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Physik im Alltag und Naturphänomene, Physikalisches Spielzeug & Freihandversuche

Vermeintliche Richtungsumkehr beim Kreisel

Wenn man einen rotierenden Kreisel des im Foto abgebildeten Typs bis zum bitteren Ende beobachtet, wird man eine auf den ersten Blick merkwürdige Beobachtung machen können. Kurz vor dem Ende der Drehung neigt sich die Kreiselebene so weit, dass der Rand der Kreiselscheibe den Boden berührt. Infolge der dabei auftretenden Gleitreibung wird der Kreisel so stark gebremst, dass er schließlich auf dem Rand der Kreiselebene noch einige Male abrollt bis er vollends zur Ruhe kommt. Bei diesem Übergang scheint eine Richtungsumkehr einzutreten. Die Rollbewegung scheint in umgekehrter Richtung zu erfolgen wie die ursprüngliche Drehung des aufrechten Kreisels.
Das scheint aber im Widerspruch zur Erwartung zu stehen, widerspräche auf jeden Fall dem Prinzip der Drehimpulserhaltung und kann daher nicht sein. Durch die Berührung mit dem Boden gibt der Kreisel einen großen Teil des verbleibenden Drehimpulses an den Boden ab. Das kann aber nicht dazu führen, dass der Boden Drehimpuls an den Kreisel abgibt, sodass dieser sich schließlich in umgekehrter Richtung bewegt.
Das was man als Richtungsumkehr beobachtet, betrifft nämlich nicht die Drehrichtung des Kreisels selbst. Das kann man sich vor Augen führen, wenn man auf die Kreiselscheibe einen Punkt markiert (siehe rechter Rand auf dem Foto). Er bewegt sich sowohl beim normalen Kreiseln wie beim „abrollenden“ Umlauf in Kontakt mit dem Boden in dieselbe Richtung.
Wer keinen Kreisel zur Hand hat, kann sich in kurzer Zeit selbst einen basteln. Dazu schneidet sie oder er sich eine Scheibe aus einem Stück Pappe aus. Dann wird ein Bleistift oder ein anderer runder Stab durch den Mittelpunkt der Pappe gesteckt. Wenn man das Loch kleiner als den Durchmesser des Bleistifts macht, wird er meist schon so stark festgeklemmt, dass eine weitere Fixierung nicht nötig ist. Wie weit man den Bleistift durchsteckt, damit der Kreisel optimal rotiert, muss man durch Probieren herausfinden. Dieser „Freihandkreisel“ lässt sich am besten dadurch andrehen, dass man ihn zwischen beide Handflächen klemmt und diese gegeneinander bewegt.
Man erkennt schließlich, dass beim Aufsetzen nicht der Kreisel selbst die Richtung ändert, sondern lediglich die Kreiselachse, die auf dem (gedachten) Kegelmantel umläuft. Und diese Umkehr ist eine physikalische Notwendigkeit, damit der Kreisel selbst seine Drehrichtung beibehalten kann. Die Markierung auf der Kreiselscheibe läuft langsam in der ursprünglichen Richtung weiter.

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Diskussionen

11 Gedanken zu “Vermeintliche Richtungsumkehr beim Kreisel

  1. Feine kleine Bastelanleitung anbei, aber wir werden den Kreisel vom Tiroler Roulette zum Nachmachen und -schauen nehmen!
    Neujahrsgruß von Sonja

    Verfasst von wildgans | 4. Januar 2021, 00:04
  2. Hier setzt es bei mir total aus:
    „… lediglich die Kreiselachse, die auf dem (gedachten) Kegelmantel umläuft. Und diese Umkehr ist eine physikalische Notwendigkeit, …“
    Wieso liegt/läuft die Achse auf dem Mantel? Für mich liegt eine Achse im Zentrum, der Mantel bildet die Hülle.
    Wie kann sich der fest verbundene Teil eines Dings in Gegenrichtung zum Rest drehen?
    Wie kann etwas lediglich Gedachtes eine physikalische Notwendigkeit darstellen?
    Sollten meine Fragen zeigen, dass es mir an physikalischer Grundbildung mangelt, so entspricht das sicher den Tatsachen. Ich erwarte nicht, dass du hier in deiner Antwort ein Grundstudium nachlieferst. Aber vielleicht gibt es irgendeinen für Laien verständlichen Lesehinweis?

    Verfasst von Ule Rolff | 4. Januar 2021, 09:17
    • Ja, ich sehe ein, dass einige Formulierungen eher für die Physiker*innen verständlich sind, die auch zu den Lesern meines Blogs gehören. Das Problem selbst kommt allerdings von Laien, die mich im Laufe der Jahre angemailt haben und mich „zwangen“ das Problem zu erklären, was hich hiermit nach der 3. Anfrage öffentlich mache, weil ich davon ausgehe, dass der scheinbare Widerspruch auch von anderen beobachen worden ist. Am besten ist wirklich, einen Kreisel in 5 Minuten aus einem Bierdecke u. Ä. und einem Bleistift zu bauen. und ihn ausrollen zu lassen. Dann sieht du das beschriebene Phänomen: Der auf dem Bierdeckel angebrachte Punkt läuft in umgekehrter Richtung um wie das obere Ende des Bleistifts.
      Zu deinen Fragen: Der lange Stiel, durch den die Achse des Kreisels verläuft, beschreibt bei der Schrägstellung einen gedachten Kegelmantel. Man sagt ja auch: Die Planeten laufen auf (gedachten) Ellipsenbahnen um die Sonne. Das ist eine physikalische Notwenigkeit, obwohl die Bahnen gedacht sind. Einen Lesehinweis zu diesem Phänomen kenne ich nicht, sonst hätte ich die Anfragenden darauf verwiesen. Ich glaube wirklich, dass sich ein Experiment lohnt.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 4. Januar 2021, 09:44
      • Das Phänomen selbst ist mir ganz vertraut, da ich alles und jedes, was dazu geeignet scheint, kreiseln lasse.
        Deine Erklärung hier macht mir das Gemeinte aber auch klar: dass die Achse den Mantel, auf den du dich beziehst, in der Vorstellung beschreibt, hatte ich im Ursprungsbeitrag nicht verstanden. Nun sehe ich das Verhältnis, in dem Achse, Mantel und Gedanke stehen. Danke sehr, Joachim.

        Verfasst von Ule Rolff | 4. Januar 2021, 10:15
      • Das beruhigt mich. 🙂

        Verfasst von Joachim Schlichting | 4. Januar 2021, 10:18
  3. Ich muss leider passen.
    Habe zwar einen Bierdeckelkreisel gebastelt, auch mit unterschiedlich langem Stil, sehe aber nur, daß am Schluß der Kreisel hin-und herschwappt.

    Verfasst von kopfundgestalt | 4. Januar 2021, 20:25

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