Physik für echte Männer

Von Martin Apolin und Mandy Fischer

Das Mobiltelefon ohne Steckdose aufladen? Mit dem Bumerang die Zimmerpflanze abstauben? Im Dunkeln leuchtende Eiswürfel herstellen? Wie bestimmen Sie die Himmelsrichtung, wenn Sie kein Smartphone und keinen Kompass zur Verfügung haben? Da gibt es einige MacGyver-Methoden, für die man nur wenig Zubehör benötigt und die überdies auch physikalisch interessant sind – schauen Sie Martin Apolin über die Schulter! Unterhaltsam und fundiert präsentiert Martin Apolin physikalisches Wissen für alle Lebenslagen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: ecoWing
• Erscheinungsdatum: 7. März 2015
• ISBN: 9783711051295

Buchvorschau

MARTIN APOLIN

MIT ILLUSTRATIONEN

VON MANDY FISCHER

Für Kveta, Filip, Ellen und Anna

© 2015 Ecowin, Salzburg

by Benevento Publishing

Eine Marke der Red Bull Media House GmbH

Lektorat: Joe Rabl

Art Direction: Peter Feierabend

Illustrationen Innenteil und Cover: Mandy Fischer

Covergestaltung und Satz: Frank Behrendt

Programmleitung Ecowin: Martina Paischer

E-Book-Konvertierung: Satzweiss.com Print Web Software GmbH

ISBN: 978-3-7110-5129-5

www.ecowin.at

Inhalt

Vorwort oder Es ist niemals zu spät, eine glückliche Kindheit zu haben

TEIL A – KÖRPER UND SPORT

1 Eine Fläche aus Zeit oder Wie gut ist Ihre Reaktion?

2 Die Angst des Tormanns vorm Elfmeter oder Wie schießen Sie den perfekten Strafstoß?

3 Der entzauberte Himmel oder Wie wird man im Flugzeug schwerelos?

4 Der Mann mit dem Hammer oder Welche Physik steckt im Marathonlauf?

5 Beschleunigung geht durch den Magen oder Was macht die Achterbahn so attraktiv?

6 Auf die Fliehkraft wird gepfiffen! oder Wie fährt man mit dem Rad durch einen Looping?

7 Ein Kreisel mit Flügeln oder Warum kommt ein Bumerang zurück?

TEIL B – AUTO UND MOTOR

8 Das lauteste Autoradio der Welt oder Röhren zwei Autos doppelt so laut wie eines?

9 Auf Fermis Spuren oder Wie hoch ist eine Gummispur?

10 Diesel versus Benziner oder Wer kommt schneller aus den Socken?

11 Von 0 auf 100 km/h in 2,5 s oder Was treibt eigentlich ein Auto an?

12 James Bond und Captain Impossible oder Kann man mit einem normalen Auto auf zwei Rädern fahren?

TEIL C – FREIZEIT UND ABENTEUER

13 Geocaching mit Einstein oder Wie funktioniert das GPS?

14 Back to the roots oder Wie bestimmt man die Himmelsrichtung ohne Kompass?

15 Verzweifelt in der Pampa oder Wie lädt man ein Handy ohne Steckdose?

16 Fahrenheit 451 oder Wie macht man ohne Streichholz oder Feuerzeug ein Feuer?

17 Die trinkende Ente oder Wie funktioniert ein Sockenkühlschrank?

TEIL D – ESSEN UND TRINKEN

18 Coffee is the fuel of science oder Wie funktioniert eine Espressomaschine?

19 Wenn das Tonic Water flasht oder Wie macht man fluoreszierende Eiswürfel?

20 Der Bernhardiner mit dem Schnapsfässchen oder Kann man sich mit Alkohol aufwärmen?

21 Wein ist eine Lösung oder Wie kann man Schnaps selbst brennen?

22 Eine Blume für den Mann oder Wie zapft man das perfekte Bier?

23 Auf Messers Schneide oder Wie scharf ist eine wirklich scharfe Klinge?

24 Das Ende der Porenlegende oder Wie brät man das perfekte Steak?

TEIL E – WIE SIE BEIM KINDERFEST ZUM STAR WERDEN

25 Glockenklang mit dem Kleiderbügel oder Warum klingt meine Stimme auf Band so blöd?

26 Darth Vader und Mickey Mouse oder Wie funktioniert die Heliumstimme?

27 Warum der Flop kein Flop wurde oder Wie funktioniert das schwebende Besteck?

28 Candlelight-Dinner in Schwerelosigkeit oder Wie funktioniert eine Teebeutelrakete?

29 Countdown nicht möglich! oder Wie funktioniert eine Wasserrakete?

30 Die Kunst der Verzerrung oder Wie macht man eine Anamorphose?

31 Nicht nachmachen! oder Wie funktioniert der Turbo-Würstchen-Garer?

32 Übers Wasser laufen oder Was ist eine nicht-newton’sche Flüssigkeit?

