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Mechanik - Trägheitskräfte |
| 1. Kurzbeschreibung Künstlerisches Objekt mit physikalischem Hintergrund. Setzen Sie die beiliegenden Murmeln oben auf die Spirale. Sie rollen immer schneller werdend die immer engeren Spiralwindungen hinein, um dann in dem unteren Teil an den wieder weiter werdenden Spiralen innen entlang zum Boden zu kommen. Die Fliehkraft drückt sie an die Spiralwindungen. Es hängt von den Anfangsbedingungen ab, ob die Murmeln zwischendurch hinunterfallen oder sich tatsächlich an den inneren Windungen halten können. Manchmal fällt die Kugel direkt hinunter, weil das Gewicht der Murmel die gesamte Spirale in Schwingungen versetzt. Daten: Höhe der Spirale: ca. 34 cm Durchmesser: 17cm |
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2. Etwas Physik
Lässt man eine Kugel auf einer schiefen Ebene losrollen, hängt es vom Winkel der schiefen Ebene und von der Masse (genauer: dem Trägheitsmoment) ab, wie schnell ihre Geschwindigkeit zunimmt.
Bei der Fliehkraftkugelbahn läuft die Kugel auf zwei Schneiden; dabei kommt es zusätzlich auf das Verhältnis des Kugeldurchmessers zum Schneidenabstand an. Die Kugel rollt nämlich nicht auf einem Berührpunkt, sondern auf zwei Berührpunkten auf den Schneiden. Je kleiner dieses Verhältnis ist, um so langsamer rollt die Kugel los. Man kann dies leicht mit Murmeln verschiedener Größe ausprobieren.
Oben am Anfang der Fliehkraftkugelbahn liegt die Kugel in zwei schrägen Schneiden. Der Kugeldurchmesser darf nicht zu groß sein (sonst fällt die Kugel zur Seite) und nicht zu klein (dann fällt die Kugel durch).
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Der Vektor der Gewichtskraft FG muss zwischen den Schneiden senkrecht nach unten zeigen. Rollt die Kugel auf den spiralförmigen Windungen los, kommt in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit senkrecht zu FG eine Fliehkraft Ff hinzu. Die beiden Kräfte addieren sich vektoriell. Zeigt die resultierende Kraft R zwischen die Schneiden, kann sich die Kugel halten. Da die Kugel immer schneller rollt und zusätzlich der Krümmungsradius abnimmt, wird die Komponente Ff immer größer, und die Resultierende zeigt immer mehr zur Waagerechten. Dies ist für die Kugel im unteren Teil der Fliehkraftkugelbahn auch unbedingt notwendig, da sie sich dort ohne Fliehkraft gar nicht halten könnte. |
Das Hinunterrollen der Kugel wird bei dieser Fliehkraftkugelbahn zusätzlich durch das Schwingen der Feder beeinflusst. Die Feder schwingt hauptsächlich hin und her, aber auch leicht nach oben und unten. Auf die rollende Kugel wirken zusätzliche Kräfte, die die bereits betrachteten überlagern. Dies kann zu gewissen Zeitpunkten dazu führen, dass die resultierende Gesamtkraft nicht mehr zwischen die Schneiden zeigt. Dann fällt die Kugel direkt nach unten. Wie schon oben erwähnt, hängt es empfindlich von den Anfangsbedingungen (Kugelgröße, Einlaufgeschwindigkeit, Anfangsschwingung) ab, wie sich das Gesamtsystem verhält.
Stark Verlag
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