Alles strömt!? Systemisches Denken erübt an Strömen unterschiedlicher physikalischer Größen

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1 Dieter Plappert 1 Alles strömt!? ergänzt im März 2002 Physikalisch-didaktisches Kolloquium 10. Mai 2001 Alles strömt!? Systemisches Denken erübt an Strömen unterschiedlicher physikalischer Größen 0. Einleitung Als Kind sah ich im Schaufenster einer Apotheke den abgebildeten Wasserhahn: er schwebte in der Luft, es strömte ohne Zufluss dauernd Wasser aus ihm heraus, das abflusslose Glas lief nie über, obwohl das Wasser dauernd hinein floss. Das kann doch nicht sein! Am meisten bewegten mich die folgenden zwei Fragen : Wie kommt das Wasser in den Hahn? Warum läuft das Glas nicht über? Diese Art der Fragestellung zeigt, dass ich von der Erhaltungseigenschaft von Wasser überzeugt war. Aber wieso war ich überhaupt davon überzeugt, dass Wasser strömt? Das Wasser können wir doch genaugenommen gar nicht strömen sehen. Das ist auch in den folgenden drei Beispielen so: Wir sehen nichts strömen: Eine Lampe leuchtet Eine Kerze brennt Ein Apfel hängt am Baum In dem heutigen Vortrag soll zunächst präzisiert werden, was wir unter Strömen verstehen wollen. Danach soll exemplarisch gezeigt werden, wie an Stromkreisen systemisches Denken erübt werden kann. Dann werden wir die oben dargestellten Beispiele genauer untersuchen, um eine gemeinsame Grundlage zu haben, um die dynamische Beschreibung von Naturvorgängen mit einer statischen vergleichen zu können.

2 Dieter Plappert 2 Alles strömt!? 1. Was heißt strömen? Im Alltag sprechen wir zwar von den verschiedensten Strömen, wie etwa von Luft-, Wasser-, Licht-, Geld-, Auto-, Menschen-, Informations-,...strömen, ohne dass uns meist bewußt ist, worauf es beim Strömen eigentlich ankommt. Wie verschwommen der umgangssprachliche Strombegriff ist, können sollen die folgenden beiden Abbildungen zeigen. Kann Strom verschwendet werden? Kann der Strom irgendwo drin sein, z.b. in der Steckdose? Kann Strom verschwendet werden? Ist hier irgendwo Strom drauf? Wird hier das Wort Strom nicht so verwendet, als ob der Strom selbst strömt? Dieser Satz ist so schwer verständlich, dass wir zunächst einfacher beginnen wollen: Betrachten wir die abgebildeten Schüler: : Ein Strom liegt also vor, wenn sich viele Dinge bewegen und denselben Weg nehmen.

3 Dieter Plappert 3 Alles strömt!? Diese Beschreibung von Strom eignet sich jedoch nur dann, wenn das Strömende als quantisiert angesehen werden kann, wie etwa bei Menschen- oder Autoströmen. Bei Stoffströmen, wie z.b. Wasserströmen, die wir uns im täglichen Leben nicht in Wassertropfen, bzw. Wassermoleküle quantisiert denken, sondern die uns eher als Kontinuum erscheinen, ist diese Definition nicht zweckmäßig. Betrachten wir den folgenden Versuchsaufbau: Zwei Gefäße mit angefärbtem Wasser, in denen das Wasser unterschiedlich hoch steht, sind durch einen Schlauch miteinander verbunden. Öffnen wir den Hahn, so sehen wir das Wasser nicht strömen, wir sehen aber, dass der Wasserspiegel in dem einen Gefäß steigt, während er in dem anderen sinkt. Daraus schließen wir: es strömt durch den Verbindungsschlauch Wasser von dem einen Gefäß in das andere. Da wir also intuitiv von einer Erhaltungseigenschaft des Wassers ausgehen, können wir sagen: die Wassermenge W, um die pro Zeiteinheit die Wassermenge W in dem schmalen Gefäß zugenommen hat, ist durch den Schlauch in das Gefäß hineingeströmt; als Stromstärke I W können wir definieren: W = I t W. Eine Gleichung dieser Art nennt man Kontinuitätsgleichung. Da der Wasserschlauch von Anfang an mit Wasser gefüllt ist und Wasser inkompressibel ist, können wir sagen: die Stärke des Wasserstroms I W ist an jeder Stelle gleich. Der Name Stromstärke für I W ist etwas unglücklich gewählt, da er im alltäglichen Sprachgebrauch Assoziation wie Kraft bzw. Geschwindigkeit weckt; die Kontinuitätseigenschaft des Wassers gerät dabei leicht in den Hintergrund. Deshalb ist es sinnvoll diese Begriffe im Unterricht z.b. durch das abgebildete Beispiel gegeneinander abzugrenzen: Die Wasserstromstärke I W ist an den Stellen A bis D gleich, die Geschwindigkeit und damit die Kraft des Wassers ist sicher an der Stelle C am größten. Durch den Zufluss wird die Wasserstromstärke jedoch flussabwärts größer. Die Stromstärke I X ist ein Maß dafür, wieviel X in einer Zeiteinheit t durch eine bestimmte Fläche hindurch strömt. Allgemein gilt: X = I X. t

