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FALLENDE KÖRPER BESCHLEUNIGEN GLEICHMÄSSIG

GALILEO GALILEI (1564–1642)

IM KONTEXT

GEBIET

Physik

FRÜHER

4. Jh. v. Chr. Aristoteles entwickelt Theorien über Kräfte und Bewegung, überprüft sie aber nicht experimentell.

1020 Der persische Gelehrte Ibn Sina (Avicenna) sagt, bewegte Körper hätten einen »Impetus« und würden nur durch äußere Kräfte gebremst.

1586 Der flämische Forscher Simon Stevin wirft zwei verschieden große Bleikugeln von einem Kirchturm, um zu zeigen, dass sie gleich schnell fallen.

SPÄTER

1687 In den Principia formuliert Isaac Newton seine Bewegungsgesetze.

1971 Der US-Astronaut Dave Scott führt Galileis Fallversuch auf dem Mond durch: Ein Hammer und eine Feder fallen wirklich gleich schnell.

Rund 2000 Jahre lang bezweifelte kaum jemand die Aussage von Aristoteles, dass Körper von einer äußeren Kraft in Bewegung gehalten werden und dass schwere Körper schneller fallen als leichte. Erst im 17. Jahrhundert prüfte der italienische Astronom und Mathematiker Galileo Galilei diese Ideen. Er erdachte Experimente zu der Frage, wie und warum Körper sich bewegen, und formulierte als Erster das Trägheitsprinzip, das besagt, dass Körper einer Bewegungsänderung einen Widerstand entgegensetzen und dass eine Kraft nötig ist, um sie zu starten, zu beschleunigen oder abzubremsen. Durch Zeitmessung zeigte er, dass die Fallzeit für alle Körper gleich ist, und erkannte die Bedeutung der Reibung beim Abbremsen der Körper.

Damals ließen sich Geschwindigkeit und Beschleunigung von frei fallenden Körpern nicht direkt messen. Indem Galilei Kugeln eine Rampe hinab- und eine andere hinaufrollen ließ, zeigte er jedoch, dass das Tempo der Kugeln am Ende der Rampe nicht vom Gefälle, sondern von der Starthöhe abhing, und dass die Kugel immer wieder ihre Starthöhe erreichte, ganz gleich, wie steil oder flach die Rampen waren.

Galilei verwendete für seine Versuche eine 5 m lange, reibungsarme Rampe. Zur Zeitmessung diente ein Wasserbehälter mit einem Hahn im unteren Teil. Während der Messung fing er das Wasser auf und wog es. Er ließ die Kugel von unterschiedlichen Punkten der Rampe aus starten und zeigte, dass die zurückgelegte Strecke vom Quadrat der gemessenen Zeit abhing, mit anderen Worten, dass der Ball die Rampe hinunter beschleunigt wurde.

Galilei zeigte, dass die Geschwindigkeit der Kugel am Ende der Rampe nur von der Starthöhe, nicht von deren Neigung abhängt. Die an den Punkten A und B gestarteten Kugeln sind unten gleich schnell.

»Zähle, was zählbar ist, messe, was messbar ist, und mache messbar, was nicht messbar ist.«

Galileo Galilei

Das Fallgesetz

Galilei schloss, dass Körper im Vakuum mit gleicher Geschwindigkeit fallen, und diese Idee wurde später von Isaac Newton weiterentwickelt. Auf größere Massen wirkt zwar eine höhere Gravitation, doch sie brauchen zur Beschleunigung auch eine größere Kraft. Beides gleicht sich aus, sodass in Abwesenheit anderer Kräfte alle fallenden Körper dieselbe Beschleunigung erfahren. Dass im Alltag Körper verschieden schnell fallen, hängt mit dem Luftwiderstand zusammen, der die Körper abhängig von ihrer Form und Größe unterschiedlich stark bremst. Ein Wasserball und eine gleich große Kegelkugel fallen anfangs gleich schnell, aber sobald sie in Bewegung sind, wirkt der Luftwiderstand, der beim Wasserball einen viel größeren Teil der abwärts gerichteten Gewichtskraft neutralisiert, sodass dieser stärker gebremst wird.

Galileos Beharren auf der Überprüfung von Theorien durch Beobachtung und Messung macht ihn – wie Alhazen – zu einem Begründer der modernen Wissenschaft. Seine Ideen ebneten den Weg für Newtons Bewegungsgesetze und untermauern unser Verständnis von Bewegungen im Universum, von Atomen bis hin zu Galaxien.

Galileo Galilei

Galilei stammt aus Pisa und wurde in einem Kloster erzogen. 1581 begann er ein Studium der Medizin, brach es aber ab und wechselte zu Mathematik und Naturphilosophie. Er arbeitete auf vielen Gebieten, aber am berühmtesten ist er wohl für die Entdeckung der vier größten Jupitermonde (die noch heute Galilei’sche Monde heißen). Seine Beobachtungen führten ihn dazu, das heliozentrische Modell des Alls zu unterstützen, das damals im Gegensatz zur kirchlichen Lehre stand. 1633 wurde er angeklagt und musste diese und andere Ideen widerrufen. Er wurde zu lebenslänglichem Hausarrest verurteilt. In dieser Zeit schrieb er die »Discorsi«, worin er seine Arbeiten zur Kinematik (Lehre der Bewegungen) zusammenfasste.

Hauptwerke

1623 Prüfer mit der Goldwaage (»Saggiatore«)

1632 Dialog über die beiden hauptsächlichen Weltsysteme

1638 Unterredungen und mathematische Demonstrationen über zwei neue Wissenszweige (»Discorsi«)