100 physikalische Kopfnüsse E-Book

Heinrich Hemme

• Herausgeber: Anaconda Verlag
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 145

Veröffentlichungsjahr: 2022

Beschreibung

Wenn Fliegen fahrende Lastwagen zum Stillstand bringen, Sanduhren sich störrisch zeigen und die Zeit gewogen wird, dann sind wir mittendrin in der wunderbaren Welt der Physik. 100 knifflige Kuriositäten hat Heinrich Hemme für dieses Buch zusammengestellt. Und um all diesen Rätseln auf den Grund zu gehen, braucht man weder Taschenrechner noch Formelsammlung, man muss nur sorgfältig über die Physik und die Welt nachdenken.

Leseprobe

Heinrich Hemme

100 physikalische Kopfnüsse

Mit Illustrationen

von Matthias Schwoerer

Anaconda

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Die Originalausgabe erschien 2008 im Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek bei Hamburg, unter dem Titel Düsentrieb contra Einstein. 100 physikalische Kopfnüsse.

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Copyright © 2019 Anaconda Verlag,in der Penguin Random House Verlagsgruppe GmbH,Neumarkter Str. 28, 81673 München.

Alle Rechte vorbehalten.

Umschlagmotive: Matthias Schwoerer

Umschlaggestaltung: Harald Braun, Berlin

Satz und Layout: Achim Münster, Overath

ISBN 978-3-641-30101-9V001

www.anacondaverlag.de

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1 Spieglein, Spieglein an der Wand ...

