Gaußkanone: Mit Gauß ins Ziel

Bei der Gaußkanone verwandelt sich eine Stahlkugel durch die geschickte Anordnung von Neodym-Magneten in ein Geschoss, das mit unglaublichem Tempo davonfliegt. Das zugrunde liegende Prinzip beruht auch auf den Arbeiten des überaus genialen Mathematikers Carl Friedrich Gauß, der einst mit seinem Porträt nebst der von ihm gefundenen Glockenkurve den 10-Mark-Schein zierte. So hat sich für magnetisch beschleunigte Projektile der Name Gaußkanone bzw. Gaußgewehr eingebürgert. Die hier gezeigte physikalische Spielerei wird auch liebevoll Küchenkanone genannt.

• Abschussrampe und Ziel aus Birnbaumholz
• je zwei Stahlkugeln und zwei Neodym-Magnetkugeln
• mit Anleitung
• Made in Germany

Die Funktionsweise ist denkbar einfach. Vorn auf der Rampe werden der Reihe nach die zwei Stahlkugeln und dahinter ein Neodym-Magnet platziert. Den anderen Neodym-Magneten lässt man von der Erhebung der Rampe rollen. Sobald man ihn loslässt, wird er aufgrund der magnetischen Anziehung stark beschleunigt. Entsprechend groß ist die Wucht, mit der die Neodym-Magnete aufeinandertreffen. Dieser Impuls überträgt sich auf die zuäußerst liegende Stahlkugel, die dann mit hohem Tempo Richtung Tor fliegt und dieses trifft - wenn man denn alles richtig gemacht hat.

Ähnlich funktioniert das Newton Pendel. Auch hier wird prallen Kugeln elastisch zusammen. Der Impuls und die Bewegungsenergie bleiben dabei erhalten und übertragen sich durch die Kugeln hindurch. Unter Impuls versteht man das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Je größer die Masse und/oder die Geschwindigkeit, desto größer der Impuls.

So funktioniert die Gauß-Kanone

Wie kann eine simple Anordnung aus Magneten und Stahlkugeln eine Kugel plötzlich beschleunigen? Das Prinzip ist einfacher, als es aussieht.

Stellen Sie sich einen Magneten vor, an dem rechts zwei Stahlkugeln anliegen. Von links nähert sich eine dritte Kugel. Auf dem Weg zum Magneten wird diese Kugel angezogen und dabei immer schneller – sie gewinnt kinetische Energie. Genau diese Energiemenge wäre nötig, um eine Kugel wieder vom Magneten zu lösen.

Beim Aufprall wird die Energie durch die Kugelkette übertragen – ähnlich wie bei Newtons Wiege, dem bekannten Kugelstoßpendel. Am Ende der Reihe braucht die letzte Kugel jedoch weniger Energie, um sich zu lösen, da sie am weitesten vom Magneten entfernt liegt. Die Differenz zwischen aufgenommener und benötigter Energie steckt jetzt als zusätzlicher Schwung in der auslaufenden Kugel – sie schießt schneller davon, als die erste Kugel ankam.

Reiht man mehrere solcher Magnet-Kugel-Einheiten hintereinander, wiederholt sich der Effekt: Jede Station gibt der Kugel einen weiteren Energieschub, sodass sie am Ende der Kette deutlich schneller unterwegs ist als am Anfang.

Bedeutet das, mit unendlich vielen Magneten ließe sich beliebig viel Feuerkraft erzeugen? Leider nein. Zwar wächst die kinetische Energie der letzten Kugel näherungsweise proportional zur Anzahl der Magnete (Reibung und Kollisionsverluste außer Acht gelassen). Nach der Formel E = ½mv² steigt die Geschwindigkeit aber nur mit der Wurzel aus der Magnetanzahl. Jeder zusätzliche Magnet bringt also immer weniger – vor allem, wenn man Energieverluste durch jede weitere Kollision mit einrechnet.

Unser Set kommt mit 2 Stahlkugeln und 2 Neodym-Magnetkugeln – genug, um das Prinzip eindrucksvoll zu demonstrieren, ohne dass Sie damit Wildtiere jagen oder die Nachbarn erschrecken könnten. Aber ein Publikum mit Supermagneten zu verblüffen, das gelingt garantiert.

Glücklicherweise findet das Prinzip des Gaußgewehrs heute keinerlei militärische Anwendung, auch wenn diese Art von Geräten in der Theorie existieren und darüber hinaus ein beliebtes Projekt für Bastler und Tüftler ist.

Die Projektile werden dabei jedoch in aller Regel nicht durch einen Magneten beschleunigt, sondern mittels elektromagnetischer Kräfte, die man durch eine Anordnung von stromdurchflossenen Spulen erzeugt. Die Nachteile sind offensichtlich. Erstens entsteht im Gewehr Wärme und außerdem benötigt es sehr viel Strom.

Je nach eingesetzten Projektilen spricht man übrigens von ferromagnetischen oder induktiven Gaußkanonen. Bei den einen ist das Projektil bereits magnetisch. Bei den anderen wird hingegen mit Wirbelströmen gearbeitet. Solche Wirbelströme kann man besonders gut bei der Lenz'schen Röhre erleben.