Erdrotation, Bezugssysteme, Scheinkräfte?

Gedankenexperiment: Gegeben sei ein Sack Reis. Diesen stopfen wir in eine Gulaschkanone und böllern ihn Vollspann gen Himmelreich; senkrecht nach oben wie der Kurs einer Skyway-Aktie. Wenn wir auf einer in sich ruhenden Erdenscheibe lebten, dann würde uns die Aktie mit Donnergepolter auf die Füße fallen. Neueren Erkenntnissen der Wissenschaft zufolge leben wir aber auf einer Kugel, die sich zu allem Überfluss auch noch dreht; heliozentrisch um die Sonne und egozentrisch um sich selbst. Beim Aufstieg in höhere Sphären behält der Sack Reis seine Horizontalgeschwindigkeit bei (Impulserhaltung), die Winkelgeschwindigkeit nimmt aber ab, denn der Weg um die Erde wird länger. Der Reis wird also in China niederregnen.

Jetzt sind aber alle Bezugssysteme gleichberechtigt; ein jeder darf sich selbst als ruhend definieren; absolute Koordinaten gibt es nicht in diesem Universum. Woher also weiß der ruhende Sack Reis, dass zu seinen Füßen Mutter Erde rotiert?

Mr.Stielz schrieb:Woher also weiß der ruhende Sack Reis, dass zu seinen Füßen Mutter Erde rotiert?

Woher weiß dein an sich ruhender im Zug sitzender Körper das er sich mit 150 Km/h fort bewegt !?

Es kommt auf das verwendete Bezugssystem an:

Die Antwort auf die Frage, ob sich ein Körper bewegt oder ob er in Ruhe ist, hängt von der Wahl des Bezugssystems ab.
Ein Körper ist in Bewegung, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugssystem verändert. Er ist in Ruhe, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugssystem nicht ändert. Jede Bewegung ist somit relativ und kann nur gegenüber einem Bezugsystem angegeben werden. Man spricht deshalb auch von der Relativität der Bewegung bzw. der Ruhe.

Sitzt man z. B. in einem fahrenden Zug still, so ist man sowohl in Ruhe als auch in Bewegung. Gegenüber dem Zug ist man in Ruhe, denn man ändert seine Lage gegenüber dem Zug nicht. Gleichzeitig fährt aber der Zug mit hoher Geschwindigkeit auf den Gleisen entlang. Gemeinsam mit dem Zug ändert man seine Lage, z. B. gegenüber den Häusern an der Bahnstrecke

Lange wurde in der Physik die Frage diskutiert, ob es ein absolut ruhendes Bezugssystem (einen absoluten Raum) gäbe, also ein bevorzugtes Bezugssystem. ALBERT EINSTEIN hat in der speziellen Relativitätstheorie gezeigt, dass es weder einen absoluten Raum noch eine absolute Zeit gibt.

Quelle: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/bezugssysteme

Mr.Stielz schrieb:Neueren Erkenntnissen der Wissenschaft zufolge leben wir aber auf einer Kugel,

Ist diese Erkenntnis wirklich neu? ;)

Mr.Stielz schrieb:ein jeder darf sich selbst als ruhend definieren

Da würde ich widersprechen, solange sich bei einem Körper eine Bewegung nachweißen lässt.

Mr.Stielz schrieb:Woher also weiß der ruhende Sack Reis, dass zu seinen Füßen Mutter Erde rotiert?

Der Sack Reis "weiß" gar nichts. Er folgt den Gesetzten der Natur/Physik.

amtraxx schrieb:Die Antwort auf die Frage, ob sich ein Körper bewegt oder ob er in Ruhe ist, hängt von der Wahl des Bezugssystems ab.
Ein Körper ist in Bewegung, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugssystem verändert. Er ist in Ruhe, wenn er seine Lage gegenüber einem Bezugssystem nicht ändert.

Eben darum geht es. Der Sack Reis ist gegenüber der Gulaschkanone in Ruhe, beide ruhen im selben Bezugssystem. Isoliert betrachtet müsste der Sack Reis senkrecht aufsteigen und auch senkrecht wieder runterkommen. Tut er aber nicht, denn "in Wirklichkeit" (von außen betrachtet) ist die rotierende Erde ein beschleunigtes Bezugssystem. Nur eine Möglichkeit kann kausal folgen., beide Sichtweisen sind aber gleichberechtigt.

amtraxx schrieb:Lange wurde in der Physik die Frage diskutiert, ob es ein absolut ruhendes Bezugssystem (einen absoluten Raum) gäbe, also ein bevorzugtes Bezugssystem. ALBERT EINSTEIN hat in der speziellen Relativitätstheorie gezeigt, dass es weder einen absoluten Raum noch eine absolute Zeit gibt.

