Über die Sinnhaftigkeit einer Kraftdefinition Erkenntnistheorie

Was ist eine Kraft? Die Frage ist nicht einfach zu beantworten, denn sie ist fast schon gleichbedeutend mit der Frage, was Physik ist und damit einhergehend, wie alles funktioniert bzw. sein kann.

Wenn Sie sich an ihre Schulzeit erinnern, war die Kraft nur eins von vielen physikalischen Dingen. Die Kraft ist definiert als Produkt aus Masse und Beschleunigung, hieß es. Doch die zwangsläufige Vorstellung aus einer solchen Behauptung, dass Kraft dann eine Gleichung sein muss, ist irritierend, denn kann man Kräfte nicht am eigenen Körper spüren? Selbst Newton, von dem die Definition stammt, beschrieb Kraft alleine als Mittel zum Zweck, um seine Bewegungsgleichung zu etablieren.
Er berechnete damit die Planetenbewegungen und erkannte, dass die Dinge im Weltall genau so wie die Dinge auf der Erdoberfläche funktionieren. Der Zweck heiligt zunächst einmal die Mittel. Vor ihm war man stets davon ausgegangen, dass die Dinge im Weltall anders funktionieren als die Dinge auf der Erdoberfläche. Offensichtlich funktionieren die Dinge im Weltall auch anders, wenn man sich Videos von Astronauten ansieht. Die Newtonsche Einsicht war aber genial. Nur die Bedingungen sind ein bisschen anders, sonst ist alles gleich. Wie die Dinge allgemein funktionieren, lässt sich über ein physikalisches Gesetz in Form einer mathematischen Symbolsprache beschreiben. Wie die Dinge im Einzelfall funktionieren, beschreiben die Randbedingungen, unter denen die Symbole transformiert werden.
Ich baue ein Experiment auf, von dem ich alle Randbedingungen möglichst genau kenne und siehe da, das Gesetz erweist sich als richtig. Ich ändere nun die Randbedingungen und berechne mit dem Gesetz das zu erwartende Resultat und siehe da, es passt ebenfalls. Das war ein absoluter Knaller damals, und die Geburt der Naturwissenschaft, wie wir sie heute kennen. Newton hat damit eine Zeitmaschine erfunden. Die Zukunft liegt mit genügend Rechenleistung und Genauigkeit komplett vor uns … wenn da bloß nur diese Randbedingungen nicht wären, wie sich später herausstellte.

Kennen Sie dieses Videos aus dem Internet, bei denen eine mutige Person zwischen einer Abrissbirne und einer Wand steht. Die Abrissbirne schwingt einmal hin und zurück und zerquetscht den armen Probanden gerade eben nicht. Klar sagen Sie, muss ja nach den physikalischen Gesetzen so sein. Dem Gesichtsausdruck des Probanden nach zu urteilen, ist das aber nur auf dem Papier so wirklich eindeutig. Hätte er das wirklich mitgemacht, wenn er nicht der Zeitmaschine traut, die voraussagt, dass die Kugel nicht weiter zurückschwingen wird?
Die Vorstellung der kompletten Berechenbarkeit durch die Physik geistert bis heute in den Köpfen herum, obwohl diese Vorstellung längst durch die Quantenmechanik widerlegt wurde.
Doch in der Größenordnung von Planetenbewegungen und Abrissbirnen funktioniert diese Denkweise, diese Zeitmaschine, wunderbar. Mit Newtons Prinzipien kann die Planetenkonstellation tausende von Jahren in der Zukunft und Vergangenheit berechnet werden. Da seine Gesetze überall gelten, entzog diese Denkweise allen Dingen ihre Willkür. Es gibt nichts Übernatürliches mehr in der Moderne, sondern höchstens noch nicht entdeckte Gesetze oder nicht verstandene Bedingungen. Wer Hexen wegen ihrer übernatürlichen Fähigkeiten verbrennt, ist ein unaufgeklärter Idiot, denn alles was passiert, wird allein durch Kräfte und die Abfolge der Wirkungen verursacht, die sich rational erklären und mathematisch berechnen lassen.

Wie gesagt, diese absolute Denkweise ist inzwischen revidiert worden. Der Begriff Kraft hat sich allerdings in der Blüte dieser Zeit tief in das kollektive Bewusstsein der Wissenschaft eingebrannt.
Damit steht Kraft nicht alleine. Der 20 Euro Schein in meiner Tasche z.B. ist zunächst einmal nur ein Stück Papier, auf das die Zahl 20 gedruckt ist. Gleichzeitig ist er aber 20 Euro wert. Mit 20 Euro kann ich etwas bewirken. Dabei ist es egal, ob ich Geld im abstrakten Sinn oder den Schein meine. Genau so verhält es sich mit der Kraft. Eine Kraft bewirkt etwas in der Natur, egal ob es ein abstrakter Begriff ist oder sonst was. Es macht allerdings keinen Sinn, den Begriff ohne das Verständnis des Ökosystems zu benutzen. Für einen Ingenieur, der täglich seine Bauteile berechnet, sind Kräfte so natürlich wie für einen Bänker das Geld, mit dem er Investments berechnet.
Mit der Zeit ging man dazu über, viele weitere Phänomene durch wirkende Kräfte zu beschreiben, z.B. die Anziehung von Magneten oder elektrischen Leitern. Am Begriff Reibungskraft sieht man allerdings, dass man den Bogen deutlich überspannt hat.
Wie erklärt man nun didaktisch am Besten jemanden das Prinzip Kraft, der das ganze physikalische Ökosystem und die Historie noch nicht kennt?

