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Der Begriff Gyroskop bezeichnet ein Kreiselinstrument, das aus einem Kreisel besteht, der sich in einem Lager dreht. Das Gyroskop ist dabei nicht nur ein interessanten physikalisches Spielzeug, sondern war als Kreiselinstrument eine überaus wichtige Erfindung. Ohne diese Erfindung gäbe es heute beispielsweise keine Kreiselkompasse, die etwa für die Schiffahrt von großer Bedeutung sind, keine künstlichen Horizonte und keine Wendezeiger. Der Künstliche Horizont gibt in der Luftfahrt die Lage des Flugzeugs zur Erdoberfläche an und der Wendezeiger seine Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit.

Das besondere an einem Gyroskop: Wirkt auf das Gyroskop eine Kraft senkrecht zur Rotationsachse, versucht der Kreisel senkrecht dazu auszuweichen. Diese Bewegung nennt man Präzession und sie ist auf die Drehimpulserhaltung zurückzuführen. Ein Gyroskop kann daher die Lage seiner Drehachse im Raum erstaunlich stabil halten.

Das Gyroskop und seine Geschichte

Die Entwicklung des ersten Gyroskops, auch Bohnenberger Instrument, Bohnenberger Maschine oder Schwungmaschine genannt, wird Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831) zugeschrieben. Er war Mathematiker, Physiker und Astronom und hielt ab 1803 eine Professur in Tübingen inne. Ein noch erhaltenes Modell des von Bohnenberger um 1810 entwickelten Gyroskops bestand aus einer Elfenbeinkugel in einer aus drei Messingringen bestehenden Aufhängung. Mit einer Seidenschnur konnte man es abziehen und in schnelle Rotation versetzen. Das besagte Gyroskop von Bohnenberger wurde 2005 zufällig in der physikalischen Sammlung des Kepler Gymnasium in Tübingen gefunden und ist nun im Tübingen Stadtmuseum zu bewundern.

Der Name, der üblicherweise mit der Erfindung des Gyroskop in Verbindung gebracht wird, ist jedoch nicht der von Bohnenberger sondern der von Leon Foucault (1919 - 1968). Dies hat damit zu tun, dass es Foucault war, der den Begriff Gyroskop für diese Art von Kreiselinstrumenten einführte als er diese studierte. Das Wort Gyroskop ist eine Verbindung der griechischen Worte für γύρος - Drehung und σκοπεῖν - sehen.

Berühmt wurden die Studien von Leon Foucault zum Gyroskop, weil er 1852 auf Grundlage der Bohnenberger Maschine den Meridiankompass entwickelt. Foucault war nämlich aufgefallen, dass ein Gyroskop bestrebt ist, sich möglichst parallel zur Erdachse in Nordrichtung einzustellen. Der Meridiankompass arbeitet somit unabhängig vom Magnetfeld der Erde, da er sich nicht am magnetischen, sondern am geografischen Nordpol ausrichtet. Aus dieser bedeutenden Erfindung von Foucault wiederum ging der heute bekannte Kreiselkompass hervor.

Das Gyroskop als Physik Spielzeug

Als Physik Spielzeug wird das Gyroskop seit 1917 in den USA hergestellt. Es lässt sich mit einer Schnur abziehen und erreicht dadurch eine besonders hohe Drehgeschwindigkeit.

Versucht man jedoch die Achse des Gyroskop während der Rotation zu drehen, stellt man fest, dass das gar nicht so einfach ist. Vielmehr spürt man eine Widerstandskraft, denn die Kreiselachse möchte in ihrer ursprünglichen Lage verharren. Ebenso widersetzt sie sich das Gyroskop der Erdanziehungskraft und genau aus diesem Grund kann man mit dem Gyroskop ganz herrliche Tricks machen: Dazu gehören die Folgenden:

- Setzen Sie das Gyroskop in Bewegung, indem Sie die Schnur am Gyroskop einfädeln, aufwickeln und dann abziehen. Dann stellen Sie es auf den mitgelieferten Ständer. Versetzen Sie dem Gyroskop am oberen Ende einen sehr leichten Schlag mit einem Messer oder Stab. Sie werden sehen, dass es nicht umkippt, sondern die eben beschriebene Präzessionsbewegung ausführt, die sich in einer Drehbewegung auf dem Ständer äußert.

- Das Gyroskop hat an einem Ende eine Einkerbung, am anderen Ende eine Delle. Bringen Sie das Gyroskop in Rotation und stellen Sie es mit der Einkerbung auf eine straff gespannte Schnur. Es kann auf dieser Schnur balancieren. Dasselbe gilt, wenn man es mit der Delle auf eine Spitze etwa von einem Bleistift stellt.

- Hängen Sie das Gyroskop an eine Schnur. Setzen Sie es in Bewegung und halten Sie es nur an der Schnur fest. Sie werden beobachten, dass es sich der Schwerkraft eine Zeit lang widersetzt und sich waagerecht in der Luft hält.

- Halten Sie das Gyroskop senkrecht und versetzen Sie es in Rotation. Legen Sie es dann hin. Wenn Sie ein zweites Gyroskop zur Hand haben, stellen Sie dies auf das erste.



Der Rahmen des Gyroskopes ist übrigens nicht gebrochen, sondern wird aus Stabilitätsgründen in dieser Form hergestellt.

Mehr zum Thema "Drehimpuls" hier auf experimentis

Auszug aus einem Brief des Düsseldorfer Astronomen J.F. Benzenberg, im Dezember 1810:

„B[ohnenberger] zeigte mir eine artige Schwungmaschine, welche das Zurückweichen der Nachtgleichen [...] auf eine anschauliche Weise erklärt, und zugleich den physischen Grund davon zeigt. Eine kleine Erde von Holz und mit Blei ausgegossen, dreht sich um ihre Achse, und wird durch das Aufwinden einer Schnur so in eine rotierende Bewegung gesetzt, wie der Kräusel, mit dem die Knaben spielen. Die Pole sind in einen Ring befestigt, welcher Kompaßaufhängung hat, und sich frei nach allen Seiten drehen kann. Läßt man nun die Erde rotiren, so kann man mit ihr im ganzen Zimmer herum gehen, ohne daß sich die Richtung ihrer Rotationsachse ändert." In einem weiteren Brief vom Dezember 1810 heißt es: „Ich habe mir bei dem hiesigen Uhrmacher BUZENGEIGER eine BOHNENBERGERsche Schwungmaschine bestellt, welche er für eine Kleinigkeit von 12 Gulden sehr sauber gearbeitet liefert.“

 (aus einer Pressemeldung der Universitätsstadt Tübingen)

Quellen:

Dr. Alfons Renz, Fundus Tübinger Wissenschaftsgeschichte
Wikipedia

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