Meine Physik – Teil 2: Wasserradmotor


Das ist eine Fortsetzung von Meine Physik – ein Anfang

Der Wasserradmotor ist ein Mechanismus, der dazu dient, das herabfliessende Wasser zur Bewegung einer Welle zu verwenden. Dabei wird – quasiexperimentell – sichtbar, dass die Stärke des Motors von der „Stärke“ des antreibenden Wassers abhängig ist. In solch umgangssprachlichen Formulierungen erscheint „Stärke“ als Eigenschaft eines Motors, eines Pferdes oder eben auch von Wasser. wasserradIndem ich Messoperationen beobachte, bestimme ich auf eine spezifische Weise, wie ich meine Bezeichnungen als Begriffe verwende. Wenn ich „Stärke“ in diesem Sinne begrifflich bestimmen will, muss ich entsprechende Operationen wählen.

Dazu muss ich mir auch bewusst machen, was ich als Operationen bezeichne. Ein umgangssprachlich formuliertes Beispiel für eine Messoperation habe ich bereits gegeben. Ich lege den Massstab neben einen Gegenstand, dessen länge ich messen will. Als Operationen bezeichne ich Aspekte von Handlungen, die ich mechanisieren kann. Dementsprechend erkenne ich Operationen im eigentlichen Sinn als Elemente der Funktionsweise von Mechanismen, deren Zustände ich als bewusst konstruiert erkenne. Das Verhalten von Wasser und Pferden, also von natürlichen „Gegenständen“ erscheint mir vergleichsweise kompliziert, während ich Maschinen ja eigens für ein bestimmtes Verhalten konstruiere.

Das Wasserrad dreht sich oder eben nicht in Abhängigkeit des Wassers, das auf die Radschaufeln fliesst. Was ich zunächst diffus als seine Stärke des Wassermotors auffasse, entpuppt sich dann vorerst als Stärke des Wassers. Der Motor hat in diesem Sinn gar keine Stärke, er verwandelt nur die Form einer „Stärke“. Die Redeweise, die einem Motor „Stärke“ zuschreibt, stellt eine umgangssprachliche Verkürzung dar. Mit einem grossen Wasserrad kann ich in der gleichen Zeit mehr Stärke umwandeln, was ich umgangssprachlich dann zu einem „stärkeren Motor“ verkürze. Die Stärke des Wasserradmotors wird aber – lax gesprochen – durch das Wasser bestimmt. Diese Stärke ist aber natürlich keine Eigenschaft des Wassers, sondern – zunächst bei aller Anschaulichkeit hypothetisch – abhängig von der Menge und der Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser auf das Rad trifft.

Ich vergegenwärtige mir folgendes Experiment, das ich zunächst nicht durchzuführen brauche, weil ich – vielleicht sogar auf Grund der weitgehend vergessenen Schulphysik – schon hinreichend Wissen dazu habe. Es geht mir darum, dass ich hier nicht Natur, sondern eine Maschine beschreibe. Ich verwende einen hinreichend grossen Wasserbehälter, den ich 10 Meter über dem Wasserrad montiere. Ich führe ein Rohr mit 5 Zentimetern Durchmesser vom Boden des Wasserbehälters zum Wasserrad. Die Welle des Wasserrades bremse ich durch eine Konstruktion, die Wasser nach oben pumpt. Diese Einrichtung des Experimentes habe ich nicht für ein Experiment erfunden. Vielmehr handelt es sich um eine nützliche Maschine, mit welcher ich Wasser hochtragen kann. Die Nützlichkeit der Maschine ist natürlich an spezifische Verhältnisse gebunden, in welchen es Sinn macht, Wasser abwärtsfliessen zu lassen, um anderes Wasser aufwärtsfliessen zu lassen. In Untertagbergwerken beispielsweise ist eine effiziente Entwässerung gefragt. Im Experiment, in welchem ich diese Maschine verwende, will ich aber nur vergleichen und messen. Ich kann beispielsweise ein Rohr mit halbem oder doppeltem Durchmesser verwenden, oder den Behälter 20 Meter über dem Rad hinstellen.

In diesem Experiment frage ich nicht danach, warum Wasser wie schnell abwärtsfliesst. Diese „Natur“ interessiert mich hier nicht. Mich interessiert hier die „Stärke“, die ich durch die Maschine nutzen kann. Ich finde zunächst ohne diese Stärke messen zu können, dass sie sich beispielsweise verdoppelt, wenn ich den Behälter entsprechend höher stelle. Ich komme aber kaum umhin, auch zwei andere Zusammenhänge zu beobachte. Zum einen realisiere ich, dass sich der Behälter leert und dass dann die Maschine stillsteht. Wie lange ich die Maschine betreiben kann, ist von der Grösse des Behälters oder von dessen Zufluss abhängig. Zum andern merke ich, dass ich im Prinzip mit der Maschine die gleiche Wassermenge, die ich zum Antrieb des Rades verwende, gleich viel hochheben kann, wie ich das antreibende Wasser fallen lasse. Ich schreibe „im Prinzip“, weil ich auch beobachte, dass das nur mehr oder weniger stimmt.

Die erste der beiden Beobachtungen – die ich natürlich auch jenseits eines Experimentes machen kann – zeigt mir, dass ich – wieder lax formuliert – die „Stärke speichern“ kann. Ich kann den Behälterabfluss schliessen und genau dann wieder öffnen, wenn ich meinen Motor antreiben will. Genauer gesprochen „speichere“ ich natürlich Wasser, nicht Stärke. Und diesbezüglich stimmt der Ausdruck „speichern“ perfekt.

Die zweite Beobachtung zeigt mir einen mehr oder weniger grossen „Fehler“ meiner Maschine. Sie bringt mir nicht die ganze potentielle Stärke. Noch bevor ich die „Stärke“ messe, habe ich zwei Probleme, die mich praktisch, also in der Verwendung der Maschine mehr interessieren als das Messen. Ich muss von allen Messresultaten unabhängig – den Speicher organisieren und den Verlust der Stärke minimieren.

Im Experiment bremse ich den Motor, um dessen Stärke zu messen. Ich kann beispielsweise vier Pferde vor das Wasserrad spannen. Wenn es den Pferden gelingt, das durch Wasser angetriebene Rad still zu halten, kann ich sagen, dass das Wasser vier Pferdestärken liefert. Dabei merke ich, dass ich meine Maschine nicht nur zum Wasserheben verwenden kann, dass sich die verschiedenen Stärken der Maschine auch in anderen Funktionen des Antriebes erhalten. In einem produktiv relevanten Fall – der in den Geschichten gerne mit dem Wasserrad verbunden wird – kann ich beispielsweise eine grössere oder kleinere Menge gemahlenen Mehls einer bestimmten Wasserstärke zuordnen, weil ich mit den Wasserrad einen grösseren oder kleineren Mühlestein antreiben kann. Die ersten Fabriken wurden an Flüssen gebaut, die beispielsweise Webstühle angetrieben haben.

In all diesen Beispielen beobachte ich eine eingerichtete Wirkung des Wasserradmotors, also nicht den Motor selbst, auf welchen ich später zurückkommen will. Wenn ich das Wasserrad zum Hochfördern von Wasser verwende, kann ich die „Stärke“ des Motors relativ leicht messen: Anzahl Liter Wasser und Anzahl Meter pro Stunde. Damit messe ich sehr genau das, was mich in diesem Fall als Funktion des Motors interessiert. Mir war lange vor jedem Physikunterricht in einem ganz praktischen Sinn klar, was ein Liter und was ein Meter ist, und auch, dass ein Liter Wasser ein Kilogramm schwer ist. Jetzt geht es darum, wie ich durch diese Begriffe „Stärke“ bestimme. Zunächst betreibe ich deshalb wieder die „sprachphilosophische Physik“, indem ich mir meine Worte bewusst mache.

Als Meter bezeichne ich eine bestimmte Quantität von Abstand oder Distanz. Was ich als Meter bezeichne, ist mir durch die Konvention in Form des Urmeters gegeben. In diesem Sinn sehe ich den Meter als Einheit, die ich beim Messen von Länge verwende. In der Schulphysik wird die Länge seltsamerweise als „Grösse“ bezeichnet, was meinem Sprachgefühl – wie bei anderen physikalischen Bezeichnungen – zuwiderläuft. Zwar habe ich mit den Ausdrücken „Meter“ und „Länge“ keine erkennbaren Komplikationen, aber so, wie sie in der Physik eingeführt werden, ergibt sich für mich ein kategorielles Problem, das zunächst wieder als Sprachproblem erscheint – das sich dann in sogenannten Energiediskussionen zur reinen Konfusion entwickelt.

In meiner Sprache verstehe ich den Ausdruck „Grösse“ als Ableitung von gross oder von Grosssein. Wenn ich sage, dass ich gross bin, bezeichne ich damit kein Mass, sondern ein Ausmass, also einen (Variablen)Wert. Ein adäquaterer Ausdruck als Einheiten für Grössen wäre Einheiten von Messverfahren (oder Messoperationen), oder expliziter Einheiten von physikalischen Messverfahren. Das würde mit einer operativen Sicht korrespondieren, in welcher das Messen als die zugrundeliegende Tätigkeit gesehen wird.

An einer Verdinglichung von Resultaten von Messverfahren wird auch im Englischen festgehalten, wo oft von „quantities“ gesprochen wird, wo im Deutschen von Grössen die Rede ist. Quantität leite ich wenigstens nicht von einem Adjektiv ab. Ich sage nie, ich sei quantitativ. Ich will also nicht für den Ausdruck „Quantität“ plädieren, aber immerhin kann – wenn auch etwas verschroben – von der Grösse einer Quantität sprechen, wobei „Grösse“ dann eben nicht für Quantität steht, sondern für einen quantitative Variable. Länge ist in diesem verdinglichten Sinn eine Quantität von Abstand oder Distanz, Gewicht eine Quantität von Masse bei gegebener Gravitation, usw. Ich spreche dann beispielsweise von einer grossen Distanz oder von einem grossen Gewicht. Wichtig sind auch hier nicht die Wörter, sondern das damit verbundene Verständnis. Ich sage deshalb anstelle von Grösse Grössenart oder aber wenigstens explizit von „physikalischer Grösse“.

Eine bestimmte physikalische Grössenart wird in der Schulphysik als Länge bezeichnet. Die Länge – wenn sie in Metern gemessen wird – ordne ich dem gemessenen Gegenstand zu. Eine Fahnenstange hat die Länge von beispielsweise sieben Metern, weil ich messend sieben Meterstäbe neben sie legen kann. Diese Länge steht also für das, was ich in Metern messe. Ich spreche aber auch von der Länge einer Theateraufführung, die ich in Sunden messe. In diesem Sinn ist – in der Terminologie der Physik – nicht nur die Bezeichnung „Grösse“ unglücklich gewählt, sondern auch die Bezeichnung „Länge“, weil beide Bezeichnungen umgangssprachlich komplizierter verwendet werden. Ich muss also – innerhalb der Physik – auch hier von Längenart sprechen.

Als Länge bezeichne ich in meiner Physik jenseits von Grösse und Quantität – verkürzt – das, was ich in der Messeinheit „Meter“ messe. Diese sprachliche Verkürzung – die im Alltag kaum je ein Problem verursacht – funktioniert normalerweise auch in der Schulphysik, soweit diese umgangssprachlich verstanden werden kann. Normalerweise zeigt der Kontext, von welcher Längenart die Rede ist. Etwas subtiler ist dagegen, dass wenn ein Gegenstand länger wird, sich seine „Länge“ verändert, aber natürlich nicht das, was ich als Länge bezeichne.

Hierzu will ich eine didaktische Anmerkung machen. Man mag einwenden, dass das alles mehr mit Sprache als mit Physik zu tun habe. In den Schulen, die ich besucht habe, war Sprachunterricht ein eigenes Fach, in welchem die Sprache der Physik nie Thema war. Im Physikunterricht wurde dann sinnigerweise unterstellt, dass ich der Sprache mächtig sei, also insbesondere auch merken müsste, dass da die Wörter ganz anders verwendet werden. Ich neige aber auch im Nachhinein dazu, nur eine Sprache zu sprechen, und mir diese Sprache bewusst zu machen.

Ich unterscheide Grössenarten in einem operativen Sinn, indem ich verschiedene Arten des Messens unterscheide. Ich mache mir meine Sprache bewusst, indem ich meine eigene Tätigkeit als Referenzobjekt beobachte. N. Wiener, der mit seiner Kybernetik das Engineering anstelle der Wissenschaft gestellt hatte, sagte, dass er nicht danach frage, was „es“ sei, sondern danach, wie „es“ funktioniere. Ich frage in diesem Sinne wie „es“ gemacht wird, also in Bezug auf die Physik, wie ich was messe.

Advertisements

Eine Antwort zu “Meine Physik – Teil 2: Wasserradmotor

  1. Pingback: Meine Physik – ein Anfang | Dialog

Kommentar verfassen

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden / Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden / Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden / Ändern )

Google+ Foto

Du kommentierst mit Deinem Google+-Konto. Abmelden / Ändern )

Verbinde mit %s