4 Dieter Plappert 4 Alles strömt!? Wasserrad mit Gabellichtschranke Die Gabellichtschranke ist an einem Zähler angeschlossen Ein Wasserstromstärkemesser Um die Stärke eines Wasserstroms, der durch eine Leitung hindurch fließt, zu messen, ist die Gleichung W/ t = I W sehr unpraktisch. Bauen wir ein Wasserrad in die Leitung ein, so erhalten wir ein Stromstärkemessgerät, bei dem die Drehzahl proportional zu der Wasserstromstärke ist. Haben wir das Rad mit Hilfe der obigen Gleichung geeicht, so können wir die momentane Wasserstromstärke recht einfach ablesen. Solche Geräte werden in der Industrie verwendet. Fassen wir unseren momentanen Erkenntnisstand zusammen: Nimmt in einem System A die Menge eines Stoffes X, für den wir eine Erhaltung annehmen, in einer Zeiteinheit t um den Wert X zu, so sagen wir, in das System ist ein Strom der Stärke I X hinein geströmt und es gilt die Kontinuitätsgleichung X = t I X. 2. Wasserstromkreise Mit Wasserströmen können wir modellhaft viele Eigenschaften von Strömen untersuchen. Dabei ist es wichtig, reale Experimente durchzuführen. Meine Erfahrungen haben gezeigt, dass es selbst dann noch schwierig ist, bei den Schülerinnen und Schülern stabile Stromkonzepte zu bilden. Werden die entsprechenden Analogien nur erzählend entwickelt, so kann meiner Meinung nach gleich ganz auf diese Analogie verzichtet werden. 2.1 Die Druckdifferenz als Antrieb Intuitiv ist für alle Schülerinnen und Schülern klar, dass das Wasser solange es eine Druckdifferenz p gibt, strömt. Das Problem ist nur, hängt der Wasserdruck von der Wasserhöhe oder vom Wasservolumen ab. Selbst Oberstufenschüler sind hier unsicher. Der Versuch zeigt, dass die Höhendifferenz h ein Maß für die den Wasserstrom antreibende Druckdifferenz p ist. Kommunizierende Röhren zeigen, dass der Druck in einer Wassersäule, nicht von der Wassermenge also nicht von der Form des Gefäßes, sondern nur von der Was-

5 Dieter Plappert 5 Alles strömt!? serhöhe, bzw. tiefe abhängt. Dies kann auch mit einem digitalen Druckmesser demonstriert werden. Die Maßeinheit des Drucks, die noch im täglichen Leben gebräuchlich ist 1 bar. (1 bar = Pa und 1 mbar = 1 hpa.) 10 m Wassersäule bewirken etwa 1 bar, 10 cm etwa 1 kpa. Manometer und Barometer sind Druckmesser Der geschlossene Wasserstromkreis In den zuvor beschriebenen Versuchsaufbau zum Wasserstrom wird nun eine zweite Leitung mit Pumpe als Rückleitung eingebaut. Es entsteht ein Stromkreis. Die Flüssigkeitsspiegel in den beiden Gefäßen ändern sich so lange, bis sich ein stabiles Strömungsgleichgewicht einstellt. Dann ist die Wasserstromstärke in Hinund Rückleitung gleich groß Der Modellstromkreis Die Schülerinnen und Schüler haben keine Alltagserfahrungen mit geschlossenen Stromkreisen, in denen etwas Inkompressibles strömt. Solche Erfahrungen können mit dem Wasser-Modell-Kreis gemacht werden: Der unverzweigte Stromkreis Die Manometer und die Hähne 1 und 2 sind geschlossen. Bevor die Pumpe in Betrieb gesetzt wird, wird mit den Schülern darüber diskutiert, in welcher Reihenfolge die Stromstärkemesser sich zu drehen beginnen. Es zeigt sich, dass trotz der Vorversuche viele Schülerinnen und Schüler keine Kontinuitätsvorstellung gebildet haben. Der Stromkreis reagiert als Ganzheit Im unverzweigten Stromkreis bleiben die Manometer weiterhin geschlossen. Mit der Hand bzw. mit einer kleinen Schraubzwinge wird der Schlauch an irgendeiner Stelle zusammendrücken. Überall im Stromkreis nimmt die Stärke des Wasserstroms ab. Das Wasser staut sich nicht nur an einer Stelle. Der Stromkreis reagiert auf lokale Störungen als Ganzheit. Auch beginnt nach Einschalten der Pumpe das Wasser im ganzen Stromkreis gleichzeitig zu strömen. Der verzweigte Stromkreis Die Manometer sind weiterhin geschlossen, die Hähne 1 bis 4 zunächst in offener Stellung. Die Knotenregel kann formuliert werden. Durch die Stellung der Hähne kann die Aufteilung des Wasserstroms in den beiden Zweigen variiert werden. Quantitative Versuche Die zuvor beschriebenen Versuche sind in erster Linie als qualitative Versuche gedacht. Quantitative Messungen können in gewissen Grenzen mit einem zuvor beschriebenen Wasserstromstärkemesser durchgeführt werden.

6 Dieter Plappert 6 Alles strömt!? Es würde den Rahmen dieses Vortrags sprengen, auf weitere modellhafte Eigenschaften von Wasserströmungen einzugehen. Es können sehr weitreichende Analogien gefunden werden, wenn der Vergleich der Ströme auf einer soliden physikalischen Grundlage aufgebaut wird. Dies wurde in [1] genauer beschrieben. Wichtig für das Folgende ist: Stromkreise reagieren als Ganzheit und die Differenz des Drucks treibt den Wasserstrom an. 3. Die Untersuchung einer brennenden Kerze Betrachten wir das Beispiel der brennenden Kerze, so bemerken wir, dass der bisher gebildete Strömungsbegriff noch zu eingeschränkt ist: Verfolgen wir zunächst einzelne Ströme: Festes Wachs wird flüssig, steigt durch Kapillarität im Docht empor, verdampft oben, verläßt den Docht und reagiert chemisch mit dem aus der Luft hinzu strömenden Sauerstoff. Bei der chemischen Reaktion verschwinden Sauerstoff und Wachs, dafür entstehen Wasserdampf und Kohlensäuregas (CO 2 ). Wir sehen, es ist auch sinnvoll von Strömen zu sprechen, für die es keine allgemeine Erhaltungseigenschaft gibt. Die Kontinuitätsgleichung wird dann einfach um eine Quellstärke Q X erweitert, die angibt, wie groß die Menge X ist, die in der Zeiteinheit t erzeugt wird. Die Kontinuitätsgleichung erhält dann die folgende Form: X = I X + Q t X. Für den Fall, dass das Wachs in der Flamme vollständig verbrennt, nimmt die Wachsmenge in der Flamme nicht zu, d.h. X = 0, obwohl dauernd ein Wachsstrom in die Flamme hinein strömt. Dann gilt aber I X = -Q X. Das negative Vorzeichen der Produktionsrate zeigt an, dass hier das Wachs verschwindet. Für das Kohlensäuregas und den Wasserdampf hat die Produktionsrate ein positives Vorzeichen, da sie in der Flamme erzeugt werden. Durch das Betrachten der Stoffströme der Kerzen treten leicht Fragen folgender Art auf: wo kommt eigentlich der Sauerstoff her, der hier in der Kerzenflamme verschwindet? Was passiert mit dem CO 2, das hier gebildet wird. Wo kommt das Wachs eigentlich her? Durch solche oder ähnliche Fragen, die dieser Betrachtungsart naheliegen, wird das einzelne Beispiel in einen globalen Zusammenhang gestellt.

7 Dieter Plappert 7 Alles strömt!? Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt des Netzwerks, das die an der Verbrennung von Wachs in einer Kerzenflamme beteiligten Stoffströme darstellen. Dabei taucht unweigerlich eine andere Art Strömung auf, die mit Licht und Wärme verbunden ist. Diese soll im nächsten Abschnitt untersucht werden. 4. Die Betrachtung eines Dampfkraftwerkes Die Abbildung zeigt das Modell eines Dampfkraftwerkes: Ein Hammerwerk, das für eine Fabrik steht, soll angetrieben werden. In unserem Versuchsaufbau wird es von einem Motor, der Motor von einem Dynamo, der Dynamo von einer Dampfmaschine und die Dampfmaschine von einem Gasbrenner angetrieben. Das Hammerwerk braucht etwas, was es antreibt. Dieses etwas bekommt das Hammerwerk vom Motor, dieser vom Dynamo, dieser von der Dampfmaschine und diese vom Gasbrenner. Wird das Hammerwerk im Versuch abgebremst, so wird auch die Bewegung der Dampfmaschine verlangsamt. Um die ursprüngliche Drehgeschwindigkeit wieder zu erhalten, muss der Gasbrenner stärker aufgedreht werden; das abgebremste Hammerwerk braucht mehr von dem etwas, der Gasbrenner muss stärker aufgedreht werden, damit er mehr von dem etwas liefern kann. Dieses etwas, was hier übertragen wird, was hier strömt, ist kein Stoff im materiellen Sinne. Das, was hier strömt nannte man früher Kraft, was heute noch an Kraftwerk und Kraftfahrzeug zu erkennen ist; heute wird dieses etwas Energie genannt. Energie ist also auch etwas, was strömen kann. Alle Erfahrungen der Physiker haben gezeigt, dass Energie nicht aus dem Nichts erschaffen werden oder sich nicht in Nichts auflösen kann, sondern dass die Energie immer irgendwo herkommt und immer irgendwo hingeht. Der auf diese Weise eingeführte Energiebegriff behandelt die physikalische Größe Energie also wie einen Stoff, der strömen kann, für den es eine Koninuitätsgleichung mit der Quellstärke Q E = 0 gibt. Dies ist also eine weitere Verallgemeinerung unseres Strömungsbegriffs. Im Laufe der geschichtlichen Entwicklung hat sich die physikalische Beschreibung der Natur immer mehr von stofflichen Vorstellungen weg und hin zu mathematischen Beschreibungen entwickelt. Statt Stoffmengen wurden einzelne physikalische Größen entwickelt, deren Zusammenhang mathematisch beschrieben werden kann. Solche Grö-

8 Dieter Plappert 8 Alles strömt!? ßen sind z.b. die Energie E, die elektr. Ladung Q, das elektrische Potential ϕ, der Impuls p, die Geschwindigkeit v, die Stoffmenge n, das chemische Potential µ, die Temperatur T,... Mit manchen dieser Größen können wir umgehen wie mit einem Stoff. Das physikalische Kennzeichen dafür ist, ob es für diese Größen sinnvoll ist, eine Raumdichte ρ zu bilden, z.b. für die Energie ρ E = E/V, für die elektrische Ladung ρ Q = Q/V,... Für die Temperatur ist es sinnlos eine solche Dichte zu bilden, da der Quotient T/V je nach Wert von V einen neuen Wert annimmt. Für Größen, für die es solche Dichten gibt, können Kontinuitätsgleichungen gebildet werden. Dann ist es sinnvoll, von einem Strom zu sprechen. Diese Größen werden in der Physik extensive bzw. mengenartige Größen genannt. Mit diesen Größen kann umgegangen werden wie mit einem Stoff bzw. einem Fluidum. Kommen wir wieder auf die physikalische Größe Energie E zurück, so hat der Quotient E/ t = I E die Bedeutung einer Energiestromstärke. Ihre Maßeinheit ist demnach 1 J/s, das durch 1 W abgekürzt wird. Durch diese Betrachtung wird deutlich, dass die unanschauliche physikalische Größe Leistung P die anschauliche Bedeutung einer Energiestromstärke bekommt. Betrachten wir den oben beschriebenen Versuch noch einmal, so stellen wir einerseits fest, dass die Energie von der Dampfmaschine bis zum Hammerwerk hindurch strömt, dass sie aber unterwegs von unterschiedlichen Energieträgern transportiert wird (hier:... Propangas-Sauerstoff, Dampf, Treibriemen, Elektrizität; Treibriemen,... ). In Gasbrenner, Dampfmaschine, Dynamo, Motor und Hammerwerk wechselt die Energie ihren Träger. Diese Stationen bekommen die Bedeutung von Energie- Umlade-Stationen; wir wollen sie im weiteren kurz Energieumlader nennen. Durch diese und ähnliche Überlegungen, können wir die Begriffe Energie und Energieträger bilden. Die Energieträger strömen zusammen mit der Energie, sie sind die extensiven Größen, die aufgrund der Gibbschen Fundamentalform, jede Energieänderung eines Systems begleiten: de = TdS + ϕdq +vdp + µdn + Auf die Bedeutung und Erklärung dieser Gleichung soll hier nicht eingegangen werden. Statt dessen sei auf die Lehrbücher der Thermodynamik verwiesen. Wenden wir die Begriffe Energie und Energieträger auf unser Beispiel mit der Kerze an, so können wir in einer ersten, sehr groben Näherung sagen: Die Energie strömt mit dem Licht von der Sonne zur Pflanze, dort wird sie umgeladen auf die Energieträger Sauerstoff und Kohlenhydrate, aus denen letztendlich die Bienen das Wachs bilden. In der Kerze wird dann Energie von neuem umgeladen. Es entstehen bei dieser Betrachtung wieder neue Fragen: Woher kommt die Energie der Sonne? Geht nicht ein Teil der Energie unterwegs verloren?