33 Ein Donut aus Luft oder Wie baut man eine Vortex-Kanone?

TEIL F – PHYSIKALISCHE LIFEHACKS

34 Der Hacker-Trick des Captain Crunch oder Wie kann man Bier in Blitzesschnelle kühlen?

35 Überschall-Superflummi oder Wie funktioniert ein Eidottersauger?

36 Eierschalensollbruchstellenverursacher oder Wie macht man Gläser aus alten Flaschen?

37 Kontaktlinse fürs Smartphone oder Wie kann man mit der Handykamera Makrofotos schießen?

38 Big Bang Theory oder T-Shirts falten mithilfe der Gravitation

39 Ein Plädoyer für die gepflegte Unordnung oder Warum hat die Zeit eine Richtung?

TEIL G – SCIFI, FANTASY UND SUPERHELDEN

40 Der Blick in die Vergangenheit oder Kann man schneller ziehen als sein eigener Schatten?

41 Über dem Horizont oder Gibt es Überlichtgeschwindigkeit?

42 Beam me up, Scotty! oder Wie funktioniert Teleportation?

43 Fliegende Lichtwürstchen oder Wie funktionieren Laserpistole und Lichtschwert?

44 Godzilla und die Minimoys oder Kann es Zwerge und Riesen geben?

45 Auch Superhelden haben es schwer oder Wie könnten Superkräfte funktionieren?

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Vorwort oder Es ist niemals zu spät, eine glückliche Kindheit zu haben

Physik ist als staubtrockene Materie verschrien – völlig zu Unrecht, wie ich finde. Auch ist die Meinung weit verbreitet, dass Physik nichts oder zumindest wenig mit dem Alltag zu tun habe. Dieses Buch ist der Versuch meinerseits, diese beiden Vorurteile ein für alle Mal zu widerlegen. In wohlportionierten und saftigen Häppchen habe ich mich diverser Themen angenommen, die aus dem Alltag oder unserer erweiterten Lebenswelt stammen. Ich habe versucht, in den Formulierungen belletristisch zu bleiben und die Sache mit Augenzwinkern anzugehen, aber trotzdem physikalisch tief zu schürfen. Weil ich mich auf Aspekte konzentriert habe, die ich selbst besonders faszinierend finde, ist einerseits ein sehr persönliches, andererseits aber auch ein eher männerlastiges Buch entstanden. Deshalb ist es mir sehr wichtig, ausdrücklich zu betonen, dass ich selbstverständlich nicht der Meinung bin, dass Physik nur etwas für Männer ist. Als Lehrer unterstütze ich schon seit vielen Jahren alle Bemühungen, auch das weibliche Geschlecht für diese faszinierende Materie zu gewinnen.

Ich hatte schon immer einen eher unkonventionellen Zugang zur Physik. Einerseits wurde dieser dadurch begünstigt, dass ich neben Physik nicht Mathematik, sondern Sportwissenschaften studierte. Dadurch entwickelte sich ein eher unmathematischer, beinahe musischer Zugang zur Physik. Zum Beispiel arbeite ich unglaublich gerne mit Abbildungen, weil man mit deren Hilfe Informationen sehr schnell und plastisch vermitteln kann. Andererseits hat mich schon immer die konkrete Physik zum Angreifen und Abbeißen fasziniert. Ändert sich zum Beispiel die Geschwindigkeit, wenn Sie mit konstant 80 km/h durch eine Kurve fahren? Ich verrate es Ihnen noch nicht an dieser Stelle! Auch das physikalische Querdenken, das mir stets wichtig war, ist in dieses Buch mit eingeflossen. Und zu guter Letzt wäre da noch mein verspielter Zugang zu nennen, der sich auch im Praktischen niederschlägt. Es ist ja niemals zu spät, eine glückliche Kindheit zu haben! Und zumindest mein inneres Kind spielt auch heute noch gerne mit Gadgets wie Vortex-Kanonen, Makrolinsen und Zimmerbumerangs, und das finde ich auch gut und wichtig so.