2 Aachen im Spieglein

3 Die Größe des Spiegleins

4 Das seltsame Verhalten von Zylinderlinsen

5 Wasserlinsen

6 Der gordische Schwalbenschwanz

7 Die Dreitafelprojektion

8 Die Präsidentschaftswahl

9 Der Jungbrunnen

10 Der kippende Klotz

11 Kaffee und Milch

12 Das Wettrennen

13 Stampfende Füße

14 Lanzelot und Ginevra

15 Die verlorene Weinflasche

16 Der Flug des Phönix

17 Peter Schlemihls Schatten

18 Die Kerze im Ballon

19 Die Fahrt der Springburn

20 Schneller als der freie Fall

21 Die Lastenrollen

22 Die geknickte Kohlenrutsche

23 Das Autorennen auf dem Pult

24 Der Karren des Sisyphus

25 Der Affe am Seil

26 Charons Nachen

27 Die Superfliege

28 Die Garnrolle

29 Das Holzscheit am Faden

30 Die Schnur am Fahrrad

31 Das Gewicht der Züge

32 Die Federwaage an der Decke

33 Schneller als der Wind

34 Der Taubenwagen

35 Energie- und Impulserhaltung

36 Kugelstöße

37 Die verschwundene Energie

38 Tödliche Beschleunigungen

39 Fräulein Justitias Waage

40 Ballons beim Bremsen

41 Der Riementrieb

42 Spuren im Moor

43 Der fallende Korken

44 Reißende Leinen

45 Die Jo-Jo-Waage

46 Transportkosten für Leergut

47 Der paradoxe Rauch

48 Der Eiertest

49 Der Eierwettlauf

50 Das Gewicht der Zeit

51 Die störrische Sanduhr

52 Der Zauberlehrling

53 Der zersägte Besen

54 Der aufgerollte Gartenschlauch

55 Drei Minen

56 Wind und Regen

57 Kurvenfahrt in Entenhausen

58 Die Königlich-Lummerländische Eisenbahn

59 Der Hebel des Archimedes

60 Archimedes in der Badewanne

61 Der Schwerpunkt der Wäscheleine

62 Die Dominotreppe

63 Bierphysik

64 Zwei Luftballons

65 Der Wasserdruck

66 Federn und Blei

67 Der tauchende Luftballon

68 Das Loch im Boot

69 Die Münze im See

70 Die Schiffsbrücke bei Magdeburg

71 Das sinkende Schiff

72 Der eingetauchte Finger

73 Das Gewicht der Eimer

74 Wodka-Martini, geschüttelt, nicht gerührt

75 Die Rheinfahrt

76 Celsius und Fahrenheit

77 Ameisenstark

78 Flohsprünge

79 Die Physik der Gefräßigkeit

80 Erwärmen von Kugeln

81 Kühlschrankkühlung

82 Das Loch in der Münze

83 Wärmeenergie im Wohnzimmer

84 Milchkaffee

85 Wasser kochen mit kochendem Wasser

86 Die Paradoxie des Eierkochens

87 Die beiden Stricknadeln

88 Fahrradlampen

89 Der Widerstandswürfel

90 Die Widerstandsleiter

91 Das Widerstandsgitter

92 Das Kondensatorparadoxon

93 Elektronenstrahlen

94 Ein ungewöhnlicher Ort

95 Sonne, Mond und keine Sterne

96 Hochsprung auf dem Mond

97 Sonne, Mond und Erde

98 Das Quecksilberuniversum

99 Halbwertszeiten

100 Schneller als erlaubt

Lösungen

Weiterführende Literatur

Vorwort

Die Probleme in diesem Buch aber sind völlig anders. Da gibt es Fliegen, die fahrende Lastwagen zum Stillstand bringen, Licht, das mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit über den Mond streift, störrische Sanduhren, Dominotreppen, superstarke Ameisen und noch viele andere Kuriositäten. Bei manchen Problemen scheint sich die Physik sogar völlig anders zu verhalten, als man es mit dem gesunden Menschenverstand und der Schulweisheit erwartet.

Es tauchen in diesem Buch nur wenige Zahlen und Formelzeichen auf, und Taschenrechner und Formelsammlungen sind in der Regel wertlos. Auch lassen sich die Aufgaben nicht mit den in der Schule auswendig gelernten Kochrezepten lösen. Es gibt nur eine einzige Methode, um diese physikalischen Kopfnüsse zu knacken: Man muss sehr sorgfältig über die Physik nachdenken.

Heinrich Hemme

1 Spieglein, Spieglein an der Wand ...

Die böse Königin tritt vor ihren Spiegel und sagt: »Spieglein, Spieglein an der Wand, wer ist die Schönste im ganzen Land?« Darauf antwortet der Spiegel: »Frau Königin, Ihr seid die Schönste im Land.« Nachdenklich betrachtet sich die böse Königin im Spiegel. »Es ist doch seltsam«, denkt sie. »Ich habe einen Leberfleck auf der linken Wange. Mein Spiegelbild steht aufrecht, genau wie ich, hat den Leberfleck jedoch auf der rechten Wange. Der Spiegel vertauscht also rechts und links. Warum aber vertauscht er nicht auch oben und unten?«

2 Aachen im Spieglein

Die böse Königin hat bei einem Besuch in Aachen von ihrem Kollegen Karl als Andenken sechs Blockschriftbuchstaben aus Ebenholz geschenkt bekommen. Sie stellt sie so nebeneinander auf die Kommode vor ihrem Spiegel, dass sie das Wort AACHEN bilden. »Mein Spieglein hat wirklich magische Kräfte«, denkt sie. »Mich zeigt er seitenverkehrt, aber das Wort AACHEN gibt er seitenrichtig wieder.«

Warum zeigt der Spiegel der bösen Königin nicht das Spiegelbild von AACHEN?

3 Die Größe des Spiegleins

Wenn die böse Königin vor ihrem Spiegel steht und ihn fragt, wer die Schönste im Land sei, möchte sie sich vollständig, vom Scheitel bis zur Sohle, in ihm betrachten können.

Wie groß muss der Spiegel mindestens sein, wenn die Königin 1,70 m groß ist und er in der optimalen Höhe an der Wand hängt?

4 Das seltsame Verhalten von Zylinderlinsen

»Meine Herren«, fragt Baron von Münchhausen in die Runde, »kennen Sie das seltsame Verhalten von Zylinderlinsen?« Er nimmt einen etwa fingerdicken und -langen zylindrischen Glasstab aus der Tasche und gibt ihn seinen Gästen. »Die Linse ist aus Mondglas und hat eine hohe Dispersion. Ich habe sie vom Sultan von Abu Telfan geschenkt bekommen. Für blaues Licht hat dieses Glas eine Brechzahl von 1,70 und für rotes von 1,53. Darum ist die Brennweite der Linse für blaues Licht auch kleiner als für rotes.« Baron von Münchhausen schreibt nun mit Buntstiften in Blockschrift das Wort DEICHGRAF auf ein Blatt Papier, wobei er die ersten fünf Buchstaben rot und die letzten vier blau malt. »Durch die unterschiedlichen Brennweiten für die verschiedenen Farben des Lichts kann man die Linse so über das Blatt halten, dass der Abstand zwischen Blatt und Linse größer ist als die blaue und kleiner als die rote Brennweite. Dadurch sehen Sie durch die Linse die rote Schrift richtig herum und die blaue verkehrt herum.«

Diese Beobachtung können die Gäste des Barons auch tatsächlich mit der Zylinderlinse machen. Aber ist auch Münchhausens Erklärung richtig?

