibt ja (z. B. lt. Wikipedia) die 4 GRUNDKräfte, mit welchen man alle Vorgänge beschreiben können soll.

Wenn man einen Ball in die lotrecht zum G-Kraftvektor in die Höhe wirft, welche der vier Grundkräfte beschleunigt dann den Ball? - Es wird ja chemische Energie in den Muskeln freigesetzt, welche dann in der Bewegung des Balls steckt. Aber was hat das mit den Grundkräften zu tun?

lg

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 19

Es gibt ja (z.B. lt. Wikipedia) die 4 GRUNDKräfte, mit welchen man alle Vorgänge beschreiben können soll.

Ich halte es für sinnvoller, von den grundlegenden Wechselwirkungen zu sprechen.

Leider hat man sich bei zweien davon nicht viel Mühe gegeben, sie zu benennen, man hat sie einfach die Starke und die Schwache Wechselwirkung genannt.

Letztere, und deshalb lieber "Wechselwirkungen" als "Kräfte", kann nicht nur beschleunigen, sondern auch Partikel in andere umwandeln, was beim β-Zerfall geschieht. Dort verwandelt sich nämlich ein d-Quark n ein u-Quark, und gleichzeitig werden ein Elektron und ein Antineutrino erzeugt. Auch der umgekehrte Vorgang beruht auf der Schwachen Wechselwirkung.

Was einen Ball gegen den Gravitationsfeldstärkevektor |g› lotrecht in die Höhe wirft, beruht eindeutig auf der elektromagnetischen Wechselwirkung, wobei diese auf mikroskopischer Ebene auftaucht, ähnlich wie Wärme bzw. die Innere Energie eines Systems aufgrund seiner Temperatur sich mikroskopisch auf kinetische Energie zurückführen lässt.

Übrigens hat grtgrt ganz Recht: Die Gravitation nimmt insofern eine Sonderrolle ein, als dass sie sich quasi wie eine Trägheitskraft verhält; stellt man sich ihr nicht entgegen, laufen Weltlinien massiver Körper zusammen bzw. wickeln sich umeinander, stellt man sich ihr entgegen, spürt man die Beschleunigung |g› respektive, wenn man die Masse m hat, eine Gewichtskraft m·|g›.

Übrigens reagiert jede Form von Energie auf Gravitation, man kann ihr eine effektive Masse m = E/c² zuordnen. Einsteins berühmte Formel besagt nicht, dass man Masse "in Energie umwandeln könne", sondern dass Energie und Masse eigentlich dasselbe sind.

Gemessen werden sie nur deshalb in unterschiedlichen Maßeinheiten, weil man Längen und Zeiten in unterschiedlichen Maßeinheiten und somit Geschwindigkeiten nicht in Einheiten von c misst.

Die Massen- bzw. Energiedichte ist eine Komponente des Energie-Impuls-Tensors (https://de.wikipedia.org/wiki/Energie-Impuls-Tensor), der die innere Geometrie der Raumzeit bestimmt. Die Energiestromdichte sind 6 weitere Komponenten (3 unabhängige, der Tensor ist symmetrisch).

Die Ausdrucksweise "Masse wird in Energie umgewandelt" ist also eigentlich falsch.

Kommentar von Usedefault ,

Danke für den interessanten Exkurs! Ich finde mittlerweile auch den Ausdruck Wechselwirkung besser als den der Kraft.

Kann man sich die Gravitation überhaupt vorstellen, wie eine Art unsichtbare Strahlung die von jeder Masse absolut und gleich stark in alle Richtungen ausgesendet wird oder bestünde die G-Wechselwirkung gar nicht erst, wenn der Raum theoretisch aus nur dem kleinsten Teilchen bestünde, welches noch Gravitation beinhaltet. (Denn die Gravitation muss ja m. E. irgendwann mit einem Parameter kleiner werden, sonst wäre sie ja wegen 1/r^2 irgendwann unendlich stark.)

Kommentar von SlowPhil ,

Den letzten Satz habe ich nur zum Teil verstanden. Meinst Du so etwas wie die Urknall - Singularität?

Übrigens: Das r¯² - Gesetz gilt nur im Außenraum einer kugelsymmetrischen Massenverteilung, in dem die Quellendichte von |g› gleich 0 ist, anschaulich gesprochen, wo keine Feldlinien "entspringen" oder "versiegen", sondern sich nur vorhandene auf einer mit wachsendem r immer größeren Fläche 4πr² verteilen. In einem gleichmäßig mit Materie konstanter Dichte ϱ angefüllten Raum würde vermutlich keine Gravitation herrschen. Nur würde es dort niemanden geben, der das experimentell bzw. am eigenen Leib erfahren könnte.