Neben der Faszination für die Materie gibt es aber noch einen anderen fundamentalen Grund, warum mir Physik immer sehr wichtig war. Der dänische Philosoph Søren Kierkegaard hat in seinen Tagebüchern sinngemäß geschrieben, dass man das Leben nur rückwärts verstehen kann, es aber vorwärts leben muss. Saublöde Sache! Auf das Leben ist eben nicht wirklich draufzukommen, und es ist oft einfach unberechenbar. Wenn man sich im Gegensatz dazu aber in der Physik einmal ein Terrain erarbeitet hat, dann ist dieses völlig trittsicher. Zum Beispiel ist E immer exakt gleich mc2, und nicht heute ein bisschen weniger oder morgen ein bisschen mehr, nur weil es dem Universum grad so in den Kram passt. Auf die Physik ist einfach Verlass, und das hat mich immer unheimlich beruhigt.

Dass mein Zugang eher unmathematisch ist, bedeutet nicht, dass ich nicht gerne rechne – im Gegenteil! Aber die Ergebnisse von Abschätzungen sollen in meinen Augen immer konkret sein und wenn möglich einen Aha-Effekt hervorrufen, so nach dem Motto: „Das hätte ich mir aber jetzt nicht gedacht!" Ich finde es zum Beispiel hochinteressant auszurechnen, wie viele Big Macs der Superschurke Magneto essen müsste, damit er die Golden Gate Bridge heben könnte. Und so viel kann ich an dieser Stelle schon verraten: Es sind wirklich eine ganze Menge! Damit der Lesefluss erhalten bleibt, habe ich diverse Rechenorgien und Zusatzinformationen in den Anhang verbannt. Es war mir aber wichtig, dass stets nachvollziehbar ist, wie ich auf meine Ergebnisse gekommen bin.

Der Wiener Kabarettist Gunkl alias Günther Paal hat einmal gemeint, er will nicht immer so denken, dass es staubt, sondern auch einmal so, dass der Dreck spritzt. Ich habe versucht, dieses Motto zu beherzigen. In diesem Sinne wünsche ich Ihnen beim Lesen so viel Vergnügen und erhellende Momente, wie ich sie beim Schreiben hatte.

Martin Apolin

Wien, Dezember 2014

TEIL A – KÖRPER UND SPORT

1 Eine Fläche aus Zeit oder Wie gut ist Ihre Reaktion?

Die wenigsten Menschen sind Sprinter, Wettkampfschwimmer oder Tormänner. Trotzdem spielt die Reaktion auch im Alltag eine große Rolle, etwa beim Autofahren, wenn man als Fußgänger einem waghalsigen Radfahrer ausweicht oder mit dem Fuß dem entglittenen Brotmesser. Ob jemand eine lange Leitung hat oder wie ein geölter Blitz reagiert, ist angeboren, kann aber durch Training zumindest ein wenig verbessert werden. 

Wie gut ist Ihre persönliche Reaktion? Um diese zu messen, brauchen Sie nur einen Rundstab und eine Hilfsperson, die diesen fallen lässt. Ihre Aufgabe ist dabei denkbar einfach: so schnell wie möglich zuzupacken! Die Physik liefert Ihnen dann den Zusammenhang zwischen der Fallstrecke und Ihrer Reaktionszeit! 

Legen Sie den Unterarm Ihrer Lieblingshand mit leicht gebeugten Fingern bis zum Handgelenk auf die Tischplatte (siehe Abb. 1a). Diese Maßnahme dient dazu, dass Sie später beim Zupacken nicht nach unten ausweichen, wodurch Sie eine geringere Falltiefe vortäuschen würden. Ein Helfer hält nun den Stab zwischen Ihre leicht geöffneten Finger, dessen Ende sich genau an Ihrer Handkante befinden muss. Damit keine Zufallsresultate entstehen, sollte der Helfer einige Sekunden abwarten, bevor er die Stange fallen lässt – es soll Sie ja wirklich überraschen. Wenn diese zu fallen beginnt, greifen Sie so schnell wie möglich zu. Was dann letztendlich unten raussteht (Abb. 1b), ist ein Indikator für Ihre Reaktionszeit. Und hier kommt die Physik ins Spiel. 

