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Reibung

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Das kinetische Objekt Toroflux von Jochen Valett, Teil 1 – Verschlungen wirbelnder Torus

H. Joachim Schlichting, Wilfried Suhr. Physik in unserer Zeit 53/5 (2022), S. 246 – 250

Ein aus einem Stahlband geknüpftes, torusartiges Objekt rollt, durch die eigene Gewichtskraft angetrieben, an einem Stab herab. Hinter diesem einfach anmutenden Vorgang verbirgt sich ein äußerst interessantes visuelles und physikalisches Geschehen.

Der Künstler und Konstrukteur Jochen Valett (1922– 2014) hat ästhetisch ansprechende und die physikalische Intuition herausfordernde kinetische Designobjekte geschaffen. Seine originellen Versionen raffiniert zu handhabender Kreisel, sowie seine künstlerische Umgestaltung des Wilberforce-Pendels wurden bereits in der „Spielwiese“ besprochen [1, 2]. Hier stellen wir eine weitere Kreation Valetts vor, die in ihrer Einmaligkeit, Ästhetik und physikalischen Raffinesse wohl als Krönung des Valettschen Schaffens angesehen werden kann: den Toroflux. Dieses kinetische Phänobjekt wird inzwischen weltweit als Spielzeug vermarktet, ohne dass die künstlerischen, ästhetischen und physikalischen Aspekte bisher eine angemessene Würdigung erhalten hätten. Im Folgenden wollen wir vor allem die wesentlichen physikalischen Hintergründe der teilweise äußerst erstaunlichen Phänomene herausarbeiten, die mit diesem ausgeklügelt gestalteten Stahlband hervorgebracht werden können.
 Nach der Erfindung des Toroflux hat Valett die Urversion in den 1980er-Jahren an einige Spielzeugläden verteilt, um diesen bekannt zu machen. Er wollte den Toroflux anschließend in größerem Maßstab vermarkten, was sich jedoch als Fehlschlag erwies. Wer den Toroflux zum ersten Mal in Aktion erlebt, kann sich kaum der Faszination entziehen, die von diesem filigranen, spindeltorusförmigen Edelstahlgebilde ausgeht. Dies gilt besonders, wenn man es um einen geschickt gedrehten Kreisring laufen lässt, wie es Valett vorgesehen hatte, und es so wie eine im Licht glänzende, überdimensionale Seifenblase gleichsam zum Schweben bringt (Abbildung 1). Um diesen stationären Zustand zu erreichen, muss der senkrecht gehaltene Ring durch Übergabe von einer Hand in die andere genauso schnell gedreht werden, wie der an der gegenüberliegenden Seite des Rings rotierende Toroflux an Höhe verliert. Ein deutlich hörbares Schnurren lässt erkennen, dass ein Teil der Energie durch die Wechselwirkung des Drahtgebildes mit der Luft dissipiert wird. Dies ist auch dadurch in den Händen zu spüren, dass der Rotor mit zunehmender Drehgeschwindigkeit schwerer zu werden scheint, als es seinem Gewicht entspricht – warum das so ist, werden wir später sehen.

 Im Nachhinein erscheint es merkwürdig, dass ein so raffiniertes und leicht zu handhabendes Phänobjekt nicht gleich zu einem Verkaufsschlager wurde. Es vergingen viele Jahre, bis der Toroflux zunächst in einer kleineren Version ohne den sperrigen und für den Verkauf hinderlichen Ring vermarktet wurde. Aber erst als der Toroflux vor allem über Youtube-Videos (zum Beispiel [3]) in faszinierenden Performances präsentiert wurde, setzte ein Hype ein, der inzwischen allerdings bereits wieder abgeebbt ist.
 In den Youtube-Videos geht es jedoch weniger um die stationäre Rotation an einem Stab oder Ring als vielmehr um den sportlichen bis tänzerischen Umgang mit dem Toroflux. Die Frage, welche physikalischen Vorgänge diesen raffiniert aus Stahlband geknüpften Torus zu derartigen Bewegungsfiguren befähigen, ist unserer Kenntnis nach bislang weitgehend unbeantwortet geblieben. Ihr wollen wir im Folgenden in einigen wesentlichen Aspekten nachgehen. In einer zweiten Folge widmen wir uns den optischen Effekten, die der Toroflux hervorbringt… weiter in: Das kinetische Objekt Toroflux oder preprint von mir.

