Bewegungen beobachten – Bezugssystem

Hallo, ich heiße Phillip. Hier erkläre ich euch, was man unter einem Bezugssystem versteht, denn Größen wie die Geschwindigkeit hängen nicht ausschließlich von der direkten Bewegung, sondern auch von der Position des Beobachters ab. Es macht einen großen Unterschied, ob ihr z. B. in einem Auto sitzt, oder es euch von der Straße aus anschaut. Da sich der Begriff des Bezugssystems stark an denen der Geschwindigkeit und der Bewegung orientiert, solltet ihr hierüber schon etwas wissen. Wir werden zuerst den Begriff des Bezugssystems etwas genauer definieren. Dann schauen wir uns an 3 Beispielen die Eigenschaften von solchen Bezugssystemen an. Hier lernt ihr etwas über gewisse physikalische Größen und wie diese vom Bezugssystem abhängen. Wir betrachten vor allem die Geschwindigkeit von Objekten und Körpern. Aber auch allgemeine physikalische Prozesse. Und zwar nicht nur bei Ruhenden, sondern auch bei bewegten Bezugssystemen. Ihr werdet danach verstehen, wie solche Werte und Abläufe durch die Wahl des Bezugssystems beeinflusst werden können. Um dieses Verständnis noch etwas zu vertiefen, erkläre ich euch am Ende das Paradoxon der Scheinkräfte. Denn es gibt Kräfte, die gibt es gar nicht. Die Zuordnung von Bezugssystemen ist ein Hilfsmittel, um physikalische beschreiben und vergleichen zu können. Ein Bezugssystem bezeichnet hierbei den Ort und den Bewegungszustand, von dem aus ein physikalisches System beobachtet wird. Stehen also 2 Menschen an unterschiedlichen Punkten in einem Raum, so kann man jedem von ihnen ein Bezugssystem zuordnen. Genauso verhält es sich, wenn die beiden Personen sich in unterschiedliche Richtungen bewegen, sich also in unterschiedlichen Bewegungssystemen befinden. Verdeutlichen wir uns das einmal an einem Beispiel: Die Weg-/Zeitgesetze der Bewegung beinhalten stets einen Term, der einen Anfangsort angibt. Dieser wird meist mit S0 bezeichnet und beschreibt die Anfangsentfernung zum festen Bezugspunkt. Unterschiedliche Beobachter, in unterschiedlichen Bezugssystemen, an unterschiedlichen Orten werden also andere Werte für diese Anfangsentfernungen erhalten. Stellt euch einmal vor, jemand sitzt auf einer Parkbank. Von dort aus beobachtet er z. B. ein Auto, das sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit fortbewegt. Es lässt sich nun der Abstand zu diesem Auto messen und berechnen. Doch stellen wir uns einmal vor, es beobachtet noch jemand das Auto. Diese Person B steht aber nun 20m von der Parkbank entfernt. Die Geschwindigkeit des Autos wäre natürlich für beide Beobachter gleich, jedoch wäre für die Person B  zu jedem Zeitpunkt das Auto 20 m weiter entfernt, als für Person A. Beide Beobachter beschreiben unterschiedliche Bezugssysteme und haben somit unterschiedliche Bezugspunkte. Geschwindigkeiten sind für beide stets gleich groß, jedoch haben sie in der Regel unterschiedliche Entfernungen zu Objekten um sie herum. Das Bezugssystem beschreibt also z. B. den Ort, von dem man einen Prozess beobachtet. Durch ihn werden manche Größen verändert, wie z. B. der Ort. Andere bleiben von der Wahl des Bezugssystems unbeeinflusst. So ändert sich die Geschwindigkeit nicht, egal, von wo aus man sie beobachtet. Man nennt solche unveränderten Größen invariant. Bezugssysteme können sich aber an weiteren Punkten als dem Bezugsort unterscheiden. So kann sich z. B. ein Bezugssystem gegenüber einem anderen bewegen. Wir stellen uns hierfür erneut ein fahrendes Auto vor, das von einem Beobachter auf einer Parkbank beobachtet wird. Dieses stellt 2 Bezugssysteme dar. Einmal im vermeintlich ruhenden System, in Form des Menschen auf der Parkbank und ein dagegen Bewegtes wird durch das fahrende Auto beschrieben. Zusätzlich brauchen wir nun noch Objekt, das die beiden beobachten können. Hierfür nehmen wir einen Vogel, der über dem Auto hinweg fliegt. Dieser Vogel soll sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit in genau die gleiche Richtung bewegen, wie das Auto. Der Mensch auf der Parkbank betrachtet nun den Vogel und sieht, dass dieser sich immer weiter von ihm wegbewegt. Die Entfernung zwischen ihm und dem Vogel wird immer größer und so kann er seine Geschwindigkeit bestimmten. Doch der Fahrer des Autos sieht hoch und findet den Vogel dort über sich fliegend. Da sich dieser nun aber mit dem Auto mitbewegt, ändert sich der Abstand zwischen dem Vogel und dem Auto nicht. Für den Fahrer scheint es so, als ob der Vogel in der Luft steht. Der Mensch auf der Parkbank hingegen saust an dem Auto vorbei. Die Geschwindigkeit des Vogels ist also unterschiedlich für den Beobachter auf der Parkbank und dem Beobachter im Auto. Geschwindigkeiten sind also nur so lange invariant, also unverändert, solange sich die Bezugssysteme nicht gegeneinander bewegen. Ein mit einer festen Geschwindigkeit V bewegtes Bezugssystem wird Inertialsystem genannt. Der Mann auf der Parkbank bildet also ein solches Inertialsystem. Auch das Auto kann als ein Inertialsystem angesehen werden, denn es ist ein spezielles Bezugssystem, das sich mit einer festen Geschwindigkeit bewegt. Der Vogel bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung. Er befindet sich also im gleichen Inertialsystem wie der Autofahrer. Wir wollen nun die Auswirkungen solcher Inertialsysteme für die Betrachtung der Welt erkunden. Läuft jemand in einem fahrenden Zug z. B. vom letzten Waggon nach vorne in den Ersten, so würde ein im Zug sitzender Fahrgast sagen, er läuft mit sagen wir 5m/sec. Doch wie sieht diese Bewegung für einen Beobachter aus, der draußen auf dem Bahnsteig steht und den Zug gerade vorbeifahren sieht? Dieser Beobachter befindet sich nun in einem anderen Inertialsystem. Der Zug fährt mit 100m/sec an ihm vorbei. In dem Zug läuft nun der Fahrgast mit einer zusätzlichen Geschwindigkeit von 5m/sec. Der Beobachter am Bahnsteig sieht also, dass er sich mit insgesamt 105m/sec. bewegt. Natürlich würden die beiden Beobachter auch unterschiedliche Abstände zwischen sich und dem laufenden Fahrgast angeben, denn sie stellen ja jeweils andere Bezugssysteme mit anderen Bezugspunkten dar. Hier sieht man erneut, dass sich sowohl der Ort, als auch die Geschwindigkeit ändert, wenn man eine Bewegung aus einem anderen Inertialsystem beobachtet. Dies gilt allerdings nicht für allgemeine physikalische Größen. Die Beschleunigung beispielsweise ist auch in bewegten Inertialsystemen ein invarianter Wert. Wird also ein beschleunigter Körper von 2 unterschiedlichen Bezugssystemen aus beobachtet, so messen beide die gleiche Beschleunigung. Für uns direkt bedeutet das, dass alle mechanischen Prozesse gleich ablaufen. Egal, aus welchem Bezugssystem man sie beobachtet. Das mag im 1. Moment unbedeutend erscheinen. Aber es wäre doch lustig, wenn ihr aus einem Autofenster seht, und der Regen für euch auf einmal nach oben fällt. Nur, weil ihr in einem anderen Bezugssystem seid. Diese Regel, dass alle Prozesse in jedem Inertialsystem gleich ablaufen, heißt Relativitätsprinzip. Demnach erscheinen zwar manche Größen, wie die Geschwindigkeit oder Position von Körpern, von der Wahl des Bezugssystems abzuhängen, aber auf die physikalischen Gesetze hat dies keinen Einfluss - und das ist gut zu wissen. Als letzten Punkt wollen wir uns nun noch mit den sogenannten Scheinkräften auseinandersetzen. Stellt euch hierzu einmal vor, ihr fahrt mit einem Bus und ganz plötzlich sieht der Busfahrer eine rote Ampel vor sich. Natürlich tritt er sofort kräftig auf die Bremse. Hierdurch blockieren die Räder und der Bus hält an. Es wirkt also eine Kraft auf den Bus, und zwar in die andere Richtung, als er fährt. Doch was spürt ihr als Fahrgast in dem Bus? Ihr werdet auf einmal nach vorne geschleudert. Obwohl doch von außen betrachtet eigentlich eine Kraft nach hinten wirkt, scheint ihr eine Kraft zur Vorderseite des Busses zu spüren. Dies steht im 1. Moment im Widerspruch zum Relativitätsprinzip, denn demnach sollen ja alle physikalischen Prozesse und Vorgänge in jedem Bezugssystem gleich ablaufen. Und das bedeutet vor allem, dass alle stets dieselbe Kraft spüren. Doch wie ihr euch denken könnt, handelt es sich hierbei um eine Scheinkraft. Diese Scheinkräfte treten in der Regel auf, wenn irgendjemand oder irgendetwas sein Bezugssystem wechselt. So bewegen sich die Fahrgäste in ihrem Inertialsystem weiter, wenn der Bus dieses verlässt, und bremst. Beobachten wir eine Bewegung oder einen anderen physikalischen Prozess, so ist die Wahl des Bezugssystems sehr wichtig. Größen wie Position und Geschwindigkeit können in jedem Inertialsystem, also bewegten Bezugssystem, unterschiedlich sein. Das gewählte Bezugssystem hat zwar keinen direkten Einfluss auf die Physik und ihre Gesetze, doch manchmal scheint es so, als ob die Kräfte und Phänomene vom Standpunkt des Beobachters abhängen. Das Relativitätsprinzip gilt allerdings weiterhin und Scheinkräfte entstehen nur durch unsere Wahrnehmung. Ich will mich hiermit verabschieden und wünsche euch noch viel Spaß in eurem eigenen Bezugssystem. Euer Philip Physik