Entdeckung der Bewegungsgesetze

Die Auffassungen der Antike

Mit der Bewegung von Körpern beschäftigten sich schon griechische Gelehrte in der Antike. Sie suchten Antwort auf die Fragen, wie und warum sich Körper bewegen. ARISTOTELES (384-322 v. Chr.) unterschied verschiedene Bewegungen:

"Alles, was sich bewegt, bewegt sich entweder von Natur oder durch eine äußere Kraft oder vermöge seines eigenen Willens."

Daraus folgerte Aristoteles, dass schwerere Körper aufgrund ihres größeren Gewichtes schneller fallen:

"Die größere Menge Gold oder Blei bewegt sich schneller abwärts als die kleinere, und dasselbe gilt für alle schweren Körper."

Diese Auffassung deckt sich mit unseren Alltagserfahrungen: Ein schwerer Stein fällt wesentlich schneller zu Boden als eine leichte Feder. Die Verallgemeinerung dieser Alltagserfahrung ist jedoch falsch, obwohl sie sich nach ARISTOTELES fast 2000 Jahre lang bis ins Mittelalter gehalten hat.

Eine neue Entwicklungsetappe

Ein wesentlicher Anstoß für die Weiterentwicklung der Bewegungslehre ging von den im 14. Jahrhundert aufkommenden Feuerwaffen aus. Dies veranlasste auch Gelehrte, sich mit der Bewegungslehre des ARISTOTELES auseinanderzusetzen. Einer, der diese Widersprüche besonders deutlich herausgearbeitet hat und dabei die heute bekannten Bewegungsgesetze entdeckte, war GALILEO GALILEI.

Er überlegte sich folgendes Gedankenexperiment: Verbindet man einen schweren Körper A und einen leichten Körper B miteinander, dann müssten einerseits nach ARISTOTELES beide zusammen schneller fallen, da ihre Masse größer ist als die des schweren Körpers (Bild 2). Andererseits würde der leichte Körper die Bewegung des schweren hemmen, da er ja - ebenfalls nach ARISTOTELES - langsamer fallen soll. Also müssten auch beide zusammen langsamer fallen als der schwere Körper allein.

Diesen Widerspruch löste GALILEI, indem er davon ausging, dass alle Körper gleich schnell fallen müssen. Beobachtete Unterschiede sind nicht durch die Masse der Körper bestimmt, sondern durch den unterschiedlichen Luftwiderstand. In einem luftleeren Raum - im Vakuum - fallen alle Körper unabhängig von ihrer Masse gleich schnell.

Galileis Experimente

GALILEI genügte diese Feststellung jedoch nicht. Er wollte herausfinden, nach welchen Gesetzen die Fallbewegung abläuft und welche mathematischen Zusammenhänge zwischen Fallgeschwindigkeit, Fallweg und Fallzeit existieren. Er verwarf die zunächst aufgestellte Hypothese, dass zwischen dem Weg s und der Geschwindigkeit v direkte Proportionalität besteht und stellte dann die Vermutung auf, dass die Fallgeschwindigkeit proportional der Fallzeit und der Fallweg proportional dem Quadrat der Zeit ist, also gilt:
$\begin{array}{l}v~t\\ s~t^2\end{array}$

Diese Hypothese wollte er experimentell bestätigen. Der freie Fall ist jedoch eine sehr schnell ablaufende Bewegung, und es gab zur damaligen Zeit noch keine Uhren, die so kleine Zeitintervalle messen konnten. Deshalb musste GALILEI die Fallbewegung "verlangsamen". Dazu benutzte er eine geneigte Ebene, auf der er eine Kugel abrollen ließ, wobei er davon ausging, dass die Bewegung auf der geneigten Ebene und der freie Fall nach denselben Gesetzen ablaufen. In seiner Beschreibung zu den Experimenten heißt es:

"... auf einem Holzbrett von 12 Ellen Länge ... war ... eine Rinne von etwas mehr als einem Zoll Breite eingegraben. Dieselbe war sehr gerade gezogen, und um die Fläche sehr glatt zu haben, war inwendig ein sehr glattes und reines Pergament aufgeklebt; in diese Rinne ließ man eine sehr harte, völlig runde und glatt polierte Messingkugel laufen. Nach Aufstellung des Brettes wurde dasselbe einerseits gehoben, bald eine, bald zwei Ellen hoch; dann ließ man die Kugel durch den Kanal fallen und verzeichnete ... die Fallzeit für die ganze Strecke. Häufig wiederholten wir den einzelnen Versuch zur genaueren Ermittlung der Zeit und fanden gar keine Unterschiede, auch nicht einmal von einem Zehntel eines Pulsschlages. Darauf ließen wir die Kugel nur durch ein Viertel der Strecke laufen und fanden stets genau die halbe Fallzeit gegen früher. ... bei wohl hundertfacher Wiederholung fanden wir stets, dass die Strecken sich verhielten wie die Quadrate der Zeiten, und dieses zwar für jedwede Neigung der Ebene ..."

GALILEI bestätigte so seine Hypothese und fand die Bewegungsgesetze des freien Falls.

Das Experiment als Frage an die Natur

GALILEI war mit dieser Entdeckung aber auch der erste Wissenschaftler, der eine neue Denk- und Arbeitsweise in die Naturwissenschaft einführte. Er zeigte mit seinem Herangehen, dass man zu neuen Erkenntnissen nicht allein durch logische oder andere theoretische Überlegungen kommt, sondern dass man seine Überlegungen mit Experimenten überprüfen muss.

Experimente waren, wie auch andere körperliche Tätigkeiten, in der Antike bei Gelehrten verpönt. Diese Vorurteile gegenüber Experimenten waren noch in der Scholastik des Mittelalters anzutreffen. GALILEI machte sich darüber lustig:

"Sie würden als ehrfurchtsvolle und demütige Lakaien des Aristoteles alle Versuche und Beobachtungen der Welt ableugnen, ja sich weigern, dieselben mit anzusehen, um nicht ihre Richtigkeit bestätigen zu müssen. Sie würden sagen, die Welt sei, wie Aristoteles geschrieben hat, und nicht, wie die Natur es will."

Das Verdienst GALILEIs besteht aber nicht nur darin, das Experiment als Arbeitsweise in die Naturwissenschaft eingeführt zu haben, denn Beobachtungen und Versuche gab es schon vor seiner Zeit. Er hat vor allem die Stellung des Experiments im Erkenntnisprozess neu bestimmt. GALILEI führte Experimente auf der Grundlage klar formulierter Hypothesen durch. Das Experiment wurde eine gezielte Frage an die Natur, die von der Natur beantwortet wird.