Ein systemdynamischer Zugang zur Mechanik

Können Kräfte fliessen? Welche Kraft beschleunigt ein Auto? Wie erklärt man das Wechselwirkungsprinzip beim Flugzeug? Sucht man nach einer eindeutigen und widerspruchsfreien Definition der Kraft, kommt man rasch in Teufels Küche. Zudem ist die Kraft über den Weg mit der Energie und über die Zeit mit dem Impuls verknüpft. Nachfolgend wird anhand ausgewählter Beispiele dargelegt, wie man die Mechanik ausgehend von den Theorien des 20. Jahrhunderts konsistent und trotzdem anschaulich aufbaut. Dieser Zugang zur Physik, der auf dem Karlsruher Physikkurs, der Kontinuumsmechanik und der systemdynamischen Modellbildung beruht, ist über Jahrzehnte an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) entwickelt und mit grossem Erfolg ausgetestet worden. Falls Sie selber mit freudigem Eifer Physik unterrichten, seien Sie gewarnt. Sie werden auf neue Ideen stossen, die Sie nicht so schnell wieder loslassen, und Sie werden Zusammenhänge erkennen, die so intuitiv und selbsterklärend sind, dass Sie diese umgehend und ohne Rücksicht auf den zu erwartenden Aufwand in Ihren Unterricht einbauen wollen.

2005

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Die Relativitätstheorie hat nicht nur unsere Vorstellung von Raum, Zeit und Universum grundlegend verändert, sie stellt auch die irdische Mechanik auf ein neues Fundament. So wird die Gravitation nicht mehr durch eine unsichtbare Anziehungskraft der Erde verursacht, sondern entsteht durch die Relativbewegung gegen den freien Fall. Mit dem Relativitätsprinzip von Albert Einstein fällt auch der Unterschied zwischen Gravitations- und Trägheitskraft weg. Zweitens wird die Masse als grundlegende Menge durch die Energie und den Impuls abgelöst. Mit der Äquivalenz von Energie und Masse erfährt der Energiebegriff eine umfassende Neudefinition. Die Energie des 19. Jahrhunderts wird zu einer relativistischen Störgrösse, wobei die kinetische Energie und der Energietransport zwei verschiedene Ursachen haben, erste-re wird von der Masse und letztere vom Impulsstrom verursacht. Energie- und Impulsströme können nicht mittels einer bewegten Menge erklärt werden, denn sie hängen nicht mit den zugehörigen Dichten zusammen. Die hier vorgelegte Neudarstellung der Mechanik erweist sich in mehrfacher Hinsicht als vorteilhaft. Erstens werden die Newtonschen Gesetze in einen grösseren Rahmen eingebettet und können kaum mehr falsch interpretiert oder angewendet werden. Die so erzielte Einsicht in die Struktur der Punktmechanik lässt anerkannte Lehrbücher ziemlich alt aussehen. Die Neugestaltung erweist sich auch bezüglich des Lernerfolgs dem traditionellen Zugang weit überlegen. Statt Kinematik, Newtonsche Gesetze, Energie- und Impulssatz stufenweise einzuführen, wählt man ein komplexes Beispiel wie etwa eine Zugfahrt zwischen zwei Stationen und erklärt alle möglichen Aspekte anhand von drei sich ergänzenden Bildern. Die korrekte Begriffsbildung und die ganzheitliche Betrachtung mechanischer Prozesse bedeuten einen wesentlichen Fortschritt, der bis in die Statik wirkt. Wer die Belastung von Gebäuden und Brücken mittels Impuls- und Drehimpulsströmen erklärt, findet auf kürzestem Weg zu einem umfassenden Ver-ständnis der Bauwerke. Nimmt man noch die systemdynamische Modellbildung dazu, betritt man ein Neuland des Denkens, dessen Auswirkungen auf den Fachunterricht noch nicht mal abzuschätzen sind.

