Das Kugelstoßpendel: Ein Physik-Spielzeug mit Kultstatus
Das Produkt Kugelspiel Newton Pendel ist ein simpel konstruiertes und dennoch geniales Physik-Spielzeug: Fünf einzelne Kugelpendel hängen genau in einer Reihe, so dass sie sich berühren. Dabei sind sie an jeweils zwei Fäden angebracht und können nur in einer Richtung schwingen. Lenkt man nun eine der Kugeln aus und lässt sie gegen die anderen prallen, so schwingen die Kugeln nicht einfach gemeinsam weiter wie man vielleicht meinen könnte. Im Gegenteil: Die eine Kugel, die gegen die anderen schlägt, kommt abrupt zum Stillstand. Dafür fliegt genau eine Kugel auf der gegenüberliegenden Seite des Kugelspiels weg.
Das Kugelspiel Newton Pendel: Physik zum Anfassen
Wiederholt man den Vorgang mit zwei Kugeln, so passiert dasselbe: Die zwei sich bewegenden Kugeln prallen auf die verbleibenden drei, kommen zu einem plötzlichen Halt. Dafür fliegen auf der anderen Seite des Kugelspiels genau zwei Kugeln weg.
Dabei stellen sich unmittelbar die folgenden Fragen: Wenn man zwei Kugeln auslenkt, warum fliegt auf der anderen Seite nicht einfach eine mit der doppelten Geschwindigkeit weg? Oder anders gesagt: Woher wissen die Kugeln, wie viele Kugeln zuvor angeflogen kamen?
Physik des Kugelspiels: Erklärung zur Newton Cradle
Zur (vereinfachten) Erklärung: Es handelt sich um einen elastischen Stoß, bei dem der Impuls und die Bewegungsenergie erhalten bleiben. Unter Impuls versteht man in der Physik das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Je größer die Masse und/oder die Geschwindigkeit, desto größer der Impuls. Umgangssprachlich kann man den Impuls auch als Wucht bezeichnen.
Betrachtet man den Vorgang im Detail, so stellt sich das Geschehen vereinfacht betrachtet wie folgt dar: Die erste Kugel überträgt zunächst ihren Stoßimpuls auf die zweite und kommt selbst zur Ruhe. Von der zweiten Kugel wandert der Impuls zur dritten, zur vierten und bis zur letzten Kugel. Diese kann den Impuls nicht mehr weitergeben und fliegt weg.
Die Energie bleibt (fast) erhalten, weil die Reibung vernachlässigt werden kann, ebenso wie der Drehimpuls. Entsprechend lang bewegt sich das Pendel. Lenkt man zwei Kugeln aus, so fliegen auch zwei Kugeln weg. Dies funktioniert selbst dann, wenn man vier der fünf Kugeln auslenkt. Auch in diesem Fall, schleudern auf der gegenüberliegenden Seite vier Kugeln weg, während eine (relativ) ruhig hängen bleibt.
Diese und andere spannende Fragen zum Kugelspiel Newton Pendel werden auf dieser Seite (englisch, download als pdf) detailliert diskutiert. Auch gibt es ein Paper, in dem die vereinfachte Erklärung zur Physik des Newton Pendels kritisiert wird, und zwar hier auf Englisch: Newton's Cradle in Physics Education.
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Zur Geschichte des Kugelstoßpendels
Das Kugelspiel Newton Pendel ist auch unter dem Namen Newton’s Cradle oder Newtons Wiege bekannt. Erfunden hat es im 17. Jahrhundert angeblich der französische Geistliche und Physiker Edme Mariotte. Zumindest spricht er in seinem Werk über einen solchen Aufbau. Der berühmte Physiker Sir Isaac Newton beschreibt in seiner Principia (Newton 1729/1960, S. 2225) ebenfalls eine Reihe von Experimenten, in denen er Kugelpaare aus unterschiedlichem Material aufeinandertreffen ließ, die an zwei Fäden aufgehängt waren. Edme Mariott wird dabei von Newton erwähnt.
Quellenangaben zum Newton Pendel:
Herrmann, F.; Schmalzle, P.: American Journal of Physics, v49 n8 p761-64 Aug 1981, https://doi.org/10.1119/1.12407
Gauld, Colin. (2006). Newton’s Cradle in Physics Education. Science & Education. 15. 597-617. https://doi.org/10.1007/s11191-005-4785-3.
Rod Cross, "Edme Mariotte and Newton's Cradle", The Physics Teacher 50, 206-207 (2012) https://doi.org/10.1119/1.3694067
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