STAUNIKUM: Kugelballett und Drehimpuls

Wie verzaubert tanzende Kugeln

Sobald wir alle Kugeln zum Schwingen bringen, indem wir sie zeitgleich anschubsen, können wir etwas Spannendes beobachten: Die Kugeln tanzen unterschiedlich schnell und bewegen sich dabei in einer gleichmäßigen Wellenbewegung als hätten sie diesen Tanz vorher einstudiert. Doch was genau steckt wirklich hinter diesem Kugelballett? Sind die Massen der Kugeln unterschiedlich? Liegt es an den verschiedenen Farben oder vielleicht an der Größe der Kugeln?

Masse und Größe sind bei allen Kugeln gleich und haben keinen Einfluss auf dieses Phänomen. Auch die verschiedenen Farben spielen keine Rolle. Ausschlaggebend sind jedoch die unterschiedlich langen Fäden, an denen die Kugeln befestigt sind. Je länger der Faden, desto länger braucht eine Kugel für eine Schwingung. So entstehen großartige Muster!   

Die Zeit, die eine Kugel für eine Schwingung braucht, also für einmal hin- und herpendeln, nennt man Periodendauer. Diese hängt bei einem Pendel von Länge des Fadens ab, an welchem die Kugel befestigt ist und außerdem von dem Ort, an dem es steht. Doch wie ist das zu verstehen? Bedeutet das etwa, dass die Kugeln unseres Exponats sich anders bewegen würden, wenn wir sie ein paar Meter weiter platzieren würden? Die Antwort ist nein! Die Ortsabhängigkeit hängt mit der Schwerkraft, also die Kraft, mit der ein Gegenstand oder eine Person zu Boden gezogen wird, zusammen. Diese ist auch dafür verantwortlich, dass wir beim Hüpfen wieder auf dem Boden landen und nicht davonschweben. Auf der Erde ist die Schwerkraft überall ähnlich groß. Vergleicht man diese am Nord- und Südpol mit dem Wert am Äquator, kann man den größten Unterschied wahrnehmen. Ein weitaus größerer Unterschied ist aber zwischen zwei Planeten zu erkennen. Auf dem Mond würden unsere Kugeln ganz langsam tanzen, da die Schwerkraft dort viel geringer ist als auf der Erde.

 

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Freihändig Fahrradfahren dank Drehimpuls

Habt ihr die Scheibe so aufgestellt, dass der Griff waagerecht ist und sie dann schnell gedreht und dann losgelassen? Dann könnt ihr etwas Merkwürdiges beobachten: Die Scheibe bleibt aufrecht stehen und das macht sie nur, wenn sie sich dreht, wobei die Drehrichtung egal ist.

Diese physikalische Erhaltungsgröße wird als Drehimpuls oder auch Schwung oder Drall bezeichnet. Den Effekt kennst Du auch vom Fahrradfahren. Wenn Du fährst und man droht umzukippen, ist die Physik so „nett“ und lenkt das Fahrrad dorthin, wo man hin umzufallen droht. Deswegen kann man auch freihändig fahren, weil das (Fahr-)Rad die notwendige Ausweichbewegung macht. Das geht umso leichter, je größer und schwerere die Räder (Reifen) sind.

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