Wir brauchen dazu den Zusammenhang zwischen der Falltiefe s eines Gegenstandes und seiner Fallzeit t. Die Formel dafür ist ein absoluter Klassiker und lautet s = (g/2)t2. Das g steht dabei für die Fallbeschleunigung. Für unsere Überlegungen nehme ich zunächst einmal den gerundeten Wert von 10 m/s2. Was bedeutet diese Zahl? Und was zum Teufel soll man sich unter einer Quadratsekunde vorstellen? Eine Fläche aus Zeit? Viele Einheiten in der Physik entziehen sich leider hartnäckig unserer konkreten Vorstellungskraft, so auch diese. Um der Einheit Meter pro Sekundenquadrat auf die Schliche zu kommen, ist es am besten, diese aufzudröseln. 

Wenn wir den Luftwiderstand mal vernachlässigen, was bei kleineren Geschwindigkeiten und kompakten Objekten realistisch ist, dann kann man festhalten: Nach einer Sekunde hat jedes Ding eine Geschwindigkeit von 10 m/s, nach zwei Sekunden 20 m/s, nach drei Sekunden 30 m/s und so weiter. Sie sehen das Prinzip! Der Geschwindigkeitszuwachs beträgt also generell 10 m/s pro Sekunde. Anders angeschrieben sind das (10 m/s)/s und umsortiert 10 m/s2. Tadaaa! Die etwas irritierende Einheit Quadratsekunden kommt also bloß durch das Zusammenstauchen der Einheiten zustande. Ich gebe jedoch zu, dass man diese Sache ein wenig einsickern lassen muss. 

. Nun können Sie bequem die Fallstrecke einsetzen und kommen sofort auf Ihre Reaktionszeit. Dazu müssen Sie allerdings in die Formel die Fallstrecke in Metern einsetzen, damit Sie auf das Ergebnis in Sekunden kommen. 

Um Ihnen das Herumgefummel mit dem Taschenrechner zu ersparen, habe ich Tab. 1 erstellt, mit deren Hilfe Sie die Fallstrecken zentimetergenau in Ihre Reaktionszeiten umwandeln können. Für diese Daten habe ich allerdings den exakten Wert für g in unseren Breiten angenommen, nämlich 9,81 m/s2.

Beim freien Fall wächst die Fallstrecke mit dem Quadrat der Zeit. Wenn sich zum Beispiel die Fallzeit verdoppelt, dann vervierfacht sich die Fallstrecke! Das kann man auch in der Tabelle an den grau unterlegten Werten gut erkennen. Nach rund 0,1 s ist der Stab 5 cm tief gefallen, nach 0,2 s aber bereits 20 cm, also viermal so tief. Nach etwa 0,3 s wäre der Stab übrigens bereits neunmal so tief gefallen, also 45 cm. Das entspricht allerdings der Reaktion einer Schlaftablette, und daher habe ich solche Werte in der Tabelle nicht mehr berücksichtigt. 

Wenn Sie auf ein repräsentatives Ergebnis Wert legen, dann sollten Sie diesen Test öfter hintereinander durchführen und die Reaktionszeiten mitteln. Dann bekommen Sie einen brauchbaren Eindruck, wie gut Ihre Reaktion ist, und können diese mit der von anderen Personen vergleichen – vielleicht gibt’s in der Arbeit ja mal einen kleinen Leerlauf?!

Was sind die bestmöglichen Reaktionszeiten? Wirklich bissfeste Zahlen dazu existieren nicht. Man kann aber vorsichtig abschätzen, dass bei Untrainierten bei optischen Reaktionen wie in unserem Test die untere Grenze bei 0,15 s liegt. Wenn also 11 cm unten rausstehen, dann sind Sie reaktionstechnisch höchstbegabt. Wenn es noch weniger ist, dann hatten Sie eine Fehlreaktion, haben also zufällig die Finger zu früh geschlossen. 

Tab. 1: Fallstrecken und zugehörige Reaktionszeiten.

Apropos Fehlreaktion! Ein solcher Lapsus kann beim Sprint zu großen Dramen führen, etwa wenn es einen Superstar wie Usain Bolt erwischt. Dieser produzierte bei der WM 2011 im 100-Meter-Finale einen Fehlstart, wurde prompt disqualifiziert und musste tatenlos zusehen, wie sein Landsmann Yohan Blake in 9,92 s gewann. Mit Bolt’schem Standard verglichen war das eher eine maue Leistung. Wie ist das mit dem Fehlstart aber eigentlich geregelt? 

