Freihandversuche

Die folgenden Freihandversuche dienen zur Veranschaulichung bzw. zum Nachdenken im Physik-Unterricht und können auch von Schülern ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden. Viel Spaß beim Nachbauen…


Der magische Doppeltrichter

Dieser aus zwei Trichtern bestehende Körper besitzt sogar die Fähigkeit bergauf zu rollen.

Natürlich kann er dies nur, weil sich sein Schwerpunkt während des Bergauf-Rollens senkt 😉


Einfache Magnetfeldsonde

Zur Veranschaulichung von Magnetfeldern eignet sich diese nur aus einer Büroklammer, etwas Klebeband und einer Schnur bestehende Magnetfeldsonde…


Die folgsame Garnrolle

Für dieses anschauliche Experiment wird lediglich eine Garnrolle benötigt.

Ihr Verhalten hängt ganz entscheidend vom Winkel α des Seils ab.

Bei kleinem Winkel α rollt/rotiert die Garnrolle nach rechts:

Bei einem bestimmten Winkel α rollt/rotiert die Garnrolle gar nicht, sondern sie rutscht nur:

Und ist schließlich der Winkel α groß, so rotiert die Garnrolle nach links:

Zu erklären ist dieses Verhalten mit dem wirkenden Drehmoment:

Ganz links im Bild wirkt durch den nach rechts gehenden Hebel r ein nach links wirkendes Drehmoment. Daher rollt/rotiert die Garnrolle in diesem Fall nach links. Im mittleren Bild zielt die Kraft genau auf den Auflagepunkt. Der Hebel r ist nun genau 0 und daher wirkt kein Drehmoment. Die Garnrolle rutscht nur nach rechts. Im rechten Bild zeigt der Hebel nach links und es kommt zu einem nach rechts wirkenden Drehmoment. Die Garnrolle wird in diesem Fall nach rechts rollen/rotieren.

Hier das Video zu diesem Experiment:


Ein Beschleunigungsmesser

Dieses Experiment ist finde ich besonders faszinierend, führt es doch seine Beobachter zunächst in die Irre. Man braucht dazu ein wasserdichtes Glasgefäß mit Schraubdeckel, eine Schnur, Wasser, einen Korken und Heißkleber. Der Aufbau ist sehr simpel:

Die Schnur klebt man zuerst an der Unterseite des Korkens fest und danach an der Innenseite des Deckels. Die Schnurlänge ist dabei so zu wählen, dass der Korken später dann ca. bei 2/3 der Glashöhe schwebt.

Bei der Durchführung des Experiments fragt man zuerst die Schüler, wohin sich der Korken wohl bewegen wird, wenn man das gesamte Glas in eine Richtung beschleunigt. Die allermeisten Kinder werden antworten, dass sich der Korken aufgrund seiner Trägheit in die Gegenrichtung zur Beschleunigung bewegen wird. Führt man dann den Versuch durch, so stellt man verwundert fest, dass sich der Korken genau in die Gegenrichtung, also in Richtung der Beschleunigung bewegt.

Bei einer Kreisbewegung bewegt sich der Korken also nicht nach außen, sondern nach innen! Warum ist dies so? Nun, das Wasser im Glas ist natürlich auch träge. Aufgrund der Beschleunigung wirkt dann auf das Wasser eine Trägheitskraft in die zur Beschleunigung entgegengesetzte Richtung. Dies führt dazu, dass der Wasserdruck entgegen der Beschleunigung wächst. Im Erdschwerefeld mit der Gewichtskraft nach unten wächst der Wasserdruck mit der Tiefe linear an. Hier wächst er durch die Trägheitskraft entgegen der Beschleunigung linear an. Dies hat zur Folge, dass auf beiden Seiten des Korkens nun ein unterschiedlicher Druck herrscht und somit eine (Auftriebs)Kraft in Richtung der Beschleunigung auf den Korken wirkt! Bremst man dann das Glas wieder ab, so drückt es den Korken nicht nach vorne, sondern nach hinten. Die wirkende Beschleunigung zeigt auch nach hinten. Der Korken zeigt also genau die Richtung der wirkenden Beschleunigung an…


Das Dosenrennen

Für dieses Experiment werden zwei gleich schwere und große Lebensmitteldosen und eine schiefe Ebene benötigt. Eine der Dosen soll einen dünnflüssigen Inhalt besitzen (z.B. eine Suppe), während der Inhalt der zweiten Dose dickflüssig/fest sein sollte (z.B. Chili con carne).

Diese beiden unterschiedliche  Dosen postiert man auf einer schiefen Ebene und lässt sie zeitgleich los. Die Dose mit dem dünnflüssigen Inhalt rollt schneller runter als jene mit dem festeren Inhalt. In der Ebene angekommen, holt aber die zunächst langsamere Dose wieder auf und überholt ggf. sogar die andere. Warum ist dies so?

Zu Beginn haben beide Dosen dieselbe potentielle Energie Epot = m·g·h. Diese wandelt sich beim Herunterrollen in kinetische Energie um. Dabei muss die kinetische Energie der Rotation (Rotationsenergie Erot = I·ω²/2) und die kinetische Energie der Translation (Ekin = m·v²/2) unterschieden werden. Der dickflüssige/feste Doseninhalt rotiert mit der Dose mit, wohingegen der dünnflüssige Inhalt zum Teil gar nicht an der Rotation teilnimmt. Demzufolge steckt beim festen Inhalt mehr Energie in der Rotationsenergie, sodass für die Translationsenergie weniger übrig bleibt und die Dose langsamer ist. Bei der dünnflüssigen Dose rotiert im Extremfall nur die Dose selbst, der Inhalt nicht. Daher steckt dort weniger Energie in der Rotation, dafür mehr aber in der Translation bzw. Geschwindigkeit. Man kann auch argumentieren, die Dose mit dem festen Inhalt habe ein größeres Trägheitsmoment I als die Dose mit dem dünnflüssigen Inhalt. Größeres I bedeutet aber kleineres v.

In der Ebene kommt der Dose mit dem festeren Inhalt ihre größere Rotationsenergie/ihr größeres Trägheitsmoment zugute. Das Reibungsmoment T aufgrund der Rollreibung der Dosenhülle ist bei beiden Dosen gleich und führt zu einer negativen Winkelbeschleunigung α nach T = I·α. Ist nun das Trägheitsmoment I bei der Dose mit dem festeren Inhalt größer, so resultiert dies in einer kleineren Winkelbeschleunigung. Die feste Dose verliert also weniger schnell an Rotation.

Es spielt aber auch die innere Reibung des Doseninhalts eine Rolle. Bei der dünnflüssigeren Dose reibt der ruhende Inhalt stärker an der Dose als beim mitrotierenden festen Inhalt. Dadurch sind die inneren Reibungsverluste bei der dünnflüssigen Dose größer und sie verliert schneller ihre Energie…


Schwärzer als Schwarz

Eine schwarze Oberfläche absorbiert Licht zu etwa 95%. In diesem Experiment werden wir sehen, dass es aber noch etwas bedeutend dunkleres als Schwarz gibt und zwar ein “schwarzes Loch”. Für diesen Versuch werden nur eine Kaffeetasse (Anmerkung: Deren Innenseite kann auch weiß sein) und ein Stück stärkeres, schwarzes Papier benötigt. In dieses schneidet man ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 4 mm aus.

Legt man nun das Papier mit dem Loch auf die Kaffeetasse, so erscheint das Loch deutlich dunkler als das schwarze Papier.

Es scheint also aus dem Loch viel weniger Licht zu kommen als vom schwarzen Papier reflektiert wird. Dies betrachten wir nun genauer:

Das eindringende Licht der Intensität I0 wird an der Innenseite der Tasse gestreut und trifft mit einer Wahrscheinlichkeit p auf das Loch und kann die Tasse somit wieder verlassen. Mit der Wahrscheinlichkeit 1 – p bleibt es aber in der Tasse und wird ein weiteres Mal gestreut. Man kann also folgenden Wahrscheinlichkeitsbaum aufzeichnen:

Für die Berechnung der mittleren wieder austretenden Intensität muss man die Einzelwahrscheinlichenkeiten mit den Einzelintensitäten multiplizieren und dann alles aufsummieren:

Man erhält also für die mittlere wieder aus dem Loch tretende Intensität einen Wert von 0.002 · I0, also einen “Reflexionsgrad” von 0.2%. Schwarze Oberflächen reflektieren zwar das Licht sehr schlecht aber immer noch mit ca. 5%. Wie man sieht, ist der Reflexionsgrad des Lochs deutlich geringer und dieses erscheint demnach verglichen mit dem schwarzen Papier deutlich dunkler/schwärzer…


Nicht-Newtonsche Flüssigkeit

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind eine faszinierende Klasse von Flüssigkeiten, die ein einzigartiges Fließverhalten aufweisen und sich dem traditionellen Verständnis der Fluiddynamik widersetzen. Im Gegensatz zu Newtonschen Flüssigkeiten, die einer linearen Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit folgen, weisen nicht-newtonsche Flüssigkeiten komplexe und oft unvorhersehbare Fließeigenschaften auf.

Ein Beispiel für eine solche anormale Flüssigkeit ist Maizena, pure Maisstärke. Diese löst man einfach in Wasser auf. Ich habe dazu 170 g Maizena mit 130 g Wasser vermischt.

Bei langsamen Bewegungen verhält sich die Mischung wie eine Flüssigkeit. So kann man etwa mit einer Zange oder einen anderen Gegenstand bei langsamen Bewegungen in die Mischung eintauchen und sich darin bewegen:

Stößt man mit der Zange aber schnell zu, so verhält sich die Mischung wie ein Festkörper und blockt diese schnelle Bewegung ab:

Kinder/Schüler sind ebenso fasziniert von diesem Verhalten wie ich und sie wollen alle ihren Finger einmal langsam und dann schnell in die Maizena-Wasser-Mischung eintauchen 😉


Hier folgen noch weitere spannende Freihandexperimente…