5 Wasserlinsen

»Pflanzen darf man niemals bei prallem Sonnenschein gießen«, erklärt der Freiherr von Risach seinem Gast Heinrich Drendorf im Rosenhaus. »Die Wassertropfen, die auf den Blättern haften bleiben, wirken wie Linsen und brennen Löcher in die Blätter.«

Ist dies tatsächlich möglich?

6 Der gordische Schwalbenschwanz

König Midas aus Gordion in Phrygien besitzt einen Streitwagen, bei dem die Götter die Achse durch eine Schwalbenschwanzverbindung mit dem Zugjoch verbunden haben. Allerdings verlaufen die beiden Flanken des recht seltsamen Schwalbenschwanzes nicht parallel, sondern nach außen auseinander. Es gibt keine Hohlräume in der Verbindung, in der Achse oder im Joch. Abgesehen von dem Schwalbenschwanz und der Führung sind die Enden der beiden Teile massive Quader ohne irgendwelche Einbuchtungen. Das bedeutet, die drei in der Zeichnung nicht sichtbaren Seiten sind auch ebene Rechtecke.

Ein Orakel hat prophezeit, dass derjenige, der den gordischen Schwalbenschwanz löst, Herrscher über ganz Asien werden wird. 1st es möglich, Achse und Joch voneinander zu trennen, ohne sie dabei zu zerstören?

7 Die Dreitafelprojektion

Bei der Dreitafelprojektion werden drei Ansichten eines Körpers – die Vorderansicht, die Seitenansicht und die Draufsicht – senkrecht auf jeweils dahinterliegende Ebenen projiziert. Dabei zeichnet man alle sichtbaren Kanten als ausgezogene Linien und alle unsichtbaren Kanten als gestrichelte Linien. Fällt in der Projektion eine unsichtbare Kante mit einer sichtbaren zusammen, sieht man natürlich nur die ausgezogene Linie.

Als Beispiel ist der Würfel mit der fehlenden Ecke als perspektivisches Bild und als Dreitafelprojektion gezeichnet.

Kann es einen Körper geben, der die abgebildeten völlig gleichen Projektionen aufweist? Wenn ja, wie sieht er aus?

8 Die Präsidentschaftswahl

Ein Mann, der US-Amerikaner war, erhielt einen anonymen Brief, der ihn aufforderte, sich nach Ablauf von drei Tagen um Mitternacht auf den örtlichen Friedhof zu begeben. Der Mann, der noch nie im Leben seine Stadt verlassen hatte, kam der Aufforderung nach und ging tatsächlich zum angegebenen Zeitpunkt auf den Friedhof.

Die Nacht war totenstill, die Bäume rauschten leise, und die schmale Neumondsichel warf ihr fahles Licht auf die Gräber der Toten. Der Mann ging einen abgelegenen Weg entlang, bis er vor dem Grab seines Vaters stand, der vor Jahren unter mysteriösen Umständen gestorben war. Es geschah jedoch lange nichts, und schließlich wollte der Mann schon wieder heimgehen, als er plötzlich hinter sich das Geräusch schlurfender Schritte hörte. Er stieß einen schrillen Schrei aus. Doch niemand hörte ihn, und niemand antwortete.

Tags darauf fand der Friedhofswärter die Leiche des Mannes auf dem Weg liegend vor dem Grabmal. Ein grauenhaftes Lächeln verzerrte das Gesicht des Toten, und seine Hände waren zu Klauen gekrümmt.

Hatte dieser Mann bei den amerikanischen Präsidentschaftswahlen 1956 für Eisenhower gestimmt?

9 Der Jungbrunnen

Nachdem Pippi Langstrumpf, Annika und Tommy gemerkt haben, dass man durch die Einnahme von Krummeluspillen doch nicht die ewige Jugend erhält, versuchen sie ein anderes Verfahren.