Während bei optischen Reizen die Minimalreaktion um 0,15 s liegt, beträgt sie bei akustischen Signalen wie dem Startschuss etwa 0,12 s – ein Unterschied von immerhin 3 Hundertstelsekunden! Auch ohne Physiologiestudium kann man daher einen heuristischen Hüftschuss wagen und behaupten, dass bei der Verarbeitung optischer Reize die Synapsen im Hirn eben generell etwas länger gefordert sind als bei akustischen. Zur Sicherheit hat man von erwähntem Minimalwert noch einmal zwei Hundertstel abgezogen und als Fehlstart definiert, wenn man innerhalb von 0,1 Sekunden nach dem Schuss reagiert. Mit freiem Auge wären so ein paar Tausendstel unmöglich zu sehen! Die objektive Lösung liefert wieder mal die Physik. Bei großen Meetings gibt es nämlich in jedem Startblock Kraftsensoren, die überwachen, wie stark die Füße auf die Blöcke drücken. Das ist in Abb. 2a dargestellt. Erfolgt der Kraftanstieg schneller als 0,1 s nach dem Schuss, wird automatisch zurückgeschossen und der Übeltäter disqualifiziert. In der Abbildung ist übrigens ein korrekter Start abgebildet. 

Tab. 2: Platzierungen, Reaktionszeiten und Endzeiten bei den Leichtathletik-Weltmeisterschaften 2009. Die Daten sind nicht nach der Endzeit, sondern nach den Reaktionszeiten geordnet. Diese liegen alle weit über dem erlaubten Wert von 0,1 s.

In Tab. 2 sehen Sie die Reaktionszeiten bei jenem Lauf im Jahr 2009, in dem Usain Bolt mit 9,58 s seinen Weltrekord auf die Bahn getrommelt hat. Die Läufer sind nach ihrer Reaktionszeit geordnet. Anhand der Tabelle sehen Sie zweierlei sehr schön: Bolts Reaktion ist weltklassetechnisch nicht besonders hervorstechend – seine Stärken kommen erst nach dem Start. Und das Fehlstartkriterium von 0,1 s ist offenbar wirklich mit genügend Sicherheitspolster gewählt, da es weit unter den realen Reaktionszeiten liegt. 

Abbildung 2a macht klar, warum man das bessere, kräftigere Bein beim Start im vorderen Block haben sollte. Die Flächen unter den Kurven entsprechen Kraft mal Zeit. Man nennt das auch den Kraftstoß[1] und dieser ist letztlich dafür verantwortlich, mit welchem Tempo man aus dem Startblock fliegt. Der Kraftstoß des vorderen Beines ist offensichtlich wesentlich größer. Das liegt vor allem daran, dass es in der Startposition stärker abgewinkelt ist (Abb. 2b) und daher viel länger drücken kann, bevor es sich vom Block löst. Deshalb sollte Ihr kräftigeres Bein vorne sein – nur für den Fall, dass Sie einmal beim Sprint antreten wollen. Wissenschaftlich ermitteln Sie Ihr besseres Bein so: Sie springen jeweils 5 Sprünge hintereinander, zuerst nur links und dann nur rechts – oder auch umgekehrt. Das Bein, mit dem Sie die größere Weite erzielen, ist das schnellkräftigere und sollte vorne in den Block. 

2 Die Angst des Tormanns vorm Elfmeter oder Wie schießen Sie den perfekten Strafstoß?

Weil Fußball augenscheinlich die Emotionen der Massen extrem bewegt, gibt es von Psychologen, Sportwissenschaftlern und Statistikern auch immer wieder wissenschaftliche Untersuchungen zum Thema Strafstoß. Da schlägt wohl das Kind im Wissenschaftler durch! Wir werden uns der Frage nach dem perfekten Elfer natürlich vor allem physikalisch nähern, dabei aber volley eines der bekanntesten mathematischen Gesetze mitnehmen.

Begeben wir uns mal auf die Seite des Schützen und sehen wir uns die nackten Fakten zum Torschuss an. Wie weit der Elfmeterpunkt von der Torlinie entfernt ist, ist evident. Wie weit ist es aber bis zu den Ecken? Dazu müssen wir vorher wissen, wie breit das Tor ist. Man sieht dieses bei Übertragungen im Fernsehen meistens von der Seite und somit perspektivisch arg zusammengestaucht. So ein Tor ist mit 7,32 m überraschend breit. Gehen Sie mal sieben große Schritte, um einen Eindruck zu bekommen! Sie werden staunen! Ein halbes Tor hat also immerhin noch 3,66 m. 

. Damit können