Kommentar von Usedefault ,

Ich habe etwa an Goethes Denkanstoß "Was die Welt im Innersten zusammenhält" gedacht.

Wenn zwei Protonen auf Grund der elektromagnetischen Abstoßung nicht mehr weiter zusammenkommen (unter Normalbedingungen) ist auch der Abstand nicht klein genug für hohe G-Kraft. Aber was ist mit den kleinsten Abständen im Raum, noch viel kleiner als Quarks & Co. Da müsste der Faktor 1/r2 ins Unendliche gehen.

Antwort
von atoemlein, 22

Wechelwirkung kann per Definition nur entstehen, wenn mindestens zwei Elemente vorhanden sind (Ball und Erde).

Ein einsamer Massenpunkt "erzeugt" oder hat zwar auch so ein Gravitationsfeld, aber "merken" oder messen kann man das erst, wenn ein zweites Testobjekt mit Masse in seinem Feld ist.
(Oder nach Einstein Licht, das aufgrund der Gravitation abgelenkt wird.)

Gravitation bzw. deren Auswirkung (Kraft auf eine Testmasse) wird nur theoretisch unendlich gross, je näher man kommt , wenn man sich als Modell die ganze Masse in einem Punkt
vorstellt, was natürlich nie möglich ist. Deshalb steigt die
Gravitation auch nicht ins Unendliche, je näher man dem Massen"punkt"
bzw. eben dem echten makroskopischen Körper kommt.

Bei deinem senkrecht geworfenen Ball "beschleunigt" die Graviation den Ball negativ, bremst ihn also auf null und beschleunigt ihn zurück gegen den Boden.
Beim Werfen selbst spielt die Gravitation nur eine Rolle, indem sie dich am Werfen hindern will. Die Muskelkraft, mit welcher der Ball beschleunigt wird, kann tatsächlich als (bio)chemische Energie interpretiert werden.

Kommentar von Usedefault ,

Das Massefeld einer Masse müsste sich aber stark vom elektrischen Feld eines Ladungsträgers unterscheiden, oder?

Im Universum steht ja de facto JEDE Masse über die G-Felder mit jeder anderen Masse immer in Verbindung, wodurch ich durch Werfen eines Balles spontan bzw. mit Lichtgeschwindigkeit den gesamten Raum beeinflusse.


Aber beim Elektron ist es ja anders: Wenn ein Proton in der Nähe ist, dann wird die Gesamtladung neutral. Ein weiteres Elektron wird nicht mehr angezogen. Dadurch beeinflusst ein Proton, welches ein Elektron "neutralisiert" ja das Feld des Elektrons für das gesamte Universum, oder? Oder ist die elektromagnetische Abschirmung rein richtungsabhängig, wodurch ein Elektron in jede Richtung absolut gleichstark anziehend wirkt.

Kommentar von atoemlein ,

Zu deinen Nachfragen in den 3 Abschnitten würde ich 3x ja antworten.

Nur den letzten Satz verstehe ich nicht:
Abschirmung ist ja nicht das gleiche wie Neutralisation.

Ein freies Elektron wirkt schon in jede Richtung gleichstark anziehend auf ein Proton oder abstossend auf ein weiteres Elektron.
Aber wenn es in die Nähe eines Protons kommt, wird sein Feld deformiert, so dass die Wirkung asymmetrisch wird. Eigentlich entsteht ein kleiner lokaler Dipol, weil sich die beiden ja nie ganz "auffressen" wie zwei Antiteilchen.
Aber von weit weg betrachtet oder gemessen haben sich die beiden elektrisch neutralisiert (und masse-mässig vereinigt).

Kommentar von Usedefault ,

Ich habe dabei an die Kleinstladung gedacht. Ich dachte die Ladung des Elektrons könne man nicht mehr aufspalten. Wenn aber nun links und rechts vom Elektron ein Proton sitzt (theoretisch), dann würde sich ja auf Grund der räumlichen Anordnung aus einem Elektron zweimal die Wirkung der Kleinstladung ergeben (ähnlich wie bei der Gravitation), oder teilt sich die Elementarladung auf die zwei Protonen 1:1 auf?

Kommentar von atoemlein ,

Ja, die Kleinstladung ist die Elementarladung und lässt sich nicht aufspalten.