Der rasende Knoten

Valett-Knoten: In der Mitte der Schraubenfeder, die in sich verdreht und an den Enden verschweißt ist, erkennt man ein dreieckiges Loch. Durch dieses kann ein Stab geführt werden.

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2022), S. 60 – 61

Du selbst entwirre dies, nicht ich:
Ein zu verschlungener Knoten ist‘s für mich

William Shakespeare (1564–1616)

Aus einer Schraubenfeder lässt sich ein einfacher Knoten schnüren. Diesen kann man entlang eines Stabs rollen lassen, was eine faszinierende dreidimensionale Drehbewegung hervorbringt.

Der Hauptzweck von Knoten besteht darin, etwas zu fixieren. Damit sichern sie paradoxerweise in vielen Bereichen des Lebens unsere Fortbewegung, ob beim Schnüren von Schuhen (»Spektrum« Juli 2017, S. 70), beim Segeln oder beim Bergsteigen. Selbst unsere Kleidung würde ohne sie auseinanderfallen. Nicht nur praktisch, auch theoretisch sind Knoten bedeutsam und bilden sogar ein eigenes Forschungsgebiet innerhalb der Mathematik. Während wir im Alltag eher Knoten mit offenen Enden verwenden, hat man es bei ihren mathematischen Gegenstücken mit in sich geschlossenen Schnüren zu tun.

So entsteht der einfache Überhandknoten dadurch, dass die beiden Enden eines Seils umeinander gewunden und dann festgezogen werden. Das kann jedes Kind. Solche Knoten werden erst dadurch mathematisch, dass man die freien Enden gedanklich miteinander verschmilzt (siehe »Überhandknoten«).

Knoten sind dreidimensional, auch wenn es normalerweise kaum ins Auge fällt. Denn die Schwerkraft lässt die meist schlaffen Fäden zu platten Gebilden zusammensinken. Der niederländische Grafiker M. C. Escher (1898–1972) hat sich damit beispielsweise in seinem Druck »Knoten« (1965) auseinandergesetzt und einfache Verschlingungen durch prägnante Schattierungen und Strukturierungen wieder erhaben erscheinen lassen. Andere Künstler haben Knoten gleich mit festen Materialien wie Metall und Stein als dreidimensionale Objekte gestaltet; im öffentlichen Raum finden sich viele ästhetisch ansprechende Umsetzungen. Notgedrungen geht bei den starren Werken die Funktion und Beweglichkeit üblicher Kordeln verloren. Doch das muss nicht immer so sein.

Angeregt durch den Escher-Knoten hat der deutsche Künstler Jochen Valett (1922–2014) nach eigenem Bekunden versucht, den eingefrorenen Versionen simpler Knoten nicht nur ihre naturgemäße Flexibilität zurückzugeben, sondern sie sogar zum Laufen zu bringen. Das ist ihm in Form seines »rasenden Knotens« auf eindrucksvolle Weise gelungen.

Dazu verwendete er anstelle eines Seils eine relativ weiche Schraubenfeder aus Stahldraht, verknotete sie und verschweißte die beiden Enden miteinander. Die Feder gibt dem Knoten einerseits ein Volumen, das in gewissen Grenzen dehnbar ist und stellt andererseits sicher, dass er nicht in sich zusammenfällt (siehe »Valett-Knoten«).

Das Besondere am rasenden Knoten besteht darin, dass man ihn an einem Stab hinab rotieren lassen kann. Dazu wird er mit seinem zentralen Loch stramm, also ein wenig gedehnt, über einen passenden runden Querschnitt geschoben. Damit der Knoten nicht einfach gerade herunterrutscht, muss die Dehnung eine genügend große Haftreibungskraft hervorrufen. Sie kompensiert das Gewicht der Stahlfeder. Gibt man dieser nun einen kleinen Schubs, so bewegt sie sich spiralförmig drehend am Stab hinab.

