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Was ist ein Maxwellsches Fallrad?
Ein Maxwellsches Fallrad besteht aus einem schweren Rad mit einer Achse, an deren beiden Enden je ein Faden befestigt ist. Wickeln Sie das Rad vollständig auf, speichert es dabei potenzielle Energie. Lassen Sie es los, fällt es entlang der Fäden nach unten – deutlich langsamer als im freien Fall, weil ein Teil der Energie in Rotation umgewandelt wird.
Benannt ist das Gerät nach dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell, der es zur Veranschaulichung von Energieumwandlung und Trägheitsmoment nutzte. Es zählt bis heute zu den klassischen Demonstrationsexperimenten im Physikunterricht.
- ✓Zwei seitliche Fäden statt eines zentralen Fadens wie beim Jojo.
- ✓Deutlich höheres Trägheitsmoment als ein gewöhnliches Jojo.
- ✓Die Rotationsgeschwindigkeit nimmt während des Falls kontinuierlich zu.
Funktionsweise im Video
Am besten lässt sich die Bewegung des Maxwellschen Fallrads im Video nachvollziehen: Das Rad fällt zunächst langsam und beschleunigt spürbar, während seine Rotation kontinuierlich zunimmt. Am tiefsten Punkt angekommen, läuft der Vorgang automatisch rückwärts ab.
Die Physik: Energieerhaltung
Beim Aufwickeln wird das Rad gegen die Schwerkraft angehoben – dabei entsteht potenzielle Energie (Lageenergie). Lassen Sie das Rad los, wandelt sich diese Lageenergie beim Herabfallen in zwei Formen um: einen Teil in die Bewegungsenergie des Falls und einen Teil in Rotationsenergie, da sich das Rad gleichzeitig um seine eigene Achse dreht.
Am tiefsten Punkt der Fäden ist praktisch die gesamte Lageenergie in Rotationsenergie umgewandelt worden. Da die Fäden dort nicht reißen, sondern sich in umgekehrter Richtung wieder aufwickeln, treibt die Rotationsenergie das Rad anschließend wieder nach oben – die Umwandlung läuft rückwärts ab, bis das Rad fast seine ursprüngliche Höhe erreicht.
Der Unterschied zum gewöhnlichen Jojo
Ein normales Jojo benötigt am tiefsten Punkt einen zusätzlichen Energieeintrag durch die Hand, um wieder nach oben zu laufen – etwa durch einen gezielten Ruck am Faden. Beim Maxwellschen Fallrad ist das nicht nötig: Die Rotationsenergie wird am tiefsten Punkt automatisch wieder in Lageenergie zurückgewandelt, sodass das Rad von selbst erneut aufsteigt.
- 1Das Rad vollständig aufwickeln, sodass es oben an den Fäden hängt.
- 2Ohne zusätzlichen Schwung loslassen und den Fall beobachten.
- 3Am tiefsten Punkt steigt das Rad von selbst wieder auf, ganz ohne Zutun.
Das Prinzip zum Anfassen: Der Maxwellsche Papagei
Eine besonders charmante Umsetzung dieses Prinzips ist der Maxwellsche Papagei: ein Holzmobilé in Papageienform, das nach demselben Energieaustausch zwischen Lage- und Rotationsenergie auf und ab wandert wie ein klassisches Maxwellsches Fallrad – nur eben mit Flügeln statt einer runden Radform.
Physikspielzeuge zur Energieerhaltung
Diese drei Produkte greifen das Prinzip der Energieumwandlung auf unterschiedliche Weise auf und sind aktuell lieferbar:
Das Wichtigste auf einen Blick
- ✓Das Maxwellsche Fallrad wandelt Lageenergie in Rotationsenergie um und zurück.
- ✓Ein hohes Trägheitsmoment verlangsamt den Fall und macht die Bewegung gut beobachtbar.
- ✓Anders als beim Jojo steigt das Rad ohne zusätzlichen Energieeintrag von selbst wieder auf.
- ✓Der Maxwellsche Papagei überträgt das Prinzip in ein anschauliches Holzmobilé.