Wenn ein Elektron zwischen zwei Protonen sitzt, dann halbiert sich einfach je die Wirkung dieser einen Elementarladung. Die Anziehungskraft wird für beide Protonen schwächer.
Man kann sich das auch bildlich vorstellen, weil sich ja dann auch die beiden Protonen schon "sehen" und sich bereits abstossen.

Die Ladung selbst spaltet sich nicht auf, das Feld ist aber nicht mehr radialsymmetrisch, sondern deformiert.

Kommentar von Usedefault ,

Was hindert eigentlich ein Elektron daran, in das Proton hineinzustürzen - ihm immer näher zu kommen?

Kommentar von atoemlein ,

du stellst ja interessante Fragen.

Aber das kann ich nicht genau beantworten. Auch dürfte diese Betrachtungsweise viel zu einfach sein. Das hängt von vielem ab. Wohl auch von der Energie, mit der die beiden Teilchen aufeinandertreffen.

Vermutlich ist das "Auffressen" eines Elektrons durch ein Proton mit Energieaufwand verbunden, da es dem rückwärts gerichteten Beta-Zerfall ähnelt. Falls das so ist, entsteht aus dem Proton dabei ein Neutron, und aus der "Leiche" des Elektrons wird ein Neutrino.

Antwort
von grtgrt, 27

In einem absolut homogenen Gravitationsfeld sind die Auswirkungen von Gravitation einerseits und Beschleunigung andererseits nicht zu unterscheiden: In solch einem Gravitationsfeld werden tatsächlich alle frei fallenden Körper in gleicher Weise beschleunigt, also in die gleiche Richtung und gleich stark. Ein Forscher im Inneren einer abgeschlossenen Kabine kann dann nicht zwischen dieser Gravitationsbeschleunigung und der Beschleunigung etwa durch ein Raketentriebwerk unterscheiden.

Quelle: http://www.einstein-online.info/vertiefung/Aequivalenzprinzip

Antwort
von clemensw, 39

Von den 4 fundamentalen Wechselwirkungen Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Wechselwirkung bleiben auf makroskopischer Ebene nur noch 2 übrig:

Gravitation und Elektromagnetismus.

Die Gravitation sorgt dafür, daß Du am Boden bleibst und der Ball wieder runterfällt und Elektromagnetismus ist für den ganzen Rest zuständig - angefangen von der Abstoßung der Elektronenhüllen von Atomen, die dafür sorgt, daß deine Hand den Ball greifen kann bis hin zum Austausch von Elektronen, der bei den chemischen Reaktionen auftritt, die deinen Körper mit Energie versorgen.

Kommentar von Usedefault ,

Danke! Ungefähr so habe ich es mir vorgestellt. Die chemische Energie ist ja im Prinzip ein Teil des Elektromagnetismus.

Eins verstehe ich aber dennoch nicht:


Wenn e = mc ^ 2, dann bedeutet das, dass Masse verschwindet und Energie frei wird, oder?

Wie kann man das so schön berechnen, wenn zwischen den Teilchen noch die starke Kernkraft steckt? Müsste diese nicht ebenfalls freigesetzt werden und sich irgendwie bemerkbar machen, wenn Masse in Energie verwandelt wird?

lg

Kommentar von clemensw ,

E=mc² bedeutet erst einmal, daß Energie und Masse äquivalent sind.

Die Formel funktioniert in beiden Richtungen - sowohl bei der Umwandlung von Masse in Energie (z.B. Kenrfusion) als auch umgekehrt von Energie zu Masse (z.B. in einem Teilchenbeschleuniger). Ja, sogar Teilchen ohne Ruhemasse (Photonen) kann damit eine träge Masse zugeordnet werden.

Was Du jetzt aber wahrscheinlich meinst, ist der sog. Massendefekt, d.h. die kleine Differenz zwischen einzelnen Kernteilchen und dem "zusammengebauten" Atom.

Dieser Massendefekt entsteht durch die Bindungsenergie, und die wiederum dadurch, daß die Kernteilchen durch die starke Kernkraft gegenseitig angezogen werden.

Kommentar von Usedefault ,

Danke für die Erklärung! Aber muss man jetzt bei der Kernfusion damit rechnen, dass 2 Energien frei werden? Die starke Kernkraft, SOWIE die m * c^2? Bzw. kann es passieren, dass es ein Atom in Protonen zerfetzt, wodurch die SKK frei wird, aber die Masse der Protonen nicht zu Energie verwandelt wird? Und gibt es innerhalb der Protons auch noch Kräfte, welche die Quarks zusammenhalten?

Lg

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