Etwa entlang des 180. Längengrades verläuft vom Nordpol zum Südpol die internationale Datumsgrenze. Ist westlich dieser Linie Donnerstag, so ist östlich erst Mittwoch. Überschreitet man die Datumsgrenze also von Westen nach Osten, so muss man seinen Kalender um einen Tag zurückstellen. Mit diesem Trick hat Phileas Fogg in Jules Vernes Roman »In achtzig Tagen um die Welt« doch noch seine Wette gewonnen: Er war zwar 81 Tage unterwegs, konnte aber wegen des Überschreitens der Datumsgrenze von West nach Ost von seiner Reisezeit einen Tag wieder abziehen.

Angenommen, Pippi, Annika und Tommy gehen auf dem Längengrad, der durch ihren Heimatort läuft, nach Norden, bis sie kurz vor dem Nordpol auf den 89,999. Breitengrad stoßen. Dieser Breitenkreis hat nur noch eine Länge von einem Kilometer, und sie können auf ihm bequem dreißigmal an einem Tag immer von Westen nach Osten um den Pol herumwandern. Dabei überqueren sie auch dreißigmal die Datumsgrenze, und jedes Mal müssen sie ihren Kalender um einen Tag zurückstellen. Sie gewinnen also an einem einzigen Tag einen ganzen Monat. Nach der dreißigsten Runde gehen sie dann wieder auf dem Längengrad, auf dem sie gekommen sind, in ihren Heimatort zurück.

Funktioniert dieser Jungbrunnen?

10 Der kippende Klotz

»Einen Würfel kann man mit jeder seiner sechs Seiten auf den Tisch legen, und er bleibt dann auch genauso liegen und rührt sich nicht vom Fleck«, sagt Professor Balduin Bienlein zu Kapitän Haddock. »Dieser Quader hingegen mit den beiden abgeschrägten Stirnseiten bleibt nur auf vier Seiten stabil liegen, wenn man ihn auf den Tisch legt. Stelle ich ihn aber auf eine der beiden Stirnseiten, so kippt er sofort um.« Er führt es vor. »Ich habe nun ein Polyeder konstruiert, das auf keiner seiner Seiten stehen bleibt, sondern von jeder umkippt.«

Wie könnte ein solches Polyeder aussehen? Gesucht ist ein homogener Körper ohne Hohlräume mit möglichst wenigen Seitenflächen.

11 Kaffee und Milch

Herr und Frau Blümlein sitzen am Frühstückstisch. Herr Blümlein hat eine Tasse mit Kaffee vor sich stehen und seine Frau eine Tasse heiße Milch. »Du solltest den Kaffee nicht schwarz trinken. Das ist ungesund!«, nörgelt Frau Blümlein. »Na gut«, brummt ihr Mann. Er zieht die Tasse seiner Frau zu sich herüber, schöpft einen Löffel voll Milch heraus und verrührt sie in seinem Kaffee. »So war das aber nicht gemeint!« Frau Blümlein ist empört. Sie greift sich die Tasse ihres Mannes, nimmt daraus einen Löffel voll Kaffee und kippt ihn in ihre Milch.

In beiden Tassen ist nun wieder gleich viel Flüssigkeit. Aber ist nun mehr Milch im Kaffee, oder ist mehr Kaffee in der Milch?

12 Das Wettrennen

Kastor und Pollux rennen um die Wette über eine Strecke von tausend Metern. Als Kastor ins Ziel läuft, befindet sich Pollux noch fünfzig Meter hinter der Ziellinie.

Am nächsten Tag wiederholen sie das Wettrennen, doch diesmal beginnt Kastor fünfzig Meter hinter der Startlinie.

Angenommen, beide Sportler haben die gleichen Geschwindigkeiten wie am Vortag, wer gewinnt diesmal das Rennen?

13 Stampfende Füße

Herr Meier und Frau Müller wohnen im selben Hochhaus, er im ersten und sie im zehnten Stock. In einer stillen Sommernacht stehen beide auf ihren Balkonen, die sich genau übereinander befinden. Exakt um Mitternacht stampfen beide einmal kräftig mit dem linken Fuß auf den Boden. Wer hört das Stampfen des anderen zuerst, oder hören es beide gleichzeitig?

14 Lanzelot und Ginevra

Sir Lanzelot ist bei Königin Ginevra zum Tee eingeladen. Der Ritter weiß, dass die Königin großen Wert auf Pünktlichkeit legt, und will deshalb genau um fünf Uhr in Schloss Camelot eintreffen. »Wenn ich mit einer Geschwindigkeit von fünfzehn Meilen pro Stunde reite, bin ich eine Stunde zu früh im Schloss«, überlegt Lanzelot. »Reite ich aber mit nur zehn Meilen pro Stunde, so komme ich eine Stunde zu spät an.«

Wie lang ist Sir Lanzelots Weg?

15 Die verlorene Weinflasche

Gemächlich rudert Charon mit seinem Nachen den Styx mit 3 km/h flussaufwärts. Unter der Hadesbrücke fällt ihm seine Weinflasche, ohne dass er es merkt, ins Wasser und treibt flussabwärts. Erst eine halbe Stunde später, als er einen Schluck trinken möchte, fällt es ihm auf. Charon wendet sofort seinen Nachen, paddelt mit 7 km/h flussabwärts und holt auch tatsächlich nach einiger Zeit seine Flasche ein.

Angenommen, der Styx hat eine Fließgeschwindigkeit von 2 km/h. Wie lange trieb dann die Weinflasche im Wasser?

16 Der Flug des Phönix

Seit Jahren fliegt Captain Towns mit der Phönix die Strecke von Timbuktu nach Bamako und zurück. Aus reiner Gewohnheit fliegt er immer mit der gleichen Geschwindigkeit, natürlich relativ zur Luft und nicht relativ zum Boden gemessen.

Wann dauert ein Flug von Timbuktu nach Bamako und zurück länger, wenn Windstille herrscht oder wenn auf dem Hinweg Rückenwind und auf dem Rückweg Gegenwind bläst? Dabei soll angenommen werden, dass der Wind immer mit konstanter Geschwindigkeit und aus gleicher Richtung weht.

17 Peter Schlemihls Schatten

Peter Schlemihl hat sich um Mitternacht mit dem Teufel an einer Straßenlaterne verabredet, um mit ihm einen Handel abzuschließen. Doch Schlemihl wartet vergebens. Um ein Uhr entfernt er sich mit konstanter Geschwindigkeit geradlinig von der Laterne. Was für eine Geschwindigkeit hat die Spitze seines Schattens? Ist sie gleich der Geschwindigkeit Peter Schlemihls oder ist sie größer oder kleiner als diese? Ist sie konstant oder wird sie ständig größer oder kleiner?

18 Die Kerze im Ballon

Dr. Samuel Fergusson, sein Diener Joe und der Großwildjäger Dick Kennedy fliegen mit einem Heißluftballon von der Insel Sansibar aus quer über Afrika bis zum Senegal. Angetrieben werden sie dabei durch die Monsunwinde. Eines Tages, als sie gerade den Viktoriasee überfliegen und ein kräftiger, gleichmäßiger Südwestwind weht, stellt Joe eine brennende Kerze auf den Rand des Ballonkorbes ab.

In welche Himmelsrichtung neigt sich die Kerzenflamme?

19 Die Fahrt der Springburn

Der vorletzte Februartag des Jahres 2000 ist kalt und nebelig. Leichtmatrose Kuddel Daddeldu sieht auf seine Uhr. Es ist exakt 22.00 Uhr mitteleuropäischer Zeit, als die Springburn im Hamburger Hafen ablegt und sich mit konstant einem Knoten pro Stunde auf den Weg zur 450 Seemeilen entfernten englischen Stadt Newcastle macht. Wann genau wird das Schiff dort ankommen?

20 Schneller als der freie Fall

Baron von Münchhausen hat eine einfache Maschine gebaut, mit der er Graf Oorde zu beweisen versucht, dass beim freien Fall die Beschleunigung auch größer als die Erdbeschleunigung sein kann. Die Maschine besteht aus einer ungefähr einen Meter langen Holzlatte. Etwa 5 cm von einem Ende der Latte entfernt klebt eine flache, etwa 3 cm hohe Schachtel.

Wie kann man das Verhalten von Münchhausens Maschine erklären?

21 Die Lastenrollen