Newtons Konfusion bezüglich 'Kraft' und 'actio = reactio' bei der Zentrifugalkraft
Wolfgang G. Gasser
Eine Diskussion über Zentrifugalkraft auf de.sci.physik hat wieder einmal gezeigt, wie berechtigt die Kritik am Zwitter-Wesen des Newtonschen Kraftbegriffes ist:
"Der Begriff Impulsänderung deckt sich nicht mit dem Begriff Kraft, mit dem Isaac Newton (1643 - 1727) der klassischen Mechanik einen Stempel aufdrückte, der bis heute Verwirrung stiftet. Das zweite Newtonsche Axiom 'Kraft = Impulsänderung' ist nur in Spezialfällen, direkt anwendbar, z.B. bei Planetenbewegungen. Bei der Reibung eines gleichmässig bewegten Körpers kann es nicht mehr direkt angewandt werden, denn wir haben eine Kraft (und Energieumwandlung), aber keine Impulsänderung. Der Newtonsche Kraftbegriff ist ein Zwitter aus Impulsänderung und Druck-Zug-Kraft und führt konsequent weiterentwickelt zu Theorien wie der allgemeinen Relativitätstheorie."
"Während bei Gravitation Beschleunigungen primär und Druck-Zug- Kräfte sekundär sind, ist es bei den übrigen physikalischen Wirkungen, die zu Impulsänderungen führen, gerade umgekehrt:
1) Eine verhinderte Gravitations-Beschleunigung führt zu einer Druck-Zug-Kraft, deren Stärke durch das Produkt aus Masse und (potentieller) Beschleunigung ausgedrückt wird. Druck-Zug-Kräfte führen zu Materialverformungen und können mit verschiedenen Methoden (z.B. Federwaagen) gemessen werden.
2) Wird ein Körper nicht-gravitativ beschleunigt, dann ist eine Druck-Zug-Kraft primär und eine effektive Beschleunigung ergibt sich in Abhängigkeit der Masse."
"Das Zwitterwesen des Kraftbegriffs zeigt sich auch in der Zweideutigkeit des Begriffs kräftefrei. Er lässt sich sinnvoll zerlegen in:
1) impulsänderungs-frei
2) druckzugkraft-frei
Ein frei fallendes Raumschiff ist zwar druckzugkraft-frei, aber nicht impulsänderungs-frei. Ein Stein am Erdboden ist impulsänderungs-frei, nicht aber druckzugkraft-frei. Der Begriff 'im Kräftegleichgewicht' kann in derselben Weise zerlegt werden. Während das fallende Raumschiff im Gleichgewicht der Druck-Zug-Kräfte, nicht aber im Gleichgewicht der Impulsänderungen ist, ist es beim Stein gerade umgekehrt." (Quelle)
Auch das Axiom/Postulat 'actio = reactio' hat viel Verwirrung gestiftet. Der eigentliche Zweck dieses Postulates liegt in Impulserhaltung. Dass Newton Impulserhaltung durch etwas anderes ersetzt hat, könnte auch Gründe gehabt haben, die mit Wissenschaft selber nur wenig zu tun haben.
Stehen Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft im selben Verhältnis zueinander wie actio und reactio? Nein. Die Zentripetalkraft ist eine Impulsänderung, die Zentrifugalkraft (insofern sie real ist) hingegen eine Druck-Zug-Kraft. Druck- und Zugkräfte haben immer zwei Richtungen gleichzeitig.
Zug-Kraft: <-- | -->
Druck-Kraft: --> | <--
Von der reactio einer Druckzugkraft zu sprechen, macht somit wenig Sinn, denn eine Druck- oder Zugkraft setzt ja die Wechselwirkung entgegengesetzt gerichteter Objekte voraus (z.B. Person und Fussboden oder zwei Backen einer Zange).
1: Rotationsursprung
2: Rotationszentrum = Massenschwerpunkt
3: Seil
4: Testperson auf rotierendem "Boden"
a: Zentripetalkraft (Impulsänderung) auf Rotationsursprung
b: Zentripetalkraft (Impulsänderung) auf Testperson
c: Druck-Kraft zwischen Testperson und "Boden"
d: Zug-Kraft zwischen Seil und "Boden"
e: Rotationsbewegung von "Boden" mit Testperson
Die reactio der Zentripetal-Kraft (Zentripetal-Impulsänderung) b ist die Zentripetalkraft a des "Rotationsursprungs" (auf der gegenüber liegenden Seite des gemeinsamen Schwerpunkts). Bei kreisförmiger Rotation eines Gegenstands infolge eines Rotationsursprungs führt der Ursprung immer auch eine (kleine) Rotation um den gemeinsamen Schwerpunkt aus.
Stellt sich noch die Frage, inwiefern die Behauptung gültig ist, die Zentrifugalkraft sei eine Scheinkraft? Insofern mit Zentrifugalkraft eine messbare Druckzugkraft gemeint ist, sollte man sie wohl nicht als Scheinkraft bezeichnen.
Man stelle sich vor, eine Raumkapsel rotiere so um eine Raum-station, dass die Beschleunigung zur Raumstation 10 m/s2 betrage. Wenn eine Person in der Kapsel einen Gegenstand von 1 kg in der Hand hält, wirkt die reale Druckzugkraft von 10 Newton auf die Hand. Wenn die Person den Gegenstand loslässt, wird dieser zum Boden beschleunigt. Diese Beschleunigung ist insofern scheinbar, als der Gegenstand sich gleichförmig bewegt und nur relativ zur beschleunigten Raumkapsel beschleunigt erscheint.
Wenn wir diese Scheinbeschleunigung noch mit der Masse des Gegenstands multiplizieren, erhalten die Scheinkraft (d.h. Scheinimpulsänderung). Dieser Zentrifugalkraft entspricht aber keine reactio, da der Gegenstand sich nach dem Loslassen impulsänderungsfrei bewegt.