Spiel der Käfte

Störrische Koffer bändigen? Blitze ablenken? Schwebende Kreisel?

Zu sehen sind 35 Experimentierstationen der Ausstellung "Spiel der Kräfte", die Weiterentwicklung der Ausstellung "Experimenta - Physik für die Sinne", die in Stuttgart bereits im Jahr 2003 mit großem Erfolg präsentiert wurde. Im "Spiel der Kräfte" können Groß und Klein physikalische Phänomene mit allen Sinnen erfahren. Die Erfahrungsstationen aus den Bereichen Optik, Akustik, Mechanik, Magnetismus und Statik laden dazu ein, selbst aktiv zu forschen und zu experimentieren. Gehen Sie auf einen virtuellen Rundgang durch die "Spiel der Kräfte"-Ausstellung mit Bildern, Erklärungen und kurzen Filmen.

Ball im Luftstrom

Selbst wenn Du den Luftstrom schräg stellst, purzelt der Ball nicht herunter. Wenn Du versuchst den Ball leicht aus seiner Position zu schubsen, spürst Du eine Kraft, die ihn wieder zurückzieht.

So funktioniert’s

Die Luft strömt zunächst auf den Ball zu und teilt sich beim Auftreffen auf die Oberfläche so, dass an allen Seiten etwa die gleiche Menge entlang strömt. Die Gewichtskraft des Balls wird durch den Luftdruck unter dem Ball ausgeglichen. Mit dem Drehknopf lässt sich der Luftstrom regulieren. Je schneller die Luft strömt, desto höher ist der Druck und umso höher schwebt der Ball.

Aber warum bleibt der Ball schweben, auch wenn der Luftstrom ihn schräg wegbläst?

Dieses Phänomen nennt man “Bernoulli-Effekt”. Bei einer schnellen Strömung entsteht ein Unterdruck, da die Luft über der gewölbten Oberfläche einen längeren Weg zurücklegen muss. Der Unterdruck bewirkt, dass der Ball immer wieder in die Mitte des Luftstroms gezogen wird. Er sorgt auch dafür, dass Flugzeuge fliegen.

• Mini-Film (mp4)

Bandgenerator

Stelle Dich auf das Brett und lege Deine Hand auf die Metallkugel. Sobald der Bandgenerator läuft, spürst Du ein Kribbeln und die Haare stehen Dir zu Berge.

So funktioniert’s

Das Gummiband reibt unten an der Kunststoffwalze, auf der es transportiert wird. Dabei sammelt es die Elektronen von der Walze auf und wird negativ geladen. Die Elektronen werden vom Gummiband zur Metallkugel transportiert und auf sie übertragen. Die Kugel wird so auf bis zu 100.000 Volt aufgeladen.

Beim Berühren der Metallkugel geht die Ladung auf den Körper über und er lädt sich auf, weil die Ladung nicht über das isolierte Podest abfließen kann. Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab. Daher bewegt sich alles was leicht ist vom Körper weg und die Haare stellen sich auf. Dieser Vorgang ist trotz der hohen Spannung für Menschen ungefährlich, da nur ein geringer Strom fließt, kann aber empfindliche Bauteile, z. B. Speicherchips beschädigen.

Reibungselektrizität entsteht im Alltag z. B. beim Gehen über Teppichboden zwischen Boden und Schuhsohle, im Auto zwischen Kleidung und den textilbespannten Sitzen oder zwischen Kamm und Haaren. Bodenbeläge oder Kleidung werden daher oft mit antistatischen Eigenschaften versehen.

• Mini-Film: Elektrostatikspielereien (mp4)

Brücken

• Bogenbrücke

Wie baut man Brücken ohne Schrauben und Nägel? Baue den Brückenbogen auf der Schablone auf. Trägt Dich die Brücke, wenn Du die Schablone wegnimmst?

So funktioniert’s

Die Bausteine haben eine trapezförmige Grundfläche. Quaderförmige Steine bieten sich gegenseitig weniger Halt. Bei unserer Brücke stützt jeder Stein seine beiden Nachbarsteine, die wiederum von ihren benachbarten Steinen gestützt werden. Wichtig für die gesamte Stabilität sind die Endbausteine (Widerlager), die fest mit dem Fundament verbunden sein müssen.

Die nach unten gerichtete Gewichtskraft jedes Bausteins wird in zwei Teilkräfte zerlegt, die senkrecht auf die beiden schrägen Seitenflächen gerichtet sind. Von dort werden die Kräfte an den nächsten Stein abgegeben bis sie senkrecht auf den Boden gehen. Eine kleine Verschiebung der Bausteine kann zum Zusammenbruch des ganzen sensiblen Systems führen.

• Leonardobrücke

Eine geniale Konstruktion. Aus einfachen Latten kann man eine Brücke bauen, die hält.

So funktioniert’s

Ohne Leim, ohne Nagel oder Schraube, ohne Schnur. Sie hält einfach so. Allerdings braucht man zum Aufbau der Brücke eine ruhige Hand. Die Brettchen halten sich durch ihr eigenes Gewicht und durch Reibung gegenseitig fest und bilden einen stabilen Bogen.

Der Erfinder dieser Brückenkonstruktion ist kein Geringerer als Leonardo da Vinci. Im Jahre 1483 schrieb er: „Ich habe eine Anleitung zur Konstruktion sehr leichter und leicht transportabler Brücken, mit denen der Feind verfolgt und in die Flucht geschlagen werden kann.“

Man kann die Genialität Leonardos nachvollziehen, indem man die Brücke nach der Originalzeichnung baut. Das Schöne dabei ist, dass man mit einer kleinen Brücke beginnen kann, die nur aus zwei "Modulen" besteht. Wer möchte kann diese dann schrittweise zu einer immer größeren Brücke erweitern.

Chladni-Figuren

Streue Sand auf die Metallplatte und streiche senkrecht mit dem Bogen über die Kante. Wie viele Muster kannst Du erzeugen?

Das Anstreichen versetzt die Platte in Schwingung. Wo sie stark schwingt, hüpfen die Sandkörner und sammeln sich an den Stellen, wo sie in Ruhe ist. Je nach Druck und Position des Bogens wird die Platte mit verschiedenen Frequenzen angeregt und die unterschiedlichsten Muster entstehen.

Beim Bau von Musikinstrumenten, z. B. Gitarren, können so die auftretenden Schwingungen ermittelt und optimiert werden.

Dosenrennen

Wer macht das Rennen? Die Rolle mit den Gewichten innen oder außen? Das Katzenfutter oder die Kraftbrühe?

Das so genannte Trägheitsmoment beeinflusst die Geschwindigkeit von rotierenden Körpern. Je größer das Trägheitsmoment, also je weiter man die Masse von der Drehachse entfernt, desto langsamer wird die Drehbewegung. Sieger ist deshalb in unserem Rennen die Rolle mit den Gewichten in der Mitte.

Die Kraftbrühe siegt, da sie das kleinere Trägheitsmoment hat. Die Flüssigkeit rotiert nicht zusammen mit der Dose, sondern legt die Strecke eher gleitend zurück. Die Dose rotiert also um den flüssigen Inhalt herum. Das Trägheitsmoment ist damit kleiner als beim Katzenfutter, bei dem die Dose samt Inhalt rotiert. Auf einer kurzen Strecke liegt die Kraftbrühe also vorn. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit wird die Reibung zwischen Dose und Inhalt jedoch so groß, dass sie den Anfangsvorteil verliert und hinter dem Katzenfutter zurückfällt.

• Mini-Film (mp4)

Drehstuhl

Setz Dich mit den Hanteln auf den Drehstuhl und strecke die Arme seitlich aus. Lass Dich von einem Partner langsam andrehen, zieh dann die Gewichte eng an den Körper und fühle die Beschleunigung der Drehung.

So funktioniert's

Ein rotierender Körper besitzt einen Drehimpuls, der abhängig ist von der Drehgeschwindigkeit und der Verteilung der Masse um den Körper (Trägheitsmoment). Es gilt zudem das Gesetz der Drehimpulserhaltung: Die Größe des Drehimpulses bleibt immer gleich sieht man von Reibungsverlusten ab. Sind die Arme auf dem Drehstuhl anfangs nach außen gestreckt, hat ein Teil der Körpermasse einen großen Abstand zur Drehachse. Das Trägheitsmoment ist in dieser Position größer als es mit angezogenen Armen wäre, die Drehgeschwindigkeit wäre entsprechend kleiner. Werden die Arme während der Drehung an den Körper gezogen, wird das Trägheitsmoment kleiner und das Gesetz der Drehimpulserhaltung kommt ins Spiel: Der ursprüngliche Drehimpuls kann nur erhalten bleiben, wenn sich die Drehgeschwindigkeit erhöht.

Eiskunstläufer nutzen diesen Effekt wenn sie eine Pirouette drehen und Turmspringer für schnelle Salti.

• Mini-Film Drehschemel (mp4)
• Mini-Film Fahrradkreisel (mp4)

Farbige Schatten

Stell Dich zwischen die Scheinwerfer und die Wand und Du erlebst ein farbiges Wunder. Dein Schatten erscheint auf einmal bunt statt schwarz.

So funktioniert’s

Jede farbige Lampe für sich erzeugt einen schwarzen Schatten. Leuchtet mehr als eine Lampe, bilden sich ein schwarzer Kernschattenbereich und mehrere farbige Halbschattenbereiche. Die Schatten sind gegeneinander verschoben, weil das Licht aus verschiedenen Winkeln kommt. Je nach dem, welche Lichtfarbe auf die Wand trifft oder sich mit anderen überlagert, erscheinen die Schatten in der jeweiligen Farbe oder Mischfarbe. Schwarz sind sie an den Stellen, auf die kein Licht fällt.

• Mini-Film (mp4)

Farbmischer

Wie viele Farben kannst Du mit den roten, grünen und blauen Lampen erzeugen? Mit den Reglern lässt sich die Helligkeit der Farben steuern.

So funktioniert‘s

Farbenmischen mit Licht funktioniert anders als mit Malfarben. Es genügen die drei Farben Rot, Grün und Blau, um weißes Licht zu erzeugen. Wird die Lichtintensität der jeweiligen Farben verändert, ergeben sich unendlich viele Mischfarben. Die Farben auf dem Fernsehbildschirm werden nach dem selben Prinzip “gemischt”.

Ferrofluid

Starte das Experiment mit dem Knopf. Die Flüssigkeit schraubt sich die Metallspirale hinauf und bildet Stacheln, wenn Du den Stromregler höher drehst.

So funktioniert‘s

Ferrofluid ist eine Flüssigkeit, die magnetisierbar ist. Sie besteht aus nanometergroßen Eisenteilchen (0,00001 mm), die in einer Flüssigkeit gelöst sind.

Ohne Magnetfeld ordnen sich die Teilchen zufällig an und die Flüssigkeit ist gleichmäßig verteilt. Der Stromregler steuert die Stärke eines Elektromagneten. Die Eisenteilchen werden von der Metallspirale angezogen und sie schrauben sich nach oben. Übersteigt die Feldstärke einen kritischen Punkt, fangen die Teilchen an sich gegenseitig abzustoßen. Die Abstoßung zeigt sich an den Stacheln. Die Oberflächenspannung sorgt dafür, dass die Stacheln stabil bleiben.

Wissenschaftlern an unserem Institut ist es erstmals gelungen, eine neuartige Flüssigkeit aus magnetischen Atomen zu erzeugen: Quantenferrofluid. Es ist superfluid, d. h. es fließt ohne Widerstand (ist also extrem dünnflüssig) und lässt sich wie Ferrofluid über Magnetfelder in seiner Form kontrollieren.

Im Alltag werden Ferrofluide z. B. in Computerfestplatten und in Lautsprechern verwendet.

• Mini-Film (mp4)

Gefrorene Schatten

Wie frierst Du Deinen Schatten ein? Versuche eine lustige Position zu halten bis der Blitz ausgelöst wird.

So funktioniert‘s?

Alle paar Sekunden blitzt es und Dein Schatten bleibt auf der Wand für eine Weile wie gefroren stehen. Die Leinwand ist mit einer lichtempfindlichen fluoreszierenden Farbe gestrichen. Sobald der Blitz den Raum erleuchtet fällt Licht auf den empfindlichen Schirm. Die Leinwand leuchtet noch eine Weile nach bis auf die Stellen, die durch Deinen Schatten abgedunkelt waren.

Harmonograph

Setze beide Pendel in Bewegung und beobachte wie der Stift schöne Muster aufs Papier malt. Die interessantesten Bilder entstehen, wenn Du die Bewegungsrichtung der Pendel nach der ersten Auslenkung mit einem Schubs änderst.

So funktioniert’s

Die Platte und der Stift sind an Pendeln befestigt, die sich unabhängig voneinander in Schwingung versetzen lassen. Lenkt man beide Pendel aus und lässt sie los, schwingt jedes von ihnen nur entlang einer Linie. Da die beiden Pendel mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen, überlagern sich die Bewegungen des Stiftes und der Platte. Es entstehen so genannte Lissajous-Figuren, benannt nach dem französischen Physiker Jules Antoine Lissajous (1822-1880).

Die Reibung zwischen Stift und Papier dämpft die Bewegung, die vom Stift gezeichnete Figur wird mit der Zeit immer kleiner.

Lissajous-Figuren lassen sich nicht nur mit Stift und Papier, sondern auch mit einfachen Laserpointern und rotierenden Spiegeln erzeugen. Dieser Effekt wird auch in modernen Lasershows genutzt.

• Mini-Film (mp4)

Kartesischer Taucher

Drücke die Flasche mit beiden Händen zusammen und lasse den kleinen Teufel abtauchen. Kannst Du ihn kontrolliert wieder auftauchen lassen?

Der kartesische Taucher wurde nach René Descartes benannt und demonstriert das Archimedische Prinzip und das Gesetz des Idealen Gases.

Der Taucher hat unten ein kleines Loch und ist fast vollständig mit Wasser gefüllt. Er enthält aber noch eine Luftblase, sodass er gerade genug Auftrieb hat, um in der mit Wasser gefüllten Flasche zu schwimmen.

Wasser ist eine inkompressible Flüssigkeit. Das bedeutet, dass wenn die Flasche zusammengedrückt wird, die Wassermoleküle nicht einfach enger zusammenrücken können. Das Wasser muss dem Druck irgendwie ausweichen. Die Luft im Taucher lässt sich aber komprimieren. Das heißt, dass nun Wasser in den Taucher strömt. Dieser wird damit schwerer und sinkt zu Boden.

Wird die Flasche wieder losgelassen, verringert sich der Druck auf das Wasser und somit auch der auf die Luft. Die Luft im Taucher kann sich wieder ausdehnen und verdrängt so das Wasser. Der Taucher ist jetzt wieder leichter und schwebt zurück zur Oberfläche.

Kreiselkoffer

Wenn Du den Koffer anhebst und versuchst, ihn in der Hand zu drehen, wirst Du staunen: Dieser Koffer entwickelt plötzlich ein Eigenleben und stellt sich quer.

So funktioniert’s

Wird der Koffer auf eine Kante gestellt, fällt er nicht einfach um, sondern versucht sich entgegen der Erdanziehungskraft in seiner gekippten Stellung zu stabilisieren. Dreht man den Koffer, wird ein starker Widerstand spürbar. Der Kreisel widersetzt sich jeder Richtungsänderung mit großer Kraft.

Auf Ozeandampfern wird dieses Phänomen genutzt, um Schiffe auch bei starkem Seegang zu stabilisieren.

Leuchttisch

Drehe die Polarisationsfilter über einem Stück Plastik und Du wirst wunderschöne Bilder sehen. Sie verändern sich, wenn Du die Plastikteile biegst.

So funktioniert’s

Eine Lichtwelle schwingt senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung und bevorzugt dabei keine Richtung (unpolarisiertes Licht). Fällt Licht durch einen Polarisationsfilter, kommt nur der Teil durch, der in der vom Filter vorgegebenen Richtung schwingt (polarisiertes Licht). Zwei gegeneinander verdrehte Filter lassen einmal viel und einmal wenig Licht durch. Wenig Licht heißt, die Filter stehen senk-recht aufeinander. Im Handydisplay werden mit diesem Trick helle und dunkle Pixel erzeugt. Was macht nun den transparenten Kunststoff bunt? Materialien, die unter Spannung stehen, können je nach Farbe des Lichts dessen Polarisation mehr oder weniger verdrehen. So erscheinen Plastikteile zwischen gekreuzten