9 Dieter Plappert 9 Alles strömt!? Das sind alles sehr wesentliche Fragen. Auf die letzte soll der folgende Versuch eine Antwort geben. 5. Der Wirkungsgrad von Energieumladern Betrachten wir die Energieübertragung bei unserer Modelldampfmaschine, so wird deutlich, dass nur ein Bruchteil der beim Verbrennen des Gases freigesetzten Energie am Hammerwerk ankommt; beim Umladen geht immer ein Teil der eingesetzten Energie verloren, d.h. wird auf einen oder mehrere unerwünschte Energieträger umgeladen. Der Wirkungsgrad eines Energieumladers ist ein Maß dafür, wie gut das Energieumladen gelingt. Er gibt den Bruchteil der eingesetzten Energie an, der auf den gewünschten Energieträger umgeladen wird. Historisch war es ein brennendes Problem, wie der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen verbessert werden kann. James Watt hatte hierfür eine durchschlagende Idee: er erfand den Kondensator. Die Modelldampfmaschine mit Kondensator Die Wirkungsweise eines solchen Kondensators können wir mit unserer Modelldampfmaschine und dem hier gezeigten Modellkondensator erlebbar machen. Bei diesem Versuch treibt die Dampfmaschine einen Generator und eine Lampe an. Der Abdampf der Dampfmaschine wird so lange in den Glaskühler geleitet, bis dieser so warm geworden ist, dass der Dampf erst am Ausgang kondensiert. Nun wird die Gaszufuhr des Brenners so weit herunter geregelt, dass die Dampfmaschine gerade noch läuft. Nun wird der Dampfstromkreis geschlossen, indem der Kühlerausgang mit der Speisewasserpumpe der Dampfmaschine durch einen Schlauch verbunden wird. Wird nun kaltes Wasser durch die Kühlerschlange geleitet, wird beobachtbar: die Dampfmaschine läuft schneller, die von der Dampfmaschine betriebene Lampe leuchtet heller und der Druck im Glaskühler sinkt erheblich. Unterbrechen wir den Kühlwasserstrom, so verlangsamt sich der Lauf der Dampfmaschine, das Leuchten wird dunkler und der Druck im Glaskondensator steigt. Öffnen wir den Kühlwasserhahn von neuem, so wiederholt sich das zuvor beschriebene von Neuem. Obwohl wir der Dampfmaschine nicht mehr Energie zuführen, wird bei eingeschalteter Kühlung die Energieausbeute besser. Die Modelldampfmaschine ist nun zu einem Bild aller heutiger thermischer Kraftwerke geworden, wie etwa eineskohlekraftwerks und eines Kernkraftwerks. Historisch glaubte man zunächst, der Wirkungsgrad könnte verbessert werden, wenn statt Wasser Substanzen verwendet werden, die bei denselben Temperaturverhält-

10 Dieter Plappert 10 Alles strömt!? nissen größere Druckdifferenzen erzeugen. Es zeigte sich keine Verbesserung. Carnot konnte dann durch den Vergleich von der Strömung eines Wärmestoffs, den wir heute Entropie nennen, mit einem Wasserstrom zeigen, dass nicht die Druckdifferenz sondern die Temperaturdifferenz die entscheidende Größe ist. Dies zu Vertiefen könnte das Thema eines weiteren Vortrages sein. Dabei könnte dann auch geklärt werden, warum alle Wärmekraftwerke so gigantische Kühlausgänge benötigen, durch die etwa 2/3 der eingesetzten Energie als Abwärme verloren gehen. Nur das folgende sei angedeutet: wie eine Wasserturbine Energie vom Wasserstrom ablädt, der durch sie hindurch fließt, so lädt dieses Thermoelement Energie von dem Entropiestrom ab, der durch Kohle und Sauerstoff liefern die Energie, Elektrizität und Abwärme tragen sie weg das Thermoelement hindurch fließt. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr Energie kann von der Entropie abgeladen werden. 6. Impuls- und Drehimpulsstrom Aus Zeitgründen kann das folgende nur angedeutet werden; es soll aber zeigen, wie weitreichend das Strömungsbild sein kann. Betrachten wir zunächst noch einmal unsere Lampe, die an der Batterie angeschlossen ist. Lampe und Batterie sind durch zwei Kabel miteinander verbunden. Die Energie strömt von der Batterie zur Lampe mit dem Träger Elektrizität bzw. elektr. Ladung. In der Lampe wird die Energie von der Elektrizität ab- und z.t. auf den gewünschten Energieträger Licht umgeladen. Was passiert mit der Elektrizität in der Lampe? Die Elektrizität strömt zur Batterie zurück; dort wird sie von neuem mit Energie beladen. In die Lampe fließt also genauso viel Elektrizität hinein wie heraus. Der elektrische Strom fließt durch die Lampe hindurch; es ist als falsch zu sagen: in der Lampe wird Strom verbraucht.

11 Dieter Plappert 11 Alles strömt!? Betrachten wir das Energieschema der Anordnung, so können wir sagen, die Elektrizität ist eine Art Pfandflaschen-Energieträger ; deshalb werden auch zwei Leitungen benötigt. Licht ist dazu im Gegensatz ein typischer Einwegflaschen-Energieträger ; es wird in der Sonne erzeugt und in der Pflanze bei der Photosynthese vernichtet. Betrachten wir nun das folgende Beispiel: Ein Motor treibt über eine Kette einen Dynamo an. Die am Dynamo angeschlossene Lampe leuchtet; es fließt also Energie vom Akku zum Motor, vom Motor zum Dynamo und weiter zur Lampe. Der Energieträger zwischen Akku und Motor und zwischen Dynamo und Lampe ist die elektrische Ladung. Es werden zwei Kabel benötigt, die elektrische Ladung im Kreis fließt. Es erhebt sich nun die folgende Frage: mit welchem Energieträger fließt die Energie vom Motor zum Dynamo? In einem propädeutischen Unterricht wird man vielleicht sagen, die Kette spiele die Rolle des Energieträgers. Eine genauere Betrachtung ergibt das folgende: Auf die untere, durchhängende Kette könnten wir im Prinzip verzichten, wenn wir auf der Seite des Dynamos einen langen Faden aufgewickelt hätten. Der gespannte Fäden wäre dann für den E- nergietransport zuständig. Liegt hier ein Einweg-Energieträger vor oder gibt es wie beim Fahrrad für den elektrischen Strom hier noch eine zweiten versteckte Leitung? Isolieren wir Motor und Dynamo von der Erde, indem wir sie auf reibungsfreie Wagen bauen, so stellen wir fest, dass wir zur Energieübertragung eine zweite gedrückte Leitung brauchen. Die untere gedrückte Verbindung ist die 2. Impulsleitung Es liegt hier also auch ein Energieträgerstromkreis vor. Sind beide Umlader auf der Erde befestigt, so spielt die Erde die Rückleitung. Der Energieträger hier ist die mengenartige Größe Impuls p. Die Gleichung p IP F t = = kann dann als Kontinuitätsgleichung aufgefasst werden. Hierbei wird dann deutlich, dass Kraft und die Stärke eines Impulsstromes Synonyme sind.