Eben.
Warum ist also die Außensicht bevorzugt? Woher also weiß der Sack Reis, dass es ihn nach China zieht?

Mr.Stielz schrieb:Der Sack Reis ist gegenüber der Gulaschkanone in Ruhe, beide ruhen im selben Bezugssystem.

Aber der Sack Reis bewegt sich doch von besagter Kanone fort bzw. aus Sicht der Kanone der Sack Reis. Im selben Bezugssystem kann doch nur einer von beiden ruhen.

Bewegungen laufen immer in Relation zu einem System ab, werden also an einem anderen Körper gemessen. Dabei ist das Bezugssystem, also der Ort, auf den sich die Bewegung bezieht, entscheidend.

Merke
Bewegungen haben stets ein Bezugssystem, an dem sie gemessen werden.

Quelle: https://lakschool.com/de/physik/kombination-von-bewegungen/bezugssysteme

Mr.Stielz schrieb:Isoliert betrachtet müsste der Sack Reis senkrecht aufsteigen und auch senkrecht wieder runterkommen.

Nun ich würde sagen wenn es dir gelingt den Sack exakt im 90° Winkel gen Himmel zu befördern und das ganze noch in einem Vakuum, dann kommt der auch exakt in der abgeschossenen Linie auch wieder herunter nur die Erde darunter hat sich ein Stück gedreht.

amtraxx schrieb:Aber der Sack Reis bewegt sich doch von besagter Kanone fort bzw. aus Sicht der Kanone der Sack Reis. Im selben Bezugssystem kann doch nur einer von beiden ruhen.

Vor dem Schuss ruhen beide. Und beim senkrechten Schuss gibt es keine Translationsbewegung.

amtraxx schrieb:nur die Erde darunter hat sich ein Stück gedreht.

Das ist leider wieder die Außensicht des Teufels. Weder im Bezugssystem der Kanone, noch im Bezugssystem des Sacks existiert eine Drehbewegung.

Mr.Stielz schrieb:Und beim senkrechten Schuss gibt es keine Translationsbewegung.

Mr.Stielz schrieb:Das ist leider wieder die Außensicht des Teufels

Aber auch nur Dank dieser Außensicht kommt die Bahnkurve deines Reissackes zustande denn relativ betrachtet existiert diese nicht.

Es ist unklar, was hier unter „Ort“ und „Raum“ zu verstehen ist. Ich stehe am Fenster eines gleichförmig fahrenden Eisenbahnwagens und lasse einen Stein auf den Bahndamm fallen, ohne ihm einen Schwung zu geben. Dann sehe ich (abgesehen vom Einfluß des Luftwiderstandes) den Stein geradlinig herabfallen. Ein Fußgänger, die die Übertat vom Fußwege aus mit ansieht, bemerkt, daß der Stein in einem Parabelbogen zur Erde herabfällt. Ich frage nun: Liegen die „Orte“, welche der Stein durchläuft, „in Wirklichkeit“ auf einer Geraden oder auf einer Parabel? Was bedeutet hier ferner Bewegung „im Raume“? ...
... Zunächst lassen wir das dunkle Wort „Raum“, unter dem wir uns bei ehrlichem Geständnis nicht das geringste denken können, ganz beiseite; wir setzen statt dessen „Bewegung in bezug auf einen praktisch starren Bezugskörper“. ...
Indem wir statt „Bezugskörper“ den für die mathematische Beschreibung nützlichen Begriff „Koordinatensystem“ einführen, können wir sagen: Der Stein beschreibt in bezug auf ein mit dem Wagen starr verbundenes Koordinatensystem eine Gerade, in bezug auf ein mit dem Erdboden starr verbundenes Koordinatensystem eine Parabel. Man sieht an diesem Beispiel deutlich, daß es eine Bahnkurve an sich nicht gibt, sondern nur eine Bahnkurve in bezug auf einen bestimmten Bezugskörper.

Quelle: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/spezielle-relativitaetstheorie-im-original (Archiv-Version vom 28.10.2022)

Mr.Stielz schrieb:Jetzt sind aber alle Bezugssysteme gleichberechtigt; ein jeder darf sich selbst als ruhend definieren; absolute Koordinaten gibt es nicht in diesem Universum. Woher also weiß der ruhende Sack Reis, dass zu seinen Füßen Mutter Erde rotiert?