Published in Lucas Pawlik Wissenschaftspoesie 2009

System-Aufstellungen und ihre naturwissenschaftliche Begründung, 2020

In dieser Arbeit werde ich mich auf das Sichten, Auswerten und (Neu-)Bewerten veröffentlichter Publikationen (Experimente und Theorien) mit Bezug auf strategisches Management, Entscheidungsforschung, Intuition, aber auch darüberhinausgehend fokussieren. Untersucht wird alles, was im Kontext von SyA und Unternehmensführung in Bezug zu Entscheidungsfindung in komplexen Situationen steht und was andererseits zum Verstehen des dahinter liegenden Prozesses beitragen kann. Ergänzend dienen eigene SyA-Experimente mit zwei Experimentiergruppen als Beispiele, die zentrale Fragestellungen zur zugrundeliegenden Funktionsweise von SyA veranschaulichen sollen. Methodisch wird ein multi-disziplinärer Ansatz gewählt, der sich von den Wirtschaftswissenschaften über Soziologie, Psychologie, Neurowissenschaften, Chemie, Biologie bis hin zur Quantenphysik erstreckt. Verwendet wird der Ansatz der Grounded Theory (GT), bei dem "the researcher moves iteratively between the gaps observed in the phenomenal world and those observed in the extant literature" (Shepherd und Suddaby 2017: 65). Allgemeines Verständnis der Grounded Theory Bei der GT handelt es sich um eine explorative Forschungsmethode, die sich in sehr guter Weise eignet, durch ein systematisches Verfahren eine Theorie zu beobachteten Phänomenen zu entwickeln. Es handelt sich hiermit also um einen systematisch experimentellen Wirklichkeitszugang. Nach Strauss und Corbin ist eine GT "eine gegenstandsverankerte Theorie, die induktiv aus der Untersuchung des Phänomens abgeleitet wird, welches sie abbildet. Sie wird durch systematisches Erheben und Analysieren von Daten, die sich auf das untersuchte Phänomen beziehen, entdeckt, ausgearbeitet und vorläufig bestätigt. Folglich stehen Datensammlungen, Analysen und die Theorie in einer wechselseitigen Beziehung zueinander. Am Anfang steht nicht eine Theorie, die anschaulich bewiesen werden soll. Am Anfang steht vielmehr ein Untersuchungsbereichwas in diesem Bereich relevant ist, wird sich erst im Forschungsprozess herausstellen" (Strauss und Corbin 2010: 8) 16. Im Detail gelingt dies durch: "constantly comparing sets of data to gradually build a system of categories that can be linked to explain the process (grounded theory strategy)" (Shepherd und Suddaby 2017: 71). Aus Sicht von Strauss und Corbin ist diese Unterschiedlichkeit der Quellen solange kein Problem, solange die Prozesse der Erhebung und Beurteilung, überhaupt das gesamte Verfahren transparent gemacht werden (ebd. 4). Aus diesem Grund eignet sich 16 Das Vorgehensmodell der GT ähnelt methodisch der ‚Strategic Intuition' sowie der ‚Effectuation' in Bezug auf die Entscheidungslogik. Bei diesen drei Disziplinen orientiert man sich an einer Fragestellung und nicht an einem Ziel. Die Erkenntnis entsteht auf dem Weg, auf verschlungenen Pfaden und teilweise nach überraschenden Wendungen. Ein Zufall oder eine Einsicht, dass es sich um ein nützliches Prinzip handelt?

Science, 1999

2010

Wissen über dynamische Systeme: Erwerb, Repräsentation und Anwendung ____________________________ Springer-Verlag 1992

Die Systemphysik beschreibt die Hydrodynamik, die Mechanik, die Elektrodynamik und die Thermodynamik mit einem einheitlichen Formalismus. Dabei bildet die Bilanz von Primärmengen wie Volumen, elektrische Ladung, Impuls, Drehimpuls und Entropie in jedem dieser Gebiete ein zentrales Gesetz. Ausgehend von der Bilanz wird mit Hilfe der konsti-tutiven Gesetze (kapazitives, resistives und induktives Systemverhalten) für jedes der genannten Gebiete ein einheitlicher Formalismus entwickelt, der sich auch für die Beschreibung räumlich verteilter Systeme eignet. Die Energie wird kohärent und konsistent dargestellt und die zugehörige Bilanz als zweite Ebene über die die dynamischen Strukturen gelegt. Modellbildung und Simulation werden Im Fach „Physik und Systemwissenschaft“ ab erster Woche eingesetzt, um die Studierenden zu aktivieren, um ihnen die Zusammenhänge zu erklären und um sie zum eigenständigen Modellieren, Simulieren und Validieren von dynamischen Systemen anzuregen. Nach neun Jahren intensiver Entwicklungsarbeit darf behauptet werden, dass es weltweit keinen einführenden Physikkurs gibt, in dem die naturwissenschaft-liche Basis für Ingenieure derart konsequent aufgebaut wird wie in der Systemphysik.