10. – 13. Schuljahr

Michael Barth

Keine Zentrifugalkraft damit die Argumentation nicht auseinanderfliegt

Vorschläge für Unterricht zu Kreisbewegungen unter Berücksichtigung verbreiteter Alltagsvorstellungen

Es ist eine weithin anerkannte Erfahrung: Zentrifugalkräfte wirken nach außen und reißen alles auseinander, wie bei einer Explosion. In den Medien findet man zudem u.a. die Übertragung auf Gesellschaften oder Gruppen, die ebenfalls zentrifugal auseinanderdriften. Ein physikalisch falsches Bild wird so zum Konsens, wie der Stromverbrauch und der (riesige) Quantensprung.
Jammern hilft hier nicht, schon gar nicht bei derartigen Alltagsvorstellungen. Versuchen wir zumindest, die Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht zu überzeugen. Dazu möchten dieser Artikel und die darin vorgeschlagenen Unterrichtseinheiten beitragen.
Wir wollen nun das Problem näher betrachten, und zwar schrittweise in Form von Fragen und Antworten.
1. Frage: Woher kommt die Vorstellung einer Zentrifugalkraft?
Antwort: Aus der Erfahrung (s.o.). Jeder kennt das Gefühl, wenn man in einer Kurve oder einem Karussell nach außen an den Rand eines Sitzes gepresst wird wenn also eine Kraft wirkt, die nach außen schiebt, radial vom Drehzentrum aus. Oder wenn der im Kreis geschleuderte Ball den Arm radial nach außen zieht. Oder wenn das Wasser in einem herumgeschleuderten Eimer nicht ausfließen kann, weil es von Zentrifugalkräften im Eimer gehalten wird. Auch ein an der Drehachse befestigter Kraftmesser an einem rotierenden Objekt zeigt deutlich eine nach außen gerichtete Kraft an und zwar bei physikalischen, seriösen Versuchen.
Natürlich gibt es der Erfahrung nach auch eine Zentripetalkraft: Sie hält den rotierenden Körper auf der Kreisbahn und wird z.B. von einem Seil aufgebracht. Aber wehe, wenn diese Zentripetalkraft zu klein ist und die Zentrifugalkraft durch zu schnelle Rotation überwiegt. Dann reißt z.B. das Seil, und die Zentrifugalkraft schleudert den Körper nach außen. Wer dies auf einem Fahrrad oder gar mit einem Motorrad in der Kurve erlebt hat, vergisst es nie wieder. Auch bei Hunden, die sich das Wasser aus dem Fell schütteln, kann man das sehen.
2. Frage: Stimmt das alles?
Antwort: Physikalisch nicht, es handelt sich um typische Alltagsvorstellungen. Allerdings muss man insofern fair bleiben, dass diese Erfahrungen für den Alltag durchaus hilfreich sind. Wer das Wechselwirkungsprinzip und den Trägheitssatz nicht kennt bzw. nicht anwenden kann, kann sich kein Bild machen von den korrekten Richtungen und den Gleichgewichtsbedingungen. Wer aus der Kurve getragen wird, bemerkt nichts von tangentialer Bewegung (und fliegt als ausgedehnter, sicher nicht starrer Körper auch gar nicht so).
3. Frage: Wie geht man damit im Physikunterricht um?
Antwort: Wirklich schwierig. Aus der Didaktik kennen wir verschiedene Strategien, um Alltagsvorstellungen abzubauen:
  • Hervorlocken,
  • Konfrontieren,
  • Ersetzen oder
  • Umdeuten.
Und wir wissen, dass der Abbau von Alltagsvorstellungen zudem nicht unbedingt und langfristig nachhaltig ist. Versuchen wir es dennoch.
Hervorlocken
Diese Methode haben wir in der 1. Frage angewendet. Lassen Sie Ihre Lerngruppe genau diese Erfahrungen formulieren. Oft gibt es dabei in der Oberstufe durchaus ein ungutes Gefühl auf Schülerseite, weil man gehört hat, dass das mit der Zentrifugalkraft irgendwie nicht ganz stimmt. Egal locken sie hervor. Ihre Lerngruppe muss nur Vertrauen haben, alles zu erzählen. Und rollen Sie dabei nicht mit den Augen.
Konfrontieren
In der 2. Frage steckt das „Konfrontieren: Die newtonschen Gesetze müssen bekannt sein (und deshalb sollte man sich m.E. in der Sek. I auch nicht mit Kreisbewegungen beschäftigen). Dabei ist der Trägheitssatz das zentrale Argument gegen das Gleichgewicht von Zentripetal- und Zentrifugalkraft. Da die Zentrifugalkraft „einfach da ist und keine Gegenkraft hat, verstößt sie gegen das Wechselwirkungsprinzip.
Ein Experiment kann dies untermauern, indem es...

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