Ich vermute mal ganz stark, der Denkfehler ist: Wir befinden uns in keinem ruhenden System. Wir sitzen in einem Karussell. Merkt man daran, daß Dich die Fliehkraft am Äquator nur 79,6kg wiegen läßt, sofern die Waage am Nordpol 80kg bei Dir anzeigen würde. Wir ruhen also gar nicht hier auffer Erde, auch wenn Du die Fliehkraft nicht so wirklich spürst.

Auch das Foucaultsche Pendel könnte Dir das Karussell anzeigen. Und eben auch der Sack Reis, der, senkrecht hochgeschossen, nicht über Dir, sondern über China niedergeht.

@perttivalkonen
Ja, "objektiv" ruhen wir nicht in einem Inertialsystem, sondern erfahren in einem beschleunigten -System Scheinkräfte, wobei die Scheinkräfte im Alltag aber kaum spürbar sind. Die Zentrifugalkraft durch die Erdrotation schwächt die Gewichtskraft nur minimal ab und betrifft alle Körper gleichermaßen, ohne ruhende Körper sichtbar zu beeinflussen. Die Scheinkräfte merken wir erst auf größeren Skalen (Corioliskraft) oder bei relativ präzisen Messungen (Foucaultsches Pendel).

Aber jetzt denken wir uns das "Außen" einmal weg. Alle Sterne erloschen und durch die Expansion des Universums hinter den Ereignishorizont gebeamt. Dann funktioniert unser Reisversuch vermutlich weiterhin. Ob wir in einem ruhenden Bezugssystem oder auf einer im Nichts rotierenden Kugel leben, erfahren wir aber erst, wenn wir die Kanone abfeuern. Ist das nicht Überraschungsei-Physik? Ist das nicht ein Hinweis auf ein absolutes Koordinatensystem im Widerspruch zu den Annahmen der Physik?

Mr.Stielz schrieb:Ja, "objektiv" ruhen wir nicht in einem Inertialsystem

Wie wenig dies auch immer zu spüren ist, so ist es denoch die Erklärung für Dein EP. Wir ruhen nicht wirklich.

perttivalkonen schrieb:Wie wenig dies auch immer zu spüren ist, so ist es denoch die Erklärung für Dein EP. Wir ruhen nicht wirklich.

Ja, aber hier liegt der Hase im Pfeffer. Was definiert objektiv, absolut und quantitativ Bewegung in den Weiten des Alls? Eine Bewegung relativ zu anderen Objekten kann es kaum sein, da auch diese in Bewegung sind oder (s.o.) unspürbar weit weg sein könnten, jenseits der Grenze kausaler Beeinflussbarkeit. Die Rotation der Erde wird ja nicht langsamer un die Zentrifugalkraft nicht schwächer, wenn andere Objekte nicht mehr da wären.

Wir spüren Scheinkräfte, weil die Erde rotiert. Und die Erde rotiert, wenn wir Scheinkräfte spüren. Das kann doch kaum die ganze Antwort sein.

Mr.Stielz schrieb:Ja, aber hier liegt der Hase im Pfeffer. Was definiert objektiv, absolut und quantitativ Bewegung in den Weiten des Alls?

Ich verstehe es vielmehr so, daß es egal ist, ob die Erde sich um sich selbst dreht, oder das Universum sich um die Erde. In beiden Fällen wirken Kräfte ein, die den Sack Reis beeinflussen. Objektive Bewegungen brauch ich da nicht.

@Mr.Stielz
Sorry falls ich falsch liege, aber geht Dein Anliegen nicht auf den absoluten Raum hinaus?

Der absolute Raum ist das von Isaac Newton postulierte Konzept eines physikalischen Raumes, der sowohl vom Beobachter als auch von den darin enthaltenen Objekten und darin stattfindenden physikalischen Vorgängen unabhängig ist. Newton postuliert mit analogen Eigenschaften auch eine absolute Zeit.[1]

Zusammen werden beide Konzepte in Albert Einsteins Relativitätstheorie durch eine dynamische Raumzeit ersetzt, in der Raum und Zeit sowohl vom Beobachter als auch von der Verteilung und Bewegung der enthaltenen Materie abhängen….Spoiler Der absolute Raum und die absolute Zeit bilden bei Newton die Grundlage der von ihm begründeten Klassischen Mechanik und in der Folge auch die der Klassischen Physik. Demnach finden alle absoluten Bewegungen relativ zum absoluten Raum statt. Newton stellt auch fest, dass die Vorgänge in einem System von Körpern in gleicher Weise ablaufen, wenn das ganze System mit allen Körpern sich geradlinig bewegt, sei es gleichförmig oder beschleunigt. Damit drückt er die Galilei-Invarianz der Gesetze der klassischen Mechanik aus, die es unmöglich macht, mit einem mechanischen Experiment eine konstante Geschwindigkeit relativ zum absoluten Raum festzustellen. Das Relativitätsprinzip, das der Relativitätstheorie zugrunde liegt, drückt aus, dass dies durch überhaupt kein Experiment feststellbar ist.

