Fahrradkreisel und Drehschemel

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YO_ME_Fahrradkreisel_Drehschemel_DrehimpulsBei kaum einem anderen Versuch lassen sich Drehimpulserhaltung und Drehmoment so schön und amüsant erleben wie bei diesem Experiment mit einem rotierenden Fahrradkreisel – also einem waagerecht an der Nabe gehaltenen und in Rotation versetzten Vorderrad eines Fahrrades – und einem Drehschemel. Zur Erklärung: In dem Video unten wurde der Fahrradkreisel zuerst angedreht und dann der Person auf dem Drehschemel übergeben.

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 zuwiderlaufen. Dies liegt insbesondere daran, dass es sich beim Drehimpuls um eine sogenannte 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 ist eine Person auf einem Drehschemel zu sehen, die einen rotierenden Fahrradkreisel in der Hand hält. Bei diesem Experiment dreht sich das System aus Rad-Person-Schemel 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 bei null -, muss sich nun auch der Drehstuhl drehen – und zwar dem Drehsinn des Rades entgegengesetzt. So nämlich heben sich der Drehimpuls von Rad und Person gerade auf. Der Gesamtdrehimpuls ist also wiederum 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 von der Masse. Das bedeutet: Der Drehimpuls des schnell rotierenden Fahrradkreisels entspricht genau dem Drehimpuls des schwereren Mannes, der eine langsame Drehbewegung vollführt.

Auch beim Eiskunstlaufen spielt die Drehimpulserhaltung eine Rolle. Dreht ein Eiskunstläufer eine Pirouette, kann er die Geschwindigkeit der Rotation durch Ausstrecken oder Anlegen 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 kann nicht sein, wenn er sich nicht gleichzeitig schneller drehen würde.

Experimente zu Drehmoment und Drehimpuls kann man auch sehr gut mit einem Gyroskop machen. Versuche zum Gyroskop sind hier zu finden. Ein weiterer Versuch zum Fahrradkreisel ist hier zu sehen.