AW: Verständnisproblem beim Längenparadoxon
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Wir machen alle Messungen im Ruhesystem des Stabs vor der Bremsung. Wir nehmen einen Punkt des Stabs an x=0 und beschleunigen den so, dass er hinterher Geschwindigkeit -v hat (also im anderes System ruht). Bremsbeschleunigung und -Zeit, a0 und t0, kann man beliebig wählen, solange a0*t0=-v gilt. Erster Effekt: Gleichzeitigkeit Der Witz ist: Wir bremsen alle Punkte gleichzeitig im Endsystem, also mit einem Zeitversatz von t(x)=-vx/c² im Stabsystem. Ein benachbarter Punkt in Entfernung x bremst mit demselben Beschleunigungsprofil, aber schon zur Zeit -vx/c². In dieser Zeit fährt Punkt 0 eine Strecke von t(x)*v, die beiden Punkte nähern sich also um s1=-x*v²/c² an. Zweiter Effekt: Längenkontraktion Hätten wir den Stab spannungsfrei nach Born gebremst, dann wäre die Strecke x hinterher lorentzkontrahiert, also um s2=-x*v²/(2c²) kürzer. Der Punktabstand ist also real um Δx = s1-s2 = -x*v²/(2c²) geringer. Entsprechend baut sich im Stab eine Druckspannung von -E*Δx/x = E*v²/(2c²) auf, entsprechend einer Kraft von F=A*E*v²/(2c²), wenn A die Querschnittsfläche ist. In jedem Längenelement Δx wurde also die Arbeit -F*Δx/2 geleistet, also A*E*Δx*v²/(4c²), über den ganzen Stab A*E*L*v²/(4c²). Daher kommt die Energie, die am Schluss drinsteckt. Was ist jetzt mit instantan? Wir können die Beschleunigung a0 beliebig groß und t0 beliebig klein machen. Die einzige Bedingung, die für die Rechnung erfüllt sein muss, ist, dass die Kraft verzögerungsfrei an beiden Enden des Längenelements wirkt. Das bedeutet, dass die Lichtlaufzeit durch Δx sehr viel kleiner sein muss als t0, also c*Δx << t0. Wenn man den Festkörper als klassisches Kontinuum sieht, kann man Δx frei wählen und die Bedingung immer erfüllen, die Rechnung stimmt also. Wenn man sich aber Massenpunkte in einem diskreten Abstand Δx denkt, dann darf t0 nicht beliebig klein werden. Sonst stimmt zwar das Ergebnis, aber wir haben die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Kraft unterschlagen, hätten also gar nicht so rechnen dürfen. |
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Puh, ich versuche zu folgen:o
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Hätte man nicht auch einfach die Differenz zwischen Ruhelänge und lorentzkontrahierter Länge=komprimierter Länge rechnen können? Dann hätte es doch auch keine Näherung für kleine Geschwindigkeiten gebraucht? Aber ich mag mich irren. Zitat:
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Danke für die Mühe, wenn ich es halbwegs richtig verstanden habe, sagst (/berechnest) du, die Energie, die später im Stab steckt, musste ich beim Abbremsen reinstecken? Ich werde noch 2-3 mal drüber nachdenken, wäre natürlich hilfreich, wenn du etwas, was ich hier falsch interpretiert habe, korrigieren könntest. Gruß, OldB |
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Gruß, OldB |
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Das meinst du wohl dann auch hiermit: Zitat:
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Und wenn ich mich nicht völlig täusche, müsste das Ergebnis aus beiden Perspektiven übereinstimmen. Gruß, OldB |
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Schau mal: Der zurückgebliebene Beobachter im Stabsystem sieht, wie sich die Enden des Stabes annähern. Ein Beobachter auf dem Stab beobachtet das auch. Der Beobachter im Zielsystem sieht aber nur, dass die Entfernung zwischen Stabanfang- und Ende gleich bleiben. Der mag eine Kraft anlegen müssen -zweifelsfrei- damit sich der Stab nicht ausdehnt. Die dafür nötige Arbeit kannst du aber doch nicht über Kraft x Weg berechnen, da der Weg hier gleich Null ist. Auf das richtige Ergebnis kommen der zurückgebliebene Beobachter und der im Zielsystem nur indirekt, indem sie die Differenz aus tatsächlicher Länge und der Länge berechnen, die der Stab hätte haben müssen ohne die Kompression. Aber gut, du hast wohl recht und ich seh da was, was es nicht gibt, sehr wahrscheinlich sogar. Vielleicht fällt mir irgendwann mal ein besseres Beispiel ein (wahrscheinlich nicht:cool:). Trotzdem herzlichen Dank, ich hab auf jeden Fall hier und da noch was gelernt. Beste Grüße, OldB |
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Ich wollte das auch schon im beschleunigten Bezugssystem rechnen, den von Bernhard angesprochenen Rindler-Koordinaten. Das schien mir dann aber zu kompliziert, das ist ja nochmal eine andere Liga. |
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Ich war gerade dabei aufzugeben, daher bin ich "geringfügig" überrascht...:eek: |
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In dem Punkt habe ich mich wohl auf jeden Fall geirrt. Die Energiebilanz ist aus allen Perspektiven gleich. Das Ergebnis wäre dann allerdings auch, dass Energie zuviel da ist am Ende der Entschleunigung. (Aber siehst du ja offensichtlich anders als ich.) Vielleicht kann man das ganze Problem (, das nur ich sehe:confused:) auf ein sehr viel einfacheres Beispiel reduzieren, was aber prinzipiell das gleiche ist? Z.B. ein schlichtes Wasserstoffmolekül (Elektronen mal vernachlässigt). Wenn man die beiden Atome gleichzeitig beschleunigt mit gleicher Kraft, was passiert dann? Die werden beide erst mal im Zielsystem ruhen, oder? Dann erst, (oder zumindest nach Beginn der Beschleunigung, je nachdem wie schnell man die beschleunigt hat) treten WW ein. Zu Beginn der WW haben die beiden Atome aber immer noch ihre ursprüngliche Distanz, gesehen von einem Beobachter im System, in dem das Molekül vorher ruhte. Was soll jetzt passieren? Das Molekül müsste doch jetzt anfangen zu schwingen?! Und diese Schwingungsenergie ist ein kostenloses Energiepaket. Die wurde ja an keiner Stelle reingesteckt. Wenn ich hier total im Irrtum bin, bitte klär mich auf. Ich mach das nicht mit Absicht (höchstens aus Dummheit) und ich bin mir sicher, ich übersehe einfach was.. Gruß, OldB |
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Woher hast du denn die These, dass beim Ausdehnen der Leiter Energie von nöten ist und dabei Arbeit verrichtet werden muss? Die Längenveränderungen, die auf Grund der Lorentzkontraktion in der Relativitätstheorie resultieren, passieren doch grundlegen erstmal ohne Energie, und entstehen auch erstmal nur, weil sich ein System relativ zum anderen bewegt. Wenn du davon ausgehst, dass in der Leiter eine Ausdehnungsarbeit verrichtet wird, wenn sie gestoppt wird, musst du ja auch davon ausgehen, dass zuvor eine Kompressionsarbeit verrichtet wurde, als man sie relativ zur Garage auf ihre Geschwindigkeit gebracht hat. Soweit mir bekannt, resultieren die Längenveränderungen rein auf Grund von Raum und Zeit. Da gibts im übrigen was vergleichbares hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Pfeil-Paradoxon Zitat:
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So seh ich das, aber selber Denken und anderen Rat einholen ist nie schlecht. Ich kann mich nämlich auch irren... Grüsse^^ |
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Stell dir zwei Körper im Weltall vor, die sich relativ zueinander bewegen. Um eine Relativgeschwindigkeit von v=0 zu erreichen, müssen einer oder beide beschleunigen. |
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@OldB Das Wasserstoff Molekül eignet sich für diese Diskussion nicht, denn es kommen dann die QM und die kovalente Bindung ins Spiel.
Wenn es dir darum geht zu verstehen, was bei gleicher Eigenbeschleunigung vorne und hinten (z.B. bei einem Stab) passiert, dann schau dir doch das Bell's spaceship paradox an. Es wird hier mit Bezug auf die Relativität der Gleichzeitigkeit erläutert, warum bei gleicher Eigenbeschleunigung Spannung entsteht (und das Seil reißt). Die schon mehrfach erwähnte Bornsche Starrheit ist dann gewahrt, wenn die Eigenbeschleunigung a2 vorne gemäß a2 = a1/(1+ a1L'/c²) kleiner als die Eigenbeschleunigung a1 hinten ist. Nur dann ist der Stab spannungsfrei. Und mir scheint, daß es genau darum bei dieser ganzen Diskussion geht. Spannungsfrei heißt, daß die Lorentz-Kontraktion bei einer momentanen Relativgeschwindigkeit nicht zwischen gleichförmig und beschleunigt unterscheidet. |
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Aber da bekomm ich auch Energie raus. Ein Beispiel ohne Seil: Bremse die Raketen mit ausreichend Platz zwischen ihnen bis sie in Ruhe sind im Zielsystem. Wie im Bellschen Paradoxon. Jede Rakete für sich bornstarr aber beide Raketen aus Sicht des Zielsystems gleichzeitig. Mach das gleiche, aber fast ohne Abstand zwischen ihnen. Aufgrund der Lorentzdilatation werden die Raketen aneinander stoßen. Wenn die Triebwerke ausgebrannt sind werden sie aus dem Zielsystem betrachtet nicht ruhen, sondern bewegen sich mit einer kleinen Geschwindigkeit +v und -v. Da steckt dann unterm Strich mehr Energie drin, da ja noch in Bewegung. VG, OldB |
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Was soll "bornstarr aber beide Raketen aus Sicht des Zielsystems gleichzeitig" bedeuten? Ich denke, die Bornsche Starrheit eines Systems ist invariant. Deine Bemerkungen zur Energie verstehe ich nicht. Vielleicht können da andere kommentieren. |
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@OldB - du musst es gaaanz langsam und detailiert machen.
Damit meine ich, dass in der Regel eineige Annahmen gemacht werden, die du hier "verletzt". Und das hat nicht unbedingt etwas mit SRT zu tun. Ich erzähle jetzt eine Geschichte, und falls sie irgendwo nicht stimmt, melden sich schon Leute. :) Nehmen wir zwei Kugeln an (K1 und K2), die über einen elastischen Band miteinander verbunden sind. Wir wirken mit einer konstanten Kraft auf eine der Kugeln (K1) so, dass sie sich entlang der Verbindungslinie (entlang des Bandes) von der anderen anfängt zu bewegen. Die Kraft und damit die Beschleunigung und damit die (End-) Geschwindigkeit sollen klein bleiben, so dass wir die SRT gar nicht erst brauchen. Was passiert da? Wie sieht die Dynamik des Systems aus? Zunächst fängt K1 sich zu bewegen. Die Spannung im Band steigt, was die Beschleunigung bereits zu Anfang immer kleiner werden lässt. Denn die Spannung wirkt ja entgegen. Irgendwann erreicht diese K2 und diese fängt an sich auch zu bewegen. Aber diese zusätzliche Trägheit (Masse) erreicht den Punkt, wo die Kraft auf K1 wirkt nicht sofort. So beschleunigt K1 weiter und das Band spannt sich weiter. Irgendwann ist der Punkt erreicht (wir gehen davon aus, dass die Kraft nicht groß genug ist, um das Band zu zerreissen), an dem die Gegenkraft gleich der Kraft wird, und die Beschleunigung von K1 komplett aufhört. Diese Gegenkraft steigt aber noch eine Weile weiter, denn das Band ist zu diesem Zeitpunkt bereits "überspannt", so dass die Beschleunigung von K1 sogar umkehrt. So kommt es überhaupt dazu, dass das System anfängt zu schwingen. Und auf diese Weise hat man ein Teil der Arbeit von Anfang an nicht ausschliesslich in die Translationsbewegung reingesteckt, sondern auch in das "Feld" zwischen den Kugeln, das sie zusammn hält. Mit dem Ergebnis, dass sie schwingen und sich nicht so schnell vorwärts bewegen, wie man glauben würde. So in etwa. |
@JoAx
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Sonst würde ich hier ja nicht fragen, wenn ich selbst drauf käme. Zitat:
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@Timm Zitat:
Ich meinte auch nicht, dass das genau das gleiche ist. Zitat:
VG, OldB |
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Darin habe ich kein Problem gesehen, da die Ereignisse kausal nicht zusammenhängen. Macht die Natur nicht genau das gleiche? Daher kommen doch so Sachen wie Überspannungen erst Zustande. Wenn Signale sich unendlich schnell ausbreiteten würden, gäbe es keine Federschwingungen. Zitat:
Jetzt kommt aber durch die Längendilatation/-Kontraktion noch ein Effekt hinzu, der -wie du es so schön bezeichnet hast- die "Energie im Feld" eins zu eins kompensiert. Hier findet das "Vergessen" statt. Ja, in der Tat. |
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Wenn ich langsam einen Stab gleichzeitig bremse bzw. beschleunige, sehe ich ein, dass man mehr Energie reinstecken muss. Das mach ich imho aber schon indirekt dadurch, dass ich alle Massen, aus denen der Stab besteht, gleichzeitig beschleunige, da überall gleichzeitig die gleiche Kraft anliegt. Bei einer "normalen" Beschleunigung gemäß Bornscher Starrheit muss ich ja in Beschleunigungsrichtung vorn immer etwas weniger "Gas geben". Je weiter vorn desto mehr. Und die Differenz ist halt die Energie, die ich für die Dehnung/Stauchung investiere. Je größer die Differenz desto steifer das Material. Was mir (noch) nicht ganz klar ist: Was ist, wenn man sich den Stab nicht als Kontinuum vorstellt. Man könnte ja Felder statt Federn nehmen (ob's das besser macht, bin ich mir nicht sicher). Wenn jetzt zwei Massen K1 und K2 über Felder verbunden sind und die Beschleunigung halt so kurz dauert, dass eine WW (selbst) per LG nicht möglich ist, kommt dann am Ende trotzdem das richtige raus, wenn ich die ganzen verspäteten Signale auch berücksichtige oder passt da einfach das Modell nicht? VG, OldB |
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Du musst dich mal fragen - was willst du eigentlich wissen möchtest und ist das gewählte Gedankenexperiment imstande es zu liefern?
Alle diese Experimente mit der Starrheit dienen dazu, zu zeigen, dass die absolute Starrheit der Newtonschen Mechanik in der SRT nicht mal in Gedankenexperimenten vorkommen darf. Wenn dich die Energieerhaltung interessiert - dann gilt diese in der SRT genauso streng, wie bei Newton. Wenn bei "dir" etwas anderes rauskommt, must du nach einem Fehler suchen. Du kannst es locker als Forderung an dein (Gedanken-) Modell stellen. |
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