In einem Experiment (s. auch Gedankenexperiment) wird die Form der Wasseroberfläche in einem rotierenden Eimer betrachtet. Stoppt man die Bewegung des Eimers, so bleibt die Form der Wasseroberfläche erhalten. Die Bewegung des Wassers gegenüber dem absoluten Raum wird somit nachweisbar gemacht.[2]

Auch das Foucaultsche Pendel ist ein Beispiel für einen Nachweis von Drehungen unabhängig von externen Objekten. Im rotierenden Bezugssystem der Erde wird die Bewegung des Pendels dagegen auf die Corioliskraft zurückgeführt. Foucault zeigte damit, dass sich die Erde selbst dreht und nicht der Sternenhimmel um die Erde.

Nach Ernst Mach hingegen können auch diese Trägheitskräfte die absolute Rotation nicht beweisen, sondern nur, dass eine relative Rotation gegenüber den Fixsternen oder anderen weit entfernten großen Massen erfolgt. Die Forderung, die Gesetze der Mechanik dieser Bedingung anzupassen, wurde von Einstein als Machsches Prinzip bezeichnet. Es ist in der Allgemeinen Relativitätstheorie zum Teil erfüllt.[3]

Quelle: Wikipedia - Absoluter Raum

Mr.Stielz schrieb:Das ist leider wieder die Außensicht des Teufels. Weder im Bezugssystem der Kanone, noch im Bezugssystem des Sacks existiert eine Drehbewegung.

Das ist eben falsch. Wie du schon weiter oben richtig bemerkt hast ist eine Drehbewegung eben keine gleichförmige Bewegung, sondern eine beschleunigte. Denn es ist eine konstant wirkende Kraft (die Zentripetalkraft) erforderlich, um einen Massepunkt auf einer gekrümmten Bahn zu halten. Diese Kraft ist es die du aufwendest wenn du dich um dich selbst drehst und dabei einen Eimer in der Hand hälst. Auf der Erde wird diese Kraft von der Gravitation der Erdmasse vermittelt.

Es läßt sich auch für einen scheinbar ruhenden Körper nachweisen das die Erde in einer Drehbewegung ist, z.B. durch die Corioliskraft

skagerak schrieb:Sorry falls ich falsch liege, aber geht Dein Anliegen nicht auf den absoluten Raum hinaus?

Das ist schon korrekt, aber dann doch nicht ganz so simpel gedacht von Freund Rumpel. Denn

Rolly22 schrieb:Es läßt sich auch für einen scheinbar ruhenden Körper nachweisen das die Erde in einer Drehbewegung ist

Und genau das ist Mr.Stielz' Frage. Dreht sich die Erde absolut, oder ist das nicht relativ, beobachterabhängig? In welchem Inertialsystem dreht sich die Erde nicht - und wieso wirkt da die Corioliskraft?

Die Sache ist die: Es gibt zwar ein Bezugssystem, in dem die Erde ruht, aber es gibt kein Inertialsystem, in dem die Erde kräftefrei ruht.

Inertialsysteme sind die Bezugssysteme, in denen jede Abweichung von der geradlinig-gleichförmigen Bewegung eines Körpers auf den Einfluss einer Kraft zurückgeführt werden kann, die von einem anderen Körper ausgeht.

Wikipedia: Inertialsystem

Wie hat Einstein geschrieben:
Alles ist relativ ...
Das Foucault'sche Pendel hätte ich auch genannt, das hat schon viele Leute verwirrt. In Paris kann man es imho immer noch bewundern.
Wikipedia: Foucaultsches Pendel
Mein einfachstes Beispiel:
Du sitzt im Zug am Bahnhof, lässt Dich von Deinen Kumpels ablenken.
Du schaust aus dem Fenster und siehst plötzlich wie sich der Zug auf dem Nachbargleis bewegt.
Schaust Du aber genauer auf den Bahnhof siehst Du dass der andere Zug ruht - Dein Zug bewegt sich!