Intuitiv assoziiert man die Körperkraft oder eine maschinelle Kraft mit diesem Begriff. Doch diese Art von Kräften führen immer zu Verformungen an Körpern. Die Newtonsche Mechanik beschreibt dieses Phänomen jedoch nicht. Das wurde erst später entwickelt. Newton bezieht sich alleine auf die Gravitationskraft und die Bewegung von starren Körpern. Didaktisch ist es folglich unglücklich, einem Schüler, der Kraft intuitiv mit Körperkraft assoziiert, die newtonsche Definition über Beschleunigung und Masse anzugedeihen.

In dem modernen Verständnis von Physik wird der Wirkbeziehung und der Wirkprozess, und nicht die Kraft in den Vordergrund gestellt. Genauer gesagt das Wechselwirken, das im dritten newtonschen Gesetz mit Actio gleich Reactio niedergeschrieben ist.
Wenn ich meinen Zeigefinger nehme und gegen eine Walnuss drücke, dann wirke ich eine Kraft auf diese Walnuss aus und die Nuss wirkt eine Kraft auf mich aus. Diese Vorstellung ist natürlich absurd, als ob die Nuss einen Willen hätte. Wenn man das Prinzip zu Ende denkt, wird es noch absurder: Ich wirke auf die Nuss, die Nuss wirkt auf den Tisch, der Tisch wirkt auf den Boden, der Boden wirkt auf das Gemäuer, das Gemäuer wirkt auf das Fundament, das Fundament wirkt auf die Erde, die Erde wirkt auf die Sonne, die Sonne wirkt auf das große schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie usw. Und durch das Prinzip der Wechselwirkung muss ich alles gleichzeitig andersherum denken: Das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie wirkt über die Sonne etc. bis in meinen Finger. Das muss ich alles gleichzeitig denken, wohlgemerkt! Das ist mit unserem Verstand nicht möglich. Man muss also irgendwo eine Betrachtungstrennlinie ziehen.
Ich gehe also davon aus, dass nur ich auf die Nuss wirke, also zunächst nur Actio. So schiebe ich mit meiner körperlichen Kraft per Zeigefinger die Nuss über den Tisch. Das Reactio betrachte ich nun nicht im schwarzen Loch, sondern in einer Trägheit der Nuss und in einem Reibungseffekt auf der Tischoberfläche. Mit dieser geistigen Dichotomie lässt sich arbeiten und bis zum Mars fliegen. Ich kann mir dann vorstellen, dass eine scheinbare Trägheitskraft aus dem Schwerpunkt der Nuss die Bewegung verzögert und eine scheinbare Reibungskraft die Bewegung abbremst. Beide zusammen spüre ich dann als Reactio in meinem Finger. Jetzt muss ich nur noch vermeiden, an die logische Schlussfolgerung zu denken, dass Actio und Reactio zwei Blickwinkel ein-und-derselben Sache sind. Eine Nuss über den Tisch schieben, ist aber genau das: Es ist eben nur eine einzelne Sache.

Eine Kraft ist wie Geld, ein Gedankenkonstrukt. Wie Bewegung funktioniert, kann man über den Lagrangeschen Potential-Formalismus oder das Prinzip der (stationären) Wirkung von Hamilton mindestens genauso gut beschreiben, wie mit der Newtonschen Kraftmechanik. Auch die Struktur von Molekülen wird durch die Wellengleichung von Schrödinger viel eleganter beschrieben als durch anziehende Kräfte zwischen den Atomen. Doch wollen Sie sich darauf wirklich einlassen?
Es hat keinen Vorteil die Kraft verbannen zu wollen, nur weil Sie nicht real oder nicht eindeutig zu definieren ist. Durch Ihren Zeigefinger auf eine Nuss oder die Anfahrt im Zug können Sie Verformungs- und Beschleunigungskräfte im Gegensatz zu einer Wellengleichung und dem Hamiltonschen Prinzip körperlich erfahren. Warum Mathematik bemühen, wenn es nicht sein muss, denn wie Kant schon feststellte:

So fängt denn alle menschliche Erkenntnis mit Anschauungen an, geht von da zu Begriffen und endigt mit Ideen.

 

Infos:

Dieser Artikel wurde inspiriert durch Hier wohnen Drachen.

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