Faszinierende physikalische Phänomene: Wie funktionieren diese zum Nachdenken anregenden Objekte?

Die faszinierenden physikalischen Phänomene, die man auf einem Schreibtisch beobachten kann, beruhen fast immer auf einem einfachen Gesetz: Energieerhaltung, Temperaturunterschiede, Magnetfelder oder Pendelbewegungen. Das Newton-Pendel, der Stirlingmotor oder die magnetische Sanduhr faszinieren uns, weil sie unserer Intuition zu widersprechen scheinen. Hier erfahren Sie, was sich wirklich im Inneren dieser wissenschaftlichen Objekte abspielt und warum unser Gehirn davon nicht genug hat.

Warum faszinieren faszinierende physikalische Phänomene unser Gehirn?

Wir sind fasziniert, weil diese Objekte eine Lücke zwischen dem erzeugen, was wir erwarten, und dem, was wir sehen. Das Gehirn antizipiert ständig den weiteren Verlauf einer Bewegung; wenn die Realität ihm widerspricht, richtet sich die Aufmerksamkeit darauf, und der Wunsch zu verstehen entsteht.

Entwicklungspsychologen messen diesen Reflex übrigens bei Säuglingen: Angesichts eines „unmöglichen“ Ereignisses schauen sie deutlich länger hin. Beim Erwachsenen beschrieb der Psychologe George Loewenstein Neugier als einen Informationsmangel, den man ausgleichen möchte. Ein Objekt, das sich ohne Batterie oder sichtbaren Motor bewegt, füllt genau diese Lücke.

Schließlich gibt es den Reiz der Wiederholung. Man setzt das Pendel wieder in Schwung, dreht die Sanduhr um, und jeder Versuch überprüft eine Hypothese. Das ist im kleinen Maßstab der wissenschaftliche Ansatz selbst.

Newton-Pendel: Warum kommt nur eine Kugel wieder zum Schwung?

Nur eine Kugel kommt wieder zum Schwung, weil zwei Gesetze gleichzeitig eingehalten werden müssen: die Erhaltung des Impulses und die Erhaltung der kinetischen Energie. Bei identischen Kugeln und nahezu perfekt elastischen Stößen ist die einzige Lösung, die beide erfüllt, dass eine Kugel mit der Geschwindigkeit der Kugel austritt, die sie getroffen hat.

Konkret erzeugt der Aufprall eine Kompressionswelle, die die unbeweglichen Kugeln in einem Bruchteil einer Millisekunde durchquert. Die mittleren Kugeln verformen sich kaum und bleiben an ihrem Platz; die letzte, vor der nichts mehr steht, wird herausgeschleudert. Setzen Sie zwei Kugeln in Bewegung, so kommen auch zwei wieder zum Schwung, denn eine einzige Kugel, die doppelt so schnell wie die ursprüngliche Kugel geschleudert würde, würde gegen das Gesetz der Energieerhaltung verstoßen.

Die Vorrichtung trägt den Namen Newton, doch Stöße zwischen Pendeln wurden bereits im 17. Jahrhundert von Edme Mariotte, Christiaan Huygens und Christopher Wren untersucht. Newton lieferte 1687 in seinen Principia den theoretischen Rahmen dafür.

Warum kommt das Newton-Pendel schließlich zum Stillstand?

Es kommt zum Stillstand, weil bei jedem Stoß ein kleiner Teil der Energie das System verlässt. Das Geräusch, das Sie hören, ist Energie, die in Schall umgewandelt wird; der Rest entweicht als Wärme im Metall, durch Luftreibung und als Vibrationen der Fäden und des Rahmens.

Nach und nach beginnen auch die mittleren Kugeln gemeinsam zu schwingen: Die Stöße sind nicht perfekt elastisch und die Kugeln niemals absolut identisch. Ein gutes Pendel kann mehrere Dutzend Sekunden lang schwingen, niemals jedoch unbegrenzt.

Wie ein Stirlingmotor nur mit einem Temperaturunterschied funktioniert

Ein Stirlingmotor funktioniert, weil ein geschlossenes Luftvolumen abwechselnd erhitzt wird, wodurch es sich ausdehnt, und anschließend abgekühlt wird, wodurch es sich zusammenzieht. Diese Atmung des Gases treibt einen Kolben an, der mit einem Schwungrad verbunden ist und die Rotation aufrechterhält.

Das Prinzip wurde 1816 vom schottischen Pastor Robert Stirling patentiert. Im Gegensatz zu einem Benzinmotor verbrennt im Inneren nichts: Die Wärme kommt von außen. Ein zweiter Kolben, der Verschieber, leitet die Luft im richtigen Moment des Zyklus von der warmen zur kalten Zone.

Wichtig ist nicht die Wärme selbst, sondern der Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten. Einige sehr feine Modelle starten, wenn man sie auf eine Tasse heißen Kaffee stellt, andere auf der Handfläche. Wissenschaftliche Objekte zusammenzustellen, die ohne Batterie in Bewegung geraten, wie dieses hier, ermöglicht es, jede Komponente in ihrem Zyklus zu beobachten.

Wie der trinkende Vogel ganz allein trinkt

Der trinkende Vogel trinkt dank der Verdunstung von Wasser auf seinem Kopf. Beim Verdampfen kühlt das Wasser den Glaskopf ab; der Dampf des darin eingeschlossenen flüchtigen Flüssigkristalls kondensiert darauf, der Druck sinkt, und die Flüssigkeit steigt vom Bauch zum Kopf auf.

Der Schwerpunkt verschiebt sich, der Vogel kippt, und sein Schnabel taucht wieder in das Wasserglas ein. In der liegenden Position kommunizieren die beiden Behälter, die Drücke gleichen sich aus, die Flüssigkeit fließt zurück, und der Vogel richtet sich wieder auf. Der Zyklus beginnt von vorn, solange der Kopf feucht bleibt.

Es ist ein echter Wärmekraftmotor, der durch den Unterschied zwischen der Umgebungsluft und dem abgekühlten Kopf angetrieben wird. Er wird deutlich langsamer, wenn die Luft feucht ist, denn dann verdunstet das Wasser viel weniger.

Warum sich das Crookes-Radiometer durch Licht dreht

Das Crookes-Radiometer dreht sich, weil sich die schwarzen Seiten seiner Flügel stärker erhitzen als die hellen Seiten. Die wenigen Gasmoleküle, die noch in der Glaskugel verblieben sind, prallen auf der warmen Seite heftiger ab, insbesondere an den Rändern, und drücken das Flügel in die entgegengesetzte Richtung.

William Crookes stellte es 1873 vor und glaubte zunächst, dass ein von Licht ausgeübter Druck die Bewegung verursache. Tatsächlich würde der Strahlungsdruck das Rad in die andere Richtung drehen: mit den hellen Seiten nach hinten. Die Erklärung durch den thermischen Randeffekt, genannt thermische Transpiration, wurde 1879 von Osborne Reynolds und anschließend von James Clerk Maxwell aufgestellt.

Ein Teilvakuum ist unerlässlich: Bei zu viel Luft überwiegt die Reibung; bei einem zu starken Vakuum gibt es nicht mehr genügend Moleküle, die drücken können.

Wie Eisenspäne ein Magnetfeld sichtbar machen

Jedes Eisenkorn, das sich in der Nähe eines Magneten befindet, wird selbst zu einem kleinen Magneten und richtet sich entlang der Feldlinien aus. Die Körner ziehen sich vorder- und hinten aneinander und bilden Fäden, die die unsichtbare Form des Magnetfeldes zeichnen.

In einer magnetischen Sanduhr fällt der nicht magnetische Sand normal, aber das Eisenpulver wird über dem Magneten des Sockels zurückgehalten. Es stapelt sich zu Nadeln und Erhebungen, deren Form von der Menge des eingefallenen Pulvers, seiner Geschwindigkeit und dem Abstand zum Magneten abhängt: Zwei Umdrehungen ergeben niemals exakt dieselbe Skulptur.

Ein Objekt schweben zu lassen, ist eine andere Herausforderung. Ein von Samuel Earnshaw 1842 bewiesener Satz verbietet es, mit einfachen, festen Magneten eine stabile Levitation zu erreichen. Schwebende Monde und Kugeln umgehen dieses Gesetz mithilfe eines von einem Sensor gesteuerten Elektromagneten, der die Position mehrmals pro Sekunde korrigiert: Die schwebenden Objekte sind also servosysteme, keine Magie.

Wie ein Pendel Figuren in den Sand zeichnet

Ein Pendel zeichnet Rosetten, weil es selten in einer geraden Linie schwingt. Wird es mit einer leichten seitlichen Bewegung losgelassen, kombiniert es zwei senkrecht zueinander stehende Schwingungen und zeichnet Ellipsen, Sterne und Spiralen, die sich immer enger zusammenziehen, während die Reibung ihm Energie entzieht.

Diese Figuren gehören zur Familie der Lissajous-Kurven, die 1857 vom Physiker Jules Antoine Lissajous untersucht wurden, und zu den damals beliebten Harmonographen-Zeichnungen. Die Spitze macht lediglich eine Trajektorie sichtbar, die immer existiert, aber von den Augen nicht wahrgenommen wird.

Was ist der Unterschied zum echten Foucault-Pendel?

Das Pendel von Léon Foucault, das 1851 unter der Kuppel des Panthéon aufgehängt wurde, zeigte die Rotation der Erde: ein 67 Meter langes Seil, eine 28 Kilogramm schwere Kugel und eine Schwingenebene, die sich am Breitengrad von Paris um etwa 11 Grad pro Stunde dreht. Ein kürzeres und schneller dämpfendes Pendel für den Wohnraum kann dieses Phänomen nicht sichtbar machen: Es übernimmt lediglich die Geste und die Poesie, nicht den Beweis.

Was jedes Objekt demonstriert: Die zusammenfassende Tabelle

Häufig gestellte Fragen