@Mr.Stielz
Wäre es möglich die Quelle offen zu legen, wo du Folgendes her hast?

Mr.Stielz schrieb:Jetzt sind aber alle Bezugssysteme gleichberechtigt; ein jeder darf sich selbst als ruhend definieren; absolute Koordinaten gibt es nicht in diesem Universum.

Dann könnte man das im richtigen Kontext beurteilen. Ich habe da nämlich so einen kleinen Verdacht :)
Und wäre es möglich, die Eingangsfrage zu präzisieren mit Blick auf die beteiligten Bezugssysteme?

Mr.Stielz schrieb:Woher also weiß der ruhende Sack Reis, dass zu seinen Füßen Mutter Erde rotiert?

Ich glaube, dann wäre es leichter, einzukreisen, was das Problem ist. Mir wird nicht richtig klar, was jetzt genau widersprüchlich ist bzw. sein soll.

@Lonny
Quelle: Allgemeinbildung :freibier:
Und Wikipedia bestätigt:

Wenn Beobachter von verschiedenen Bezugssystemen ausgehen, können sie zu einem physikalischen Vorgang verschiedene Beschreibungen geben, die dennoch alle zutreffen, wenn man ihr jeweiliges Bezugssystem berücksichtigt. Zum Beispiel könnte ein Autofahrer zu Recht behaupten, dass ihm ein Baum entgegenkommt, während ein am Straßenrand neben dem Baum stehender Beobachter, ebenfalls zu Recht, den Vorgang umgekehrt sieht: Ihm, und damit dem Baum, kommt das Auto entgegen. In der Physik gilt, dass jedes so definierte Bezugssystem gleichberechtigt gewählt werden darf und dass es keinen grundlegenden Prozess gibt, durch den man ein bestimmtes Bezugssystem vor allen anderen auszeichnen könnte.

Wie hier im Thread bereits herausgearbeitet wurde, ist aber nicht jedes Bezugssystem ein Inertialsystem (kräftefrei). Zu Beginn des Versuchs ruhen Reis und Kanone im selben Bezugssystem. Mit dem Abfeuern der Gulaschkanone entkoppelt aber der Reis aus dem gemeinsamen System, der Zentripetalkraft beraubt. Nicht der abgeschossene Sack Reis verabschiedet sich von der Kanone; die scheinbar ruhende Kanone entflieht dem in der Luft ruhenden Sack Reis.

skagerak schrieb:geht Dein Anliegen nicht auf den absoluten Raum hinaus?

Ja., das gehört auch dazu.

Lonny schrieb:Ich glaube, dann wäre es leichter, einzukreisen, was das Problem ist.

Es gibt keine exakte Problemstellung, die mir bewusst wäre. Hier soll lediglich ein bisschen philosophiert werden über Reis in der Gulaschkanone und alle damit in Verbindung stehenden Fragen, z.B. auch: Was definiert oder bewirkt Bewegung und Beschleunigung in den Weiten des Nichts?

Mr.Stielz schrieb:Hier soll lediglich ein bisschen philosophiert werden

Über was soll man philosophieren, wenn es bereits naturwissenschaftliche Studien/Fakten/Belege dazu gibt?

Mr.Stielz schrieb:Nicht der abgeschossene Sack Reis verabschiedet sich von der Kanone; die scheinbar ruhende Kanone entflieht dem in der Luft ruhenden Sack Reis.

Das ist eine merkwürdige Interpretation. Hier lässt sich doch eindeutig belegen, welcher Körper sich bewegt und welcher nicht.

@Mr.Stielz

mh...das ist irgendwie schwierig so zu antworten. Also ich bezweifle es erstmal, dass es zur Allgemeinbildung gehört, dass man weiß, wie die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) aufgebaut ist - würde sogar soweit gehen und sagen, dass das Gegenteil eher der Fall ist :D. Man muss sich mit einigen theoretischen Konzepten auseinandersetzen, um zu sagen, dass alle Bezugssysteme gleichberechtigt sind. Denn eigentlich ist es eine sehr stark verkürzte Aussage. Eine etwas weniger verkürzte Aussage (aber immer noch krass verkürzt) wäre, dass alle Bezugssysteme lokal gesehen gleichberechtigt sind. Zum Beispiel ist die Beschleunigung an einem Punkt eines rotierenden Kreises äquivalent zur Schwerkraft von außen. Die Beschleunigung an einem anderen Punkt des Kreises ist jedoch gleichbedeutend mit der Schwerkraft aus einer anderen Richtung.