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Rotation

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Bewegung durch Unschärfe

Ich gebe zu, das Foto ist unscharf. Das war bei dieser Performance und der Aufnahme mit einer Kompaktkamera auch nicht anders zu erwarten. Aber Unschärfe ist ja nicht per se ein Mangel. Viele Fotokünstler nutzen die Unschärfe aus ganz unterschiedlichen Gründen auf kreative Weise aus.
Im vorliegenden Fall ist infolge der spärlichen Beleuchtung mit einer für den bewegten Vorgang zu großen Belichtungszeit fotografiert worden, sodass die schneller steigenden bzw. fallenden Reifen zu einer Verschmierung des Bildteils führen. Darin kann aber auch ein Vorteil gesehen werden, weil die Unschärfe Bewegung suggeriert. Außerdem erhält man daraus zusätzliche Informationen über die Bewegung. So kann man aus den Details des Fotos ableiten, dass der dritte Reifen von unten dicht am Umkehrpunkt ist (vom Steigen zum Fallen oder umgekehrt). Es wurde also fast der Moment getroffen, in dem der Reifen für einen Moment in der Luft steht. Demgegenüber weisen die stark verschmierten Reifen eine verhältnismäßig große Steig- oder Fallgeschwindigkeit auf. Weiterlesen

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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.

Rätselfoto des Monats November 2018

Warum rotiert die Kugel fast reibungsfrei? Weiterlesen

Zur konstruktiven Rolle des Fallens

Als ich in einer Dünenlandschaft Sandrippel fotografierte, fiel mir eine runde Objektivschutzkappe aus der Hand und machte sich rollend davon (zum Vergrößern auf Bild klicken). Angetrieben durch den über die Dünen streichenden Wind rollte sie über den welligen Untergrund der Sandrippel und hinterließ eine interessante Spur. Vor die blitzschnell zu entscheidende Alternative gestellt, die Spur zu fotografieren und möglicherweise der Kappe verlustig zu gehen oder die Verfolgung sofort zu starten, entschied ich mich für ersteres. Weiterlesen

Wenn Laub sich abwärts wiegt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 10 (2018), S. 68 – 69


Die Luft umströmt fallende Blätter auf charakteristische Weise. Darum wiederholen sich auf dem Weg zum Boden oft einige typische Bewegungsfiguren.

 

Ein unabsehbar Blättermeer
entperlt dem Netz der Zweige

Christian Morgenstern (1871–1914) Weiterlesen

Schlaffer Faden – straffer Loop

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. Physik in unserer Zeit 4 (2018) 196-199

Ein zu einer Endlosschleife geschlossener Faden lässt sich in einer Pfeife durch Pusten in einen stabilen Rotationszustand versetzen. Der Luftwiderstand des Fadens erweist sich als wesentlich für den Antrieb und die Stabilisierung des Spielzeugs.

Die Seilschleuder hat durch die zunehmende Verbreitung von Science Centern in den letzten Jahren eine gewisse Bekanntheit erlangt. Sie beeindruckt vor allem dadurch, dass ein zu einer Schlaufe verknüpftes Seil in eine stationäre Rotationsbewegung gebracht werden kann, wobei das Seil durch innere Zugkräfte versteift und stabilisiert wird (Physik in unserer Zeit 2018, 49 (2), 80). 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

Fontänen und Loopings am laufenden Band

Suhr, Wilfried; Schlichting, H. Joachim.  Physik in unserer Zeit 49/2 (2018) S. 80 – 85

Modellierung einer Seilschleuder

Versetzt man ein geschlossenes Seil in Rotation, so richtet es sich zu einer fontänenartigen Bewegungsfigur auf. Mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit geht diese durch einen phasenübergangsähnlichen Wechsel in einen geschlossenen Loop über. Dabei übernimmt die Dissipation der Bewegungsenergie eine konstruktive Rolle. Weiterlesen