Das wird durch die Form der Öffnung möglich, die durch die drei innen liegenden Abschnitte gebildet wird. Die Tangenten in den Berührungspunkten der Knotenstränge sind schräg ausgerichtet und wirken wie eine Art Schraubengewinde.

Momentaufnahme: Der Knoten rotiert an einem Holzstab (links) und an einem Ring hinab (rechts).

Im Unterschied zu einer Mutter auf einer Gewindestange hat man es hier jedoch mit keiner Gleit- sondern einer echten Rollbewegung zu tun. Das heißt, wie bei Laufrädern eines Fahrzeugs legt der Punkt, mit dem die Rolle jeweils den Untergrund berührt, mit jeder Umdrehung eine Wegstrecke zurück, die der Länge des Umfangs entspricht. Ein normales Rad befindet sich stets nur an einer Stelle auf der Unterlage. Der verwundene Knoten hingegen berührt den Stab an drei verschiedenen Orten. Er rollt also gewissermaßen auf drei Fahrspuren gleichzeitig hinab.

Aus der Rollbewegung des Knotens ergibt sich zwangsläufig, dass er kein starres Gebilde sein kann. Er behält zwar seine äußere Gestalt und scheint während der Rotation als Ganzes in sich zu ruhen. In Wirklichkeit schlängelt sich allerdings das Band des Knotens sozusagen durch seine eigene Form hindurch. Markiert man auf dem abrollenden Knoten einen Punkt, so kann man verfolgen, wie sich dieser zyklisch umher windet.

Der Antrieb des Ganzen ist die Gewichtskraft des Knotens. Bei einem geraden Stab endet das Herabschrauben am Boden. Eine andauernde Bewegung erreicht man, indem man als Führung stattdessen einen großen Ring passender Dicke verwendet. Dieser wird dann so schnell in Gegenrichtung zum abrollenden Knoten gedreht wie letzterer an Höhe verliert (siehe »Momentaufnahme«).

Mit der Höhe des Knotens am gebogenen Ring ändert sich auch seine Achsenrichtung. Dementsprechend kommt jeweils nur eine mehr oder weniger große Komponente der Schwerkraft zur Geltung. Von deren voller Wirkung profitiert der Knoten lediglich dann, wenn seine Drehachse senkrecht ausgerichtet ist, er also in waagerechter Lage rotiert. Hier erreicht er die größte Drehgeschwindigkeit. Um ihn in der Position zu halten, muss der Ring entsprechend rasch in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden. Ansonsten sinkt der Knoten in eine tiefere Stellung. Weil sich seine Achse dabei allmählich schräg stellt, nehmen dann die Antriebskraft und damit die Geschwindigkeit des Knotens ab. Es stellt sich eine neue Höhe am Ring ein, bei der die Kräfte wieder gleich groß sind. Wegen dieser Rückkopplung hält sich das ganze Kunstwerk in einem fesselnden dynamischen Gleichgewicht.

Rätselfoto des Monats Mai 2022

Wie kommt es zu der Miniaturabbildung?


Erklärung des Rätselfotos des Monats April 2022
Frage: Wie kommt es zu solchen winderzeugten Strukturen?

Antwort: Die Häufchen bestehen hauptsächlich aus Weidenkätzchen, die in der letzten Zeit abgefallen sind und sich auf dem Boden zerstreut haben. Sie wurden durch wirbelnde Luftströme zusammengetragen. Diese kommen dadurch zustande, dass heftiger Wind zwischen einer Hauswand und einer hohen Hecke weht. Stellt man sich den Luftstrom aus einzelnen Schichten bestehend vor, so wird die an der Hauswand angrenzende Schicht durch Reibung gebremst und bleibt hinter den angrenzenden Schichten zurück. Die gebremste Schicht bremst ihrerseits die angrenzende Schicht und diese wieder die nächste Schicht. Die schichtweise verminderte Geschwindigkeit führt zu einer Rotation der Luft und damit zu Wirbeln. Etwas Ähnliches gilt für die an den Boden angrenzenden Schichten.
Die von der rotierenden Luft mit einer gewissen reibungsbedingten Verzögerung mitgerissenen Teilchen sammeln sich schließlich im Zentrum der Luftwirbel. Im Prinzip entstehen auf diese Weise auch Windhosen, Tornados und andere Wirbelwinde. Bei letzteren spielen Temperaturgradienten eine wesentliche Rolle.

Luftkissenboot auf dem Küchentisch

Wir sitzen in der Küche an unserem runden Tisch, der mit einer glatten Marmorplatte ausgestattet ist, und unterhalten uns (oberes Foto). Plötzlich bleibt mir das Wort im Hals stecken, als sich ein Topfdeckel, den ich aus irgendwelchen Gründen kurz vorher auf den Tisch gelegt hatte, wie von Zauberhand bewegt auf die Tischkante und damit auf den Abgrund zu strebt. Ich höre es schon scheppern und wollte gerade zugreifen, als er leicht über die Tischkante hinausragend von selbst stehen blieb. Im Nachhinein hätte ich mir das auch denken können.
Um es gleich vorweg zu sagen, es war nicht der Einfluss böser Kobolde, die in diesen Rauhtagen und -nächten ihr Unwesen treiben. Die Aufklärung lässt sich zum Glück ganz im Rahmen der herkömmlichen Physik geben. Weiterlesen

Wenn Wasser zum Schmiermittel wird

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 12 (2020), S. 70 -71

Vermehrung der Kraft
durch weichenden Widerstand

Novalis (1772 – 1801)

Reichert sich eine dünne Wasserschicht mit dem Abrieb mikroskopisch feiner Eispartikel an, macht das die Flüssigkeit zähflüssig und glitschig. Weiterlesen

Physik des Karussellkreisels – Doppeltes Drehspiel

Christian Ucke, Hans Joachim Schlichting. Physik in unser Zeit 51/3 (2020). S. 138-140

Kreisel müssen nicht unbedingt mit der Spitze auf einer festen Unterlage rotieren. Im hier vorgestellten Spielzeug bringen zwei hängende Kreisel durch eine raffinierte Reibungskopplung eine drehbar gelagerte Stange in Rotation, indem diese Drehimpuls von den Kreiseln übernimmt.

Der in der Abbildung 1  gezeigte Karussellkreisel besteht aus einem Ständer mit einer konkaven Einbuchtung oben, einer Haltestange sowie zwei daran angehängten Kreiseln. Die klassischen, per Hand anzudrehenden Holzkreisel enthalten in der Achse einen dünnen, zylindrischen Magneten, dessen ebene Stirnfläche mit dem Kreiselstiel oben abschließt. Die Haltestange hat mittig einen kurzen Stift mit einer kleinen Stahlkugel von ungefähr 2 mm Durchmesser am Ende, der in der konkaven Einbuchtung frei drehbar lagert. Weiterlesen

Eine kleine Physik rollender Tomaten

Wenn ich eine Tomate auf die flache Hand lege, rollt sie bereits bei einem sehr kleinen Neigungswinkel herunter – sofern sie nicht allzu stark von der Kugelform abweicht. Ein Quader von etwa derselben Größe würde erst bei einem sehr viel größeren Neigungswinkel hinunter gleiten, nämlich genau dann, wenn die mit der Neigung wachsende Komponente der senkrecht wirkenden Schwerkraft größer als die Reibungskraft zwischen Quader und Hand wird. Weiterlesen

Gefährliche Schräglage

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 7 (2019), S. 52 – 52

Ein kleiner Irrtum am Anfang
wird am Ende ein großer
Giordano Bruno (1548–1600)

Ist ein Sandhaufen zu steil, rutschen Teile von ihm ab. Doch was passiert mit größeren Objekten auf dem Hang? Ob sie am kritischen Winkel stabil liegen oder ins Gleiten geraten, hängt davon ab, wie stark sie den Untergrund deformieren.

Ein größer werdender Sandhaufen wird ab einer bestimmten Neigung nicht mehr steiler. Vielmehr stellt sich ein charakteristischer Schüttwinkel ein, indem oben aufgetürmter Sand hin und wieder in Lawinen niedergeht (siehe Foto …). Sie flachen den Haufen ab, so dass darauf wieder Sandkörner liegen bleiben können, bis der kritische Winkel erneut überschritten wird. In der nichtlinearen Physik spricht man bei solchen Phänomenen von selbstorganisierter Kritikalität. Weiterlesen

Zur Physik des Schuheschnürens -Kombinatorik und Physik von Knoten und Schleifen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 2 (2019), S. 78 – 81

Beim Schnüren von Schuhen kommt es zu einem physikalisch interessanten Zusammenspiel eines Flaschenzugs als Zugkraftverstärker und topologisch optimierten Reibungskräften, durch welche die jeweilige Schnürung mit wenigen Handgriffen durch Knoten fixiert und auch wieder geöffnet werden kann. Allerdings führt auch das Gehen selbst zum Öffnen der Knoten.

Knoten spielen in verschiedenen Bereich der aktuellen Physik eine zunehmend wichtige Rolle. Dabei wird oft auf Anschauungen zurückgegriffen, die im makroskopischen Bereich gewonnen werden, etwa beim Schnüren der Schuhe. Die dabei erlernten und rein intuitiv angewandten Techniken sind selbst ein interessanter Gegenstand der Physik und lohnen etwas genauer betrachtet zu werden. Sowohl dem Schnüren der Schuhe, dem Binden der Schleifen und dem notorischen Versagen der Schleife beim Laufen liegt ein subtiles Zusammenspiel zwischen topologischen, dynamischen und materialtechnischen Aspekten zugrunde… (bei Interesse vollständigen Text beim Autor anfordern).

PDF: Zur Physik des Schuheschnürens

 

Rätselfoto des Monats Dezember 2018

Wie kommt es zu diesen Lichtschweifen?

 


Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat:

Frage: Warum rotiert die Kugel fast reibungsfrei?
Antwort: Im öffentlichen Raum trifft man oft Kunstwerke in Form von rotierenden Steinkugeln an. Sie sind passgenau in eine sphärische Lagerung eingelassen und werden von einem dünnen Wasserfilm getragen. Dadurch wird die Reibung mit dem Untergrund so stark herabgesetzt, dass die oft tonnenschweren Kugeln mit Hand in Drehung versetzt werden können. Oft behalten sie diese Drehung sehr lange bei, weil sie wegen der großen Masse ein sehr großes Trägheitsmoment besitzen. Daher sind die wegen der geringen Reibung nur geringen Energieverluste kaum zu bemerken.
Das Wasser wird in der Mitte unter der Kugel in den Zwischenraum gepresst und tritt an der oberen Kante der Lagerung wieder aus. Bei den großen Kugeln im öffentlichen Raum ist man meist überrascht, wie gering die ausströmende Wassermenge und wie dünn der Wasserfilm sind. Eine Postkarte lässt sich normalerweise nicht in den Zwischenraum zwängen. Da solche Kugeln oft im öffentlichen Raum stehen, wird dies schon aus Sicherheitsgründen erforderlich, damit Kinder nicht ihre Finger dazwischen stecken können. Dieser geringe Zwischenraum bedeutet, dass die polierten Kugeln äußerst präzise gearbeitet sein müssen. Angesichts dieser Präzision kann man sie trotz der geringen Komplexität und der Gewöhnlichkeit des Materials als High-Tech-Produkte ansehen.
Der Druck, mit dem die Kugel in der Schwebe gehalten wird ist erstaunlich gering. Er wird dadurch aufrechterhalten, dass durch einen Zufluss in der Mitte der Kugelkalotte Wasser in den Zwischenraum gepresst wird. Dieses erzeugt einen Keil zwischen Kugel und Lagerung und trennt beide voneinander.

Wege 13: Serpentinen – schlängelnde schiefe Ebenen

Wenn man durch die Bergwelt Gran Canarias fährt oder gar wandert, fallen u.a. die Serpentinen auf, die sich an den Bergen entlang schlängeln. Das Schlangenhafte liegt auch dem Wort Serpentine zugrunde und ist sicherlich das auffälligste Merkmal, insbesondere dann wenn man die endlos erscheinende Kurverei selbst durchmacht. Von oben sieht dann alles sehr friedlich aus, auch deshalb weil man endlich oben ist.
Der Sinn des Schlängelns liegt in der Verringerung der Steigungen, was nur mit einer Verlängerung des Weges zu erreichen ist. Dadurch wird die zur Überwindung der Steigung aufzubringende Kraft reduziert, denn man muss pro Streckeabscnitt, also beim Gehen pro Schritt eine geringere Höhe überwinden. Das kommt sowohl dem Wanderer als auch den vornehmlich für die flache und nicht für die schiefe Ebene konstruierten Fahrzeugen zugute.
Physikalisch gesehen gehört eine solche schiefe Ebene zu den einfachen Maschinen. Dabei geht man im Idealfall davon aus, dass die aufzuwendende Energie unverändert bleibt: Die Kraftersparnis wird gewissermaßen durch eine Wegverlängerung erkauft.
Das bezieht sich allerdings nur auf die Höhenenergie. Denn zur Fortbewegung auf einer Straße ist zur Überwindung der Reibung ebenfalls Energie aufzuwenden und die ist natürlich umso größer, je länger die Straße ist.
Beim Wandern im Gebirge sieht man manchmal „wilde“ Abkürzungen zwischen zwei Windungen einer Serpentine. Sie zeugen davon, dass einige Wanderer den Weg verkürzen wollen. Sie machen sich dabei aber oft nicht klar, dass der Kraftaufwand entsprechend größer wird und sich à la longue in körperlicher Erschöpfung äußern kann, bevor das Ziel erreicht ist.

Rätselfoto des Monats November 2018

Warum rotiert die Kugel fast reibungsfrei? Weiterlesen

Wirbel in der Teetasse

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 6 (2018), S. 62 – 63

Subtile spiralförmige Strömungen in umgerührtem Tee schichten darin verbliebene Blattstücke zu einem kleinen Häufchen in der Mitte des Tassenbodens auf.  Weiterlesen

Was bleibt vom Fidget-Kreisel?

Der Hype mit dem Fidgetkreisel ist weitgehend vorbei. Man wischt sich die Augen und fragt: War das alles? Oder etwas konstruktiver: Was bleibt? Eines bleibt auf jeden Fall; das ist die Idee, einen Kreisel mit einem Kugellager zu versehen. Weiterlesen

Unverhoffte Rutschpartien

Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 11 (2017) S. 56 – 57

Feuchtes Blattwerk und anderes Pflanzenmaterial kann die Reibung zwischen Schuhsohle und Untergrund plötzlich stark verringern.

Sitzen bleiben schützt allerdings
gegen die Gefahr, zu fallen.

Friedrich Hebbel (1813 – 1863) Weiterlesen

Wenn Schnürsenkel versagen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 7 (2017), S. 70 – 71

Das Sein ist eine aus lauter Knoten
bestehende Linie

Friedrich Hebbel (1813–1863)

Egal, wie fest man die Schleife bindet, irgendwann öffnet sich beim Laufen jeder Knoten. Das geschieht meist innerhalb weniger Schritte, wenn sich unscheinbar kleine Effekte plötzlich katastrophal aufschaukeln. Weiterlesen

Spielereien mit kleinen Stabmagneten

H. Joachim Schlichting. In: Physik in unserer Zeit 3 (2017), S. 150 – 151

Zwingt man Stabmagnete, sich mit gleichnamigen Polen gegenüberzustehen, so kommt es zu paradox anmutenden Phänomenen. Ihnen liegt ein subtiles Zusammenwirken von magnetischer Anziehung und Abstoßung sowie mechanischen Drehmomenten und der Reibung zugrunde. Weiterlesen

¿Por qué se arrugan los dedos mojados?

Alles-im-GriffSchlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 7 (2016)

Física y evolución del refinado mecanismo que emplea nuestro cuerpo para impedir que las cosas se nos resbalen de las manos en ambientes húmedos.

Algunas expresiones del lenguaje cotidiano tienen su origen en el pasado remoto. «Cuando manejamos una situación, tratamos de que las cosas no se nos vayan de las manos y no permitimos que nadie nos manipule»; en frases como esta, nuestra forma de hablar refleja una función ancestral y clave para la supervivencia del ser humano: la de asir y utilizar objetos con las manos.
Entre las circunstancias aprovechadas por la selección natural para dotarnos de un agarre firme se encuentran las fuerzas de rozamiento entre la mano y el objeto en cuestión. Aun así, en ocasiones necesitamos una pequeña ayuda. Por ejemplo, si mientras cavamos nos escupimos de vez en cuando en las manos, aumentaremos la fricción entre ellas y el mango de la pala. Sin embargo, que las manos húmedas proporcionen un mejor agarre es más bien una excepción. Los gimnastas espolvorean en sus manos carbonato de magnesio, también conocido como magnesita, con el fin de absorber la transpiración y aumentar así el rozamiento.
¿En qué casos son el rozamiento y el agarre mayores y cuándo menores? De preguntas como esta se ocupa la tribología de la piel, que en los últimos años se ha convertido en una disciplina por derecho propio que, de hecho, ya nos ha ofrecido algunas ventajas prácticas. Hasta hace poco, ponerse crema en las manos significaba estar dispuesto a que se nos escurriese cualquier objeto de ellas. Hoy, sin embargo, ya hay cremas para la piel que garantizan un buen agarre inmediatamente después de su aplicación.

¿Adaptación evolutiva?
El grado de rozamiento entre dos objetos no solo depende de los respectivos materiales, sino también de la morfología de las superficies en contacto. Un ejemplo lo hallamos en las arrugas que aparecen en las manos y los pies después de un largo baño. Normalmente contemplamos este fenómeno con mayor o menor disgusto, pero ¿se trata realmente de un defecto? ¿O acaso nos beneficiamos de él, como cuando lavamos los platos y estos no se nos resbalan? Justamente por esa razón, las pinzas de sujeción de numerosas herramientas presentan superficies estriadas, ya que así su agarre resulta más firme. Así pues, ¿se debe la aparición de estas arrugas a las ventajas evolutivas que conlleva? … Weiter

 

Alles im Griff

SchrumpelSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 11 (2014), 54 – 55

Dass uns Dinge in feuchter Umgebung einfach aus der Hand rutschen, weiß der menschliche Organismus raffiniert zu verhindern.

Ich kann es wohl begreifen
aber nicht anfassen und umgekehrt
Georg Christoph Lichtenberg (1742 – 1799)

Schrumpelige Haut erhöht die Reibung zwischen einer Hand und einem von ihr ergriffenen Objekt, während Füße mit »Profil« besseren Halt auf dem Boden finden. Besonders wichtig ist dieser Umstand bei Nässe. Ist der Schrumpeleffekt Ergebnis einer evolutionären Anpassung?

PDF: Alles im Griff

Achtung Aquaplaning

GranitkugelSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 4 (2014), S. 202 – 203

Große rotierende Granitkugeln im öffentlichen Raum sind entgegen allem Anschein High-Tech-Produkte. Sie driften auf einem sehr dünnen Wasserfilm. Die Kugel muss daher äußerst präzise gearbeitet sein.

Rotierende Kugeln aus Granit und anderen Materialien trifft man im Großen wie im Kleinen als Kunstwerke und Designobjekte an, vor allem in privaten und öffentlichen Gärten und Gebäuden. Sie sind passgenau in eine sphärische Lagerung eingelassen und werden von einem dünnen Wasserfilm getragen. Das Wasser wird in der Mitte unter der Kugel in den Zwischenraum gepresst und tritt an der oberen Kante der Lagerung wieder aus. Bei den großen Kugeln im öffentlichen Raum ist man meist überrascht, wie gering die ausströmende Wassermenge ist. Die Kugeln können auf diese Weise fast reibungsfrei auf dem Wasserfilm rotieren, was besonders eindrucksvoll bei großen Exemplaren mit einem Durchmesser von rund einem Meter und einem Gewicht von mehr als einer Tonne ist. Mit geringer Anstrengung in die lassen sie sich beliebig drehen. Weiterlesen

Allerlei Reiberei – Freihandexperimente mit Magnetkreisel

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften- Physik 41/2, 9 (1992).

Magnetkreisel sind Kreisel, deren Achse magnetisch ist. Entweder ist die Kreiselachse selbst ein dünner Stabmagnet, oder die Kreiselscheibe besteht aus einem Ringmagneten, (seine Pole liegen auf der Symmetrieachse), durch dessen Loch ein Eisenstab als Achse gesteckt wird . Ein solcher Kreisel vermag überraschende Phänomene hervorzubringen, wenn man ihn mit Eisengegenständen wechselwirken läßt.

PDF: Allerlei Reiberei – Freihandexperimente mit Magnetkreisel

Die List der Trägheit

Schlichting, H. Joachim. In: Naturwissenschaften im Unterricht- Physik 39/10, 16-17 (1991).

Es wird ein Freihandversuch vorgestellt, an dem wesentliche Eigenschaften des Trägheitsprinzips erkennbar gemacht werden können. Im Anschluß daran, wird gezeigt, daß in zahlreichen Alltagssituationen in intuitiver Weise von diesem Prinzip Gebrauch gemacht wird.

PDF: Die List der Trägheit

Untersuchungen zur Energetik des Fahrrads

Schlichting, H. Joachim; Nobbe, Reinhold. In: technic-didact 8/4, 225 (1983).

Die folgenden Ausführungen sind als Fortsetzung des in dieser Zeitschrift erschienenen Artikels „Physik des Alltags am Beispiel der Energetik des Fahrrads“ /3/ zu verstehen. Eines der wesentlichen Ergebnisse dieses Beitrages bestand darin, daß unter den gegebenen Bedingungen die Rollreibung nur bei niedrigen Geschwindigkeiten einen größeren Einfluß auf die aufzubringende Leistung hat. Bei einer Geschwindigkeit von 13,5 km/h sind Rollreibung und Luftwiderstand gleich groß. Bei höheren Geschwindigkeiten dominiert der Luftwiderstand /vgl. 3; Bild 3/. Beispielsweise hat die Rollreibung bereits bei 30 km/h mit einer Leistung von 29 W nur noch einen Anteil von 17 %an der
Gesamtleistung von 174 W. Es ist daher von großem Interesse, die Einflüsse auf den Luftwiderstand näher zu untersuchen.

Dazu soll im folgenden Abschnitt 2 zunächst die Wirkung des Windes auf den Radfahrer in einigen ausgewählten Situationen betrachtet werden. Anschließend werden in Kapitel 3 Möglichkeiten des Radfahrers angesprochen, den
Luftwiderstand von sich aus zu beeinflussen. In Abschnitt 4 sollen schließlich die Beschränkung der ebenen Fahrbahn fallengelassen und Steigungen
bzw. Gefälle berücksichtigt werden. In dem abschließenden Kapitel 5 sollen Meßergebnisse, die um die Jahrhundertwende erhoben wurden, mit den
unsrigen verglichen und interpretiert werden.

PDF: Untersuchungen_Energetik_Fahrrad

Über die konstruktive Rolle der Reibung

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: In: Scharmann et al. (Hrsg.), Vorträge der Frühjahrstagung der DPG, Gießen 1983, S. 44

Obwohl die klassische Mechanik sich auf Vorgänge (wie Bewegungen, Kraftwirkungen usw.) bezieht, die eine unmittelbare Bedeutung für elementare lebensweltliche Erfahrungen haben, erweist die sich als Quelle von Lernschwierigkeiten für die Schüler. Einer der wesentlichen Gründe dürfte darin zu sehen sein, daß von den Schülern letztlich verlangt wird, „die Welt so zu beschreiben, wie wir sie nicht erfahren“ (Carl Friedrich von Weizäcker). Im Unterschied zu dem, was sie unmittelbar beobachten und erleben, nämlich, daß schwere Gegenstände schneller als leichte fallen, zur Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Bewegung eine Kraft nötig ist usw., werden der klassischen Mechanik dem widersprechende Erfahrungen zugrunde gelegt. Nachgewiesen wird die Richtigkeit jener – physikalisch genannten – Erfahrungen i. a. mit Geräten wie Luftkissenbahn, evakuierten Glasröhren usw., die häufig eigens zu diesem Demonstrationszweck hergestellt wurden.

PDF: Konstruktive Rolle der Reibung

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