Precision Gyroscope / Gyroskop

Gyroskope sind Kreisel, die in einen stabilen Rahmen eingespannt sind und mit einer Schnur angedreht werden, wodurch sie sehr hohe Drehgeschwindigkeiten erreichen, überaus stabil und lang anhaltend laufen und sich Lageänderungen im Raum spürbar widersetzen. So können sie sogar kleine Kunststücke vollbringen (s. unten). Darüber hinaus ist im Lieferumfang ein Ständer enthalten.

Die räumliche Stabilität der Achsen von Gyroskopen und allgemein von Kreiseln während der Rotation hat zwei Gründe: Trägheitsmoment und Drehimpulserhaltung.

Um das Trägheitsmoment zu verstehen, hilft folgende Überlegung. Jeder Körper widersetzt sich einer Änderung seines Bewegungszustandes. Bewegt sich ein Körper, muss man Kraft aufwenden, um ihn abzubremsen. Rotiert ein Körper, gilt dasselbe bezogen auf die Rotationsbewegung. Je größer die Masse des rotierenden Körpers und je weiter die Masse von der Drehachse entfernt, desto größer das Trägheitsmoment und umso schwieriger ist es, die Rotation zu bremsen. Dieses Gyroskop ist aus genau diesen Gründen mit einem zusätzlichen Gewicht ausgestattet.

Der Drehimpuls wiederum ist eine physikalische Größe, die ausdrückt, welche Geschwindigkeit und welche Richtung eine Drehbewegung hat. Er ist dabei eine wundersame Angelegenheit, denn er führt zu Effekten, die jeder Intuition zuwiderlaufen. Dies liegt daran, dass es sich um eine sogenannte Erhaltungsgröße handelt. Das wiederum bedeutet: Wirken keine äußeren Kräfte, so bleibt der Drehimpuls, wie er ist. Er ändert weder seine Richtung noch seinen Betrag.

Was geschieht, wenn jedoch eine äußere Kraft wirkt, ist weiter unten nachzulesen. So viel sei jedoch schon verraten. Ein leichter Schlag führt aufgrund der Drehimpulserhaltung nicht dazu, dass das Gyroskop einfach umkippt, sondern lediglich zu einer Ausweichbewegung.

Alle Tricks, die man mit einem Gyroskop machen kann, im Folgenden:

• Setzen Sie das Gyroskop in Bewegung, indem Sie die Schnur am Gyroskop einfädeln, aufwickeln und dann abziehen. Dann stellen Sie es auf den mitgelieferten Ständer. Versetzen Sie dem Gyroskop am oberen Ende einen leichten Schlag mit einem Messer oder Stab. Sie werden sehen, dass es nicht umkippt, sondern eine Ausweichbewegung vollführt. Diese wird Präzession genannt und äußert sich in einer Drehbewegung. Der Grund: Die Drehachse weicht senkrecht zur Richtung der einwirkenden Kraft aus. Auch ohne einen Schlag führt das Gyroskop nach kurzer Zeit eine Präzessionsbewegung aus, denn es wirkt ja auch die Schwerkraft auf die Kreiselachse.
• Das Gyroskop hat an einem Ende eine Einkerbung, am anderen Ende eine Delle. Bringen Sie das Gyroskop in Rotation und stellen Sie es mit der Einkerbung auf eine straff gespannte Schnur. Es kann auf dieser Schnur balancieren. Dasselbe gilt, wenn man es mit der Delle auf eine Spitze etwa von einem Bleistift stellt.
• Hängen Sie das Gyroskop an eine Schnur. Setzen Sie es in Bewegung und halten Sie es nur an der Schnur fest. Sie werden beobachten, dass es sich der Schwerkraft eine Zeit lang widersetzt und sich waagerecht in der Luft hält.
• Halten Sie das Gyroskop senkrecht und versetzen Sie es in Rotation. Legen Sie es dann hin. Wenn Sie ein zweites Gyroskop zur Hand haben, stellen Sie dies auf das erste.
• Alle vorgenannten Experimente funktionieren nur, wenn das Gyroskop sehr schnell rotiert.