12 Dieter Plappert 12 Alles strömt!? Der Drehimpuls ist ein Pfandflaschen-Energieträger! Und nun zum letzten Beispiel: eine Spieluhr soll ein Lied erklingen lassen; dazu benötigt sie Energie. Drehe ich an der Kurbel, so strömt die Energie von meinen Muskeln zur Uhr. Betreiben wir die Spieluhr mit einem Elektromotor, so können wir die Energieübertragung genauer studieren. Verbinden wir Motor und Spieluhr mit einer Welle. Wie heißt der Energieträger, der die Energie zur Spieluhr transportiert? Ist es ein Einweg-Energieträger? Der Versuch macht deutlich, dass auch hier zwei Verbindungen benötigt werden, dass also ein Stromkreis vorliegt. Genauere Betrachtungen würden zeigen, dass hier die physikalische Größe Drehimpuls die Rolle des Energieträgers übernimmt. 7. Schlussbetrachtungen Alles strömt!? Physikalische Beschreibungen sind nicht zwingend vorgegeben. Sie spiegeln häufig auch den Zeitgeist wieder, in dem sie entstanden sind. Blicken wir durch die newtonsche Brille so wie etwa 1670, so erkennen wir: Der Apfel fällt nicht, weil ein Gleichgewicht von der Gravitationskraft der Erde, die auf den Apfel wirkt und meiner Haltekraft herrscht. Lasse ich los, so wird das Gleichgewicht aufgehoben, der Apfel wird von der Gewichtskraft beschleunigt. Blicken wir nun durch eine Brille, die die Impulserhaltung und den farradayschen Feldbegriff ernst nimmt, so erkennen wir: es fließt Impuls von der Erde durch das Gravitationsfeld in den Apfel hinein. Da ich ihn festhalte fließt er aus dem Stiel in meine Hand und durch mich hindurch in die Erde zurück. Der Impulsstromkreis ist geschlossen. Lasse ich den Apfel los, so fließt weiterhin Impuls in dem Apfel, da aber die Rückleitung unterbrochen ist, häuft er sich im Apfel an, der Impuls des Apfels wird größer, er wird schneller.

13 Dieter Plappert 13 Alles strömt!? Blicken wir auf unsere Kerze zurück: durch unsere Betrachtungen wurde sie Teil des Ganzen, es wurden globale Verbindungen sichtbar. Solche globalen Netzwerke beginnt man erst langsam zu verstehen. Die Abbildung zeigt Stoffströme, die an dem Aufbau unserer Atmosphäre beteiligt sind. Wir hätten auch fragen können, wie wir als Menschen, z.b. durch unsere Ernährung, in die verschiedenen globalen Netzwerke eingebunden sind. Durch diese und ähnliche Betrachtungen wird unser Denken, Fühlen und Handeln vielleicht ganzheitlicher. Vielleicht kann eine solche Art der physikalischen Beschreibung helfen, dass in Zukunft die vielen Probleme, die durch punktuelles Denken entstanden sind, vermieden werden. Exemplarisch sind hier zwei solcher Beispiele genannt, die in der letzten Zeit durch die Medien gingen: Obwohl der Brennstoffkreislauf nicht wirklich geschlossen war, wurde begonnen Atommüll zu erzeugen Obwohl unser Kopf zwar weiß, welche Auswirkung die Produktion von Treibhausgase hat, eine Veränderung unseres Handels nur sehr schwer zu erreichen

14 Dieter Plappert 14 Alles strömt!? Und hier: wird in der abgebildeten Werbeanzeige nicht ein Denken propagiert, das an den in der Luft schwebenden Wasserhahn erinnert, bei dem dauernd Wasser herauskommt, ohne dass es zufließen muss? Ist das System wirklich so umweltfreundlich? Die Probleme sind doch nur verlagert! Und noch ein Allerletztes: Betrachten wir noch einmal die Flamme der Kerze: Alles strömt!? Die Gase strömen durch die Flamme hindurch, verschwinden und werden neu gebildet, alles in Bewegung und Veränderung? Nein, die Flamme und ihre Form bleibt erhalten. Es gibt also Festes im Flüchtigen. Und so will ich mit Worten von Heraklit aus Ephesos enden: panta rhei Wir steigen in denselben Fluss und doch nicht in denselben; wir sind es, und wir sind es nicht. Quellenangaben und Bezugsquellen unter