Mit Fahrradkreisel und Drehschemel: Versuch zur Drehimpulserhaltung und zum Drehmoment
Der Drehimpuls ist eine physikalische Größe, die angibt, welche Richtung und Geschwindigkeit eine Drehbewegung hat. Er ist eine ganz und gar wundersame Angelegenheit, denn er führt zu Effekten, die jeder Intuition zuwider laufen (siehe Videos).
Dies liegt insbesondere daran, dass es sich um eine so genannte Erhaltungsgröße handelt. Das bedeutet:
Wirken keine äußeren Kräfte, so bleibt der Drehimpuls wie er ist. Er ändert weder seine Richtung noch seinen Betrag.
In dem Video rechts ist zum Beispiel eine Person auf einem Drehschemel zu sehen, die einen rotierenden Fahrradkreisel in der Hand hält.
Das System aus Rad-Person-Schemel dreht sich zunächst nicht und hat in der Horizontalen einen Drehimpuls von Null.
Dreht nun die Person die Achse des Fahrradkreisels um 90 Grad, ändert dies den Drehimpuls des Rades in bezug auf die Horizontale jedoch.
Da der Drehimpuls unter allen Umständen erhalten bleiben
muss - hier war er in der Horizontalen null - muss sich nun auch der Drehstuhl drehen - und zwar entgegengesetzt zum Drehsinn des Rades. In diesem Fall heben sich der Drehimpuls von Rad und Person gerade auf. Der Gesamtdrehimpuls ist wieder Null.
Es fällt auf, dass sich die Person langsamer dreht als das Rad. Dies liegt daran, dass die Größe des Drehimpulses nicht nur von der Geschwindigkeit der Drehbewegung abhängt, sondern auch davon, wieviel Masse etwas hat. Das bedeutet: Der Drehimpuls des schnell rotierenden Fahrradkreisels entspricht genau dem Drehimpuls des schweren Mann, der eine langsame Drehbewegung vollführt.
Auch beim Eiskunstlaufen spielt die Drehimpulserhaltung eine Rolle. Dreht ein Eiskunstläufer eine Pirouette, kann er die Geschwindikgeit der Rotation durch ausstrecken oder heranziehen der Arme an den Körper verändern. Je näher die Arme am Körper desto schneller.
Dies liegt daran, dass der Drehimpuls auch davon abhängt, wie die Masse um einen Körper verteilt ist. Je weiter weg die Masse von der Drehachse, desto größer der Drehimpuls. Zieht der Eiskunstläufer seine Arme an, würde der Drehimpuls also kleiner werden - und das darf nicht sein - wenn er sich nicht gleichzeitig schneller drehen würde.
Im Video rechts kann man gut die stabilisierende Wirkung des Drehimpules auf ein System beobachten. Die Aufnahmen wurden von Astronauten in der Schwerelosigkeit gemacht.
Das Video unten links zeigt einen einseitig frei aufgehängten Fahrradkreisel, der schwerelos scheint. Natürlich zerrt die Schwerkraft an ihm, aber anstatt nach unten wegzukippen, beginnt sich der Kreisel waagerecht um die Aufhängung zu drehen. Das bedeutet: Wirkt eine äußere Kraft auf das Rad - in diesem Fall die Gravitationskraft - so ist der Drehimpuls nicht konstant. Der Kreisel versucht der Gravitationskraft senkrecht auszuweichen und dies führt zu einer Kreisbewegung: der so genannten Präzession. Diese Präzession kann man bei jeden Kinderkreisel beobachten. Beim freihändigen Fahrradfahren kann man Präzessionsbewegungen auch selbst erleben.
Das Video unten rechts zeigt eine Vorlesung zum Drehimpuls am MIT (Länge: 47 Minuten). Im Video ist neben anderen Versuchen auch ein Koffer zu sehen, der sich ganz wundersam verhält. Warum? In seinem Innern befindet sich ein schnell rotierendes Schwungrad.
Ein Schiff, das auf Nichts schwimmt, und ein Ei als Stehaufkreisel
Die Physikshow der Uni-Bonn (links) zeigt wie ein Schiff aus Aluminium scheinbar auf Nichts schwimmt. Tatsächlich handelt es sich bei dem Gas in dem Glasbehälter um Schwefelhexafluorid, das eine sehr viel höhere Dichte als Luft besitzt.
Im Video rechts ist zu sehen, wie sich ein Ei plötzlich wie ein Stehaufkreisel verhält.. Mehr Eierversuche auf Experimentis, eine ausführliche Erklärung zur Physik des Stehaufkreisel und ein Artikel zu Kreiselphänomenen (pdf) .