Vom realen zum freien Fall: Annäherungen – Fall 8

Im ersten Fall lässt man einen Papierstreifen, am besten in Form einer Spielkarte etwa aus Kopfhöhe fallen. Sie fällt meist nicht in vorhersagbarer Weise, sondern geht Kapriolen schlagend zu Boden und landet in einiger Entfernung vom Fußpunkt des Startpunkts.
Im zweiten Fall, lässt man die Karte senkrecht ausgerichtet fallen (siehe obere Abbildung, man blickt auf die kurze Stirnseite der Karte). Sie geht mit großer Wahrscheinlichkeit nach einer kurzen senkrechten Fallstrecke in eine gleichmäßige Drehbewegung um die horizontale Achse über und landet in einer bestimmten Entfernung links oder rechts vom Startpunkt. Diese Situation ist schematisch in der oberen Abbildung zu sehen, in der die Positionen der fallenden Karte in sehr kurzen, konstanten Zeitabständen dargestellt ist.
Dass die Entfernung des Landepunkts von dem Fußpunkt des Starts stets in etwa dieselbe ist und es vom Zufall abhängt, ob die Karte links oder rechts landet, erfährt man, wenn zahlreiche Karten auf die gleiche Weise fallengelassen werden. Es entstehen schließlich zwei gleich weit vom Startpunkt entfernte Kartenhäufchen, deren Anzahl im Idealfall sich umso mehr angleicht, je mehr Karten fallengelassen werden. Weiterlesen

Ein irritierend rotierender Globus

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 42/5 (2017), S. 246 – 250

Ein auf einem feststehenden Dreibein befindlicher Globus dreht sich lautlos und scheinbar ohne äußere Energiezufuhr. Dahinter steckt eine ingeniöse Kombination von Hightech- Materialien und Geräten mit bekannten mechanischen und optischen Effekten, die sich erst nach und nach erschließt. Weiterlesen

Worum dreht es sich?

rotierender-sternenhimmel_rvWenn ich dieses Foto sehe, werde ich unwillkürlich an ein Erlebnis aus der Kindheit erinnert, das mich schlagartig davon überzeugte, dass die Behauptung zutreffen könnte, die Erde drehe sich um die Sonne und nicht umgekehrt. Ich saß in der Eisenbahn und wartete auf die Abfahrt. Dann ging es endlich los bis ich plötzlich sah, dass sich der Zug auf dem Nachbargleis in Bewegung gesetzt hatte und wir immer noch im Bahnhof standen. In diesem Moment erlebte ich gewissermaßen körperlich, dass Bewegungen relativ sind und der Augenschein oft nicht ausreicht festzustellen, was sich „wirklich“ bewegt. Man braucht schon weitere überzeugende Hinweise. Weiterlesen

Das unermüdliche Maxwell-Rad

Maxwell RadUcke, Christian; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 46/1 (2015) 40 – 43

Sisyphus musste bekanntlich einen Stein mühsam bergauf bewegen, der dann immer wieder hinunter rollte. Das bekannte Maxwellsche Rad bereitet vielen Physikstudenten in intellektueller Hinsicht ähnliche Mühe. Es gibt jedoch kreative und unterhaltsame Variationen dieses Klassikers.

(ein Video Maxwellrad sowie ein weiterführender Text zur quantitativen Analyse finden sich auf http://www.phiuz.de Special Features/Zusatzmaterial zu den Heften).

PDF kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Streng geheim – Der ewige Kreisel

Ewiger KreiselUcke, Christian; Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 45/6 (2014) 284 – 287

Es wäre schön, wenn ein einmal angedrehter Kreisel nie mehr aufhören würde sich zu drehen. Solche „ewigen Kreisel“ gibt es tatsächlich. Sie verfügen über eine externe Energiezufuhr oder eingebaute Energiequelle, die eine Laufzeit von mehreren Stunden oder Tagen erlaubt. Ewig laufen sie natürlich nicht.

PDF kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

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

Manchmal hilft nur Trägheit

Clip_144Schlichting, H. Joachim, Ucke, Christian: In: Physik in unerer Zeit 44/5 (2013), S. 240-242

Was auf den ersten Blick wie ein simples Geduldsspiel erscheint, ist in Wirklichkeit ein raffiniertes physikalisches Spielzeug: die Kugelwippe. Was mit Geduld nur sehr schwer zu erreichen ist, gelingt mit einem physikalischen Trick.

PDF: Kann beim Autor angefordert werden.

The buzzer – A novel physical perspective on a classical toy

Schlichting, H. Joachim; Suhr, Wilfried. In: Eur. J. Phys. 31 (2010) 501-510

We present a physically interesting toy, which is easily constructed and operated – the so-called buzzer. In spite of its simplicity, its physical analysis turns out to be rather complex. Thus, it comes as no surprise that most of its users are not familiar with the underlying physical mechanism. In this paper we propose a physical model which allows for the qualitative and quantitative description of the fundamental physical properties of the buzzer and report on the good agreement between theoretical and experimental data. The model is designed to give a basis for further simplification.

Faszinierendes Dynabee

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 33/5, 230-231 (2002).

Ein kleiner Kreisel, der in einem kugelförmigen Plastikgehäuse rotiert, kann in der Hand durch eine geschickte Taumelbewegung des Gehäuses auf sehr hohe Drehzahlen beschleunigt werden. Das macht das eigentlich zum Training der Arm- und Handgelenkmuskeln entwickelte Gerät auch für Physiker interessant.

PDF: kann beim Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Wobbler, Torkler oder Zwei-Scheiben-Roller

Ucke, Christian; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 25/3, 127 (1994).

Neben der Kugel und dem Zylinder gibt es weitere Objekte, die beim Rollen einen konstanten Abstand von der Unterlage beibehalten. Sie haben zwar keine unmittelbare Nutzenanwendung, regen aber zum Nachbau und zu allerlei mathematisch-physikalischen Überlegungen an.

PDF: Wobbler, Torkler oder Zwei-Scheiben-Roller

Der Flug des geflügelten Samens

Schlichting, H. Joachim; Ucke, Christian. In: Physik in unserer Zeit 25/2, 79 (1994).

Zahlreiche Pflanzensamen sind mit besonderen Einrichtungen zum passiven Fliegen ausgestattet, um eine möglichst großräumige Ausbreitung der Arten zu gewährleisten. Unter den verschiedenen Flugeinrichtungen fallen vor allem der Ahornsamen und ähnlich konstruierte Schraubenflieger durch ihren ästhetisch ansprechenden Sinkflug auf.

PDF: Der Flug des geflügelten Samens

Der gebremste Fall – eine physikalische Entzauberung

Schlichting, H. Joachim. In: Erschienen in: Physik in der Schule 31/10, 342, (1993)

Was passiert, wenn man ein Schlüsselbund in der im Bild dargestellten Weise an einem über einen Stab gelegten Faden hält, und dann losläßt?
Die übliche Erwartung ist, dass das Schlüsselbund zu Boden fällt. Dabei wird unterstellt, dass der Einfluß des im Vergleich zum Schlüsselbund leichten Streichholzheftchens zu vernachlässigen ist.

Der Gebremste Fall

Warum „schwirrt“ die Scheibe? Physikalische Aspekte eines interessanten Spielzeugs

Schlichting, H. Joachim. Physik in der Schule 31/5, 179, (1993).

Manche Spielzeuge sind Alltagsgegenstände, die einer Spielidee entsprechend benutzt werden. Man denke etwa an Dosendeckel oder andere Scheiben, mit denen schon wie mit einem Frisbee gespielt wurde, als es Frisbees noch gar nicht gab. Der Frisbee ist ein gutes Beispiel dafür, dass kommerzielle Spielzeuge häufig nur eine verbesserte Version längs bekannter Alltagsspielzeuge darstellen.

PDF: Warum „schwirrt“ die Scheibe? Physikalische Aspekte eines interessanten Spielzeugs

Schleuderball

Schlichting, H. Joachim. In: Naturwissenschaften im Unterricht – Physik 3/12, 18 (1992).

Obwohl Schüler i.a. Erfahrungen mit geschleuderten bzw. an einer Schnur herumgewirbelten Gegenständen haben, erscheint ihnen meiner Erfahrung nach der Umlauf auf der Kreisbahn als ungezwungene, sich selbst erhaltende, natürliche Bewegung. Hier zeigt sich einmal mehr, daß bestimmte lebensweltliche Sehweisen physikalischen Ideen der aristotelischen Physik ähnlich sind. Im Rahmen der neuzeitlichen Physik wird die Kreisbahn jedoch nicht mehr als einfach angesehen. Die gerade Linie ist hier das bestimmende Paradigma. Die Kreisbahn muß man sich als „gewaltsam“ aus der geraden Linie hervorgebracht denken. Das intuitive Festhalten an der als überwunden geglaubten aristotelischen Auffassung mag Ausdruck der Tatsache sein, daß
das intuitive Erfassen der „vollkommenen“ Gestalt des Kreises dem lebensweltlichen Denken näher ist als der analytische Zugang über die Dynamik der Kreisbewegung…

PDF: Schleuderball

Kreiselphänomene

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaft- Physik 41/2, 11 (1992).

Es wird ein altbekanntes Spielzeug erinnert, das nicht nur in spielerischer sondern auch in physikalischer Hinsicht auf vielfältige Weise interessant ist: an den Kreisel. Dabei geht es zum einen um eine Beschreibung der wichtigsten Phänomene, die vom Kreisel hervorgebracht werden, sowie um eine elementare Darstellung der diesen Phänomenen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien. Zum anderen soll ein Überblick über die verschiedenen Aspekte gegeben werden, die den Kreisel für den Physikunterricht interessant machen. Durch ausführliche Literaturhinweise erhält der Leser die Möglichkeit zu einer Vertiefung des einen oder anderen Aspektes.

PDF: Kreiselphänomene

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

Geduld oder Physik – ein einfaches Spielzeug mit physikalischen Aspekten

Schlichting, H. Joachim. In: Praxis der Naturwissenschaften- Physik 41/2, 5 (1992).

Die so genannte Kugelwippe (siehe Abb. 1) wird als Geduldspiel bzw. Puzzle vertrieben[1]. Sie läßt sich aber auch leicht selbst herstellen[2]. Die Spielaufgabe besteht darin, die beiden Kugeln, die sich normalerweise im Minimum der Mulde befinden, in die beiden Nischen am rechten und linken oberen Rand der Wippe zu befördern. Versucht man, das Problem auf die zunächst naheliegend erscheinende Art zu lösen, durch Neigen der Wippe zuerst die eine Kugel und dann auf dieselbe Weise die andere Kugel in die jeweilige Nische zu bringen, dann wird man je nach Länge des jeweiligen Geduldsfadens früher oder später
feststellen, daß es so nicht geht. Denn gemeinerweise rollt die bereits am Zielpunkt fixierte Kugel unweigerlich wieder aus der kleinen Vertiefung heraus, wenn man anschließend die Wippe zur anderen Seite neigt, um auch die zweite Kugel ins Ziel zu bringen. Weiterlesen

Unerwartete Phänomene bei rotierenden Objekten

Schlichting, H. Joachim. In: Physik und Didaktik 19/1,78 (1991).

Obwohl wir auf einem in mehrfacher Weise rotierenden Planteten wohnen, haben wir wenig Erfahrung mit typischen Rotationseffekten: Das zeigen die vor allem körperlichen Überraschungen, die man in Karussells und anderen relativ schnell bewegten Objekten erleben und – von Schwindelgefühlen und anderen unangenehmen Begleiterscheinungen einmal abgesehen – genießen kann. Selbst beim Prellen eines harmlosen Flummis zeigt sich die mangelnde Erfahrung, wenn unsere bei normalen Bällen bestens bewährten Fangkünste (= intuitive Fähigkeit, die Bewegungsgleichung des Balls „im Fluge“ zu integrieren), zu hilflos erscheinenden, meist wenig erfolgreichen Fangversuchen geraten.

PDF: Unerwartete Phänomene bei rotierenden Objekten

Papierhubschrauber

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwiss.-Physik 35/5, 30 (1986).

Papierflieger sind zum Leidwesen vieler Lehrer bei den Schülern sehr beliebt. Man wird daher sicherlich auf deren Interesse stoßen, wenn man Papierflieger zum Gegenstand des Unterrichts macht. Besonders reizvoll erscheint uns insbesondere der Papierhubschrauber; den wir hier betrachten wollen. Es handelt sich um einen Flieger, der einfach losgelassen wird und – sich um die eigene Achse drehend – langsam zu Boden geht. Er ähnelt damit den Flugsamen mancher Pflanzen. Gemeinsam ist diesen Flugobjekten nicht nur der faszinierende Mechanismus, durch den die Rotation ,,angeworfen“ und gesteuert wird, sondern auch die bemerkenswerte Stabilität und Präzision, mit der der „Flug“ abläuft.

PDF: Papierhubschrauber

Der Bumerang – ein Spielzeug mit verblüffenden Flugeigenschaften

Schlichting, H. Joachim; Rodewald, Bernd. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik 35/5, 18 (1986).

Seit der zurückkehrende Bumerang in Europa bekannt ist, hat er die Menschen immer wieder fasziniert und zu zahlreichen Beschreibungen und Erklärungen seines erstaunlichen Flugverhaltens geführt (vgl. das Literaturverzeichnis in [1]). Ein Physiklehrer, der diese Faszination im Unterricht nutzen möchte, sucht dennoch häufig vergeblich nach unterrichtsnahen physikalischen Beschreibungen…Im folgenden soll versucht werden, unter weitgehendem Verzicht auf quantitative Einzelheiten die physikalischen Prinzipien des Bumerangs so weit zu vereinfachen, daß dieser auch im Unterricht der Sekundarstufe [behandelt werden kann. Unsere Darstellung ist jedoch so angelegt, daß darauf eine
quantitative Beschreibung aufbauen kann.

PDF: Bumerang

A catastrophic toy

Rodewald, Bernd; Schlichting, H. Joachim. In: American Journal of Physics 53/12, 1172 (1985).

Recently, Prigo described the so-called Christmas tree toy. His main Intention was to explain an unusual wobbling of the tree sections superposing their rotation. In contrast to Prigo we could not observe this oscillatory behaviour. Instead, we found it more surprising that the opening und closing of the four shell sections do not arise continuously with increasing rotation rate, but arise rather abruptly.

PDF: A Catastrophic toy

Zur Gleichgewichtsproblematik beim Fahrradfahren

Schlichting, H. Joachim. In: technic-didact 9/4, 257 (1984).

Die physikalische Beschreibung eines fahrenden Zweirads hat Mathematiker und Physiker immer wieder herausgefordert. WHIPPLE /10/ und Mc GAW /7/ dürften die ersten gewesen sein, die eine Theorie des Fahrradfahrens vorgelegt haben. Später befaßten sich TIMOSHENKO und YOUNG /9/ erneut mit der Problematik. Die Ergebnisse wurden kaum akzeptiert, weil viele vertraute  Aspekte des Fahrradfahrens nicht erklärt werden konnten, Allenfalls spezielle, mathematisch leicht zu behandelnde Detailprobleme flossen in einige Lehr- und Fachbücher /8, 3/ ein. In jüngster Zeit hat man sich dieser Problematik sowohl experimentell als auch theoretisch erneut angenommen /6, 4/, vermutlich als eine Folge des Comebacks des Fahrrads…

PDF: Gleichgewichtsproblematik_Fahrradfahren