Wie können wir helfen?
Dieses Experiment, das eine Art Minibeschleuniger ist und oft auch als Gauß’sche Kanone bezeichnet wird, besteht aus einer längeren Holzrinne und einigen gleich großen Stahlkugeln. Allerdings sind die Kugeln nicht alle gleich, einige “haben es in sich”. Reiht man einige Stahlkugeln in der Rinne aneinander und stößt aus einigem Abstand eine weitere Stahlkugel gegen diese, so sind viele Besucher nicht mehr überrascht, dass nicht alle Kugeln in Bewegung geraden, sondern nur die erste Kugel. Die restlichen bleiben mehr oder weniger liegen. Diese Besucher kennen dieses Verhalten bereits von einem anderen Experiment, das ebenfalls in der Mathothek zur Verfügung steht, nämlich von Newton’s Cradle oder Newtonpendel:
Mit den besonderen Kugeln, die es “in sich haben”, werden die meisten Besucher sehr überrascht reagieren, wenn die letzte Kugel – wie aus einer Kanone geschossen – mehrere Meter weit fliegt. Dabei wurde die andere Kugel nur ganz sacht gegen die Reihe gerollt. Diese Beobachtung scheint im Widerspruch zum Energiesatz zu stehen. Die Erklärung besteht darin. dass die erste Kugel der Reihe magnetisch ist, d.h. es handelt sich um eine Kugel aus Neodym-Eisen-Bor.
Schematisch mit m=magnetische Kugel und s=Stahlkugel sieht der Start folgendermaßen aus:
s………..mss………………………………………………………………………
und nach Anstoß der linken Kugel:
…………sms……………………………………………………………………..s
Die angestoßene Kugel wird durch die erste Kugel der Reihe, weil diese magnetisch ist, kurz vor dem Auftreffen sehr stark angezogen und damit beschleunigt. Ohne es zu bemerken, prallt sie somit großer Geschwindigkeit auf die ruhenden Kugeln. Zwar werden die Kugeln auf der anderen Seite der magnetischen Kugel auch von dieser angezogen, die äußere Kugel wegen des größeren Abstands weniger stark. Deswegen reicht der Impuls der aufprallenden Kugel aus, um die letzte Kugel aus dem Anziehungsbereich zu befreien und mit hoher Geschwindigkeit wegzuschießen.
Nimmt man für die heranrollende Kugel ebenfalls eine magnetisch Kugel, so wird die Geschwindigkeit zusätzlich erhöht. Bei zwei Magnetkugeln ist die Anziehung doppelt so groß wie bei einer Magnet- und einer einfachen Stahlkugel. Dann sieht die Situation folgendermaßen aus:
m………….mss………………………………………………………………………….
und nach Anstoß der magnetischen Kugel (ganz links):
………………mms………………………………………………………………………s
Eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit lässt sich dadurch erreichen, dass man die Kugeln in mehreren getrennten Gruppen anordnet und so für eine Kaskade von Stößen sorgt. In diesem Fall wird die bewegte Kugel aus dem ersten Stoß ein zweites Mal beschleunigt.
Den Beginn des Aufbaus des “Kaskadenexperiments” lässt sich schematisch folgendermaßen darstellen:
m………..mss…………mss……………………………………………………………………
Nach Anstoß der magnetischen Kugel sieht es dann so aus:
…………..mms…………sms…………………………………………………………………..s
Viel Spaß bei weiteren Versuchen!
m…………mss…………mss………….mss…………..mss……………………………….
Weitere Experimente und fachliche Erklärungen hierzu und zu anderen physikalischen Experimenten findest Du in dem sehr schönen Buch Spiel, Physik und Spaß von Christian Ucke und H. Joachim Schlichting.
Magnetismus ist eine für alle Menschen eine faszinierende Erscheinung. Das lässt sich auch in der Reaktion und an dem Interesse der Besucher der Mathothek beobachten. Neben der Gauß’schen Kanone gibt es noch viele weitere ähnliche Experimente in der Mathothek.
Hier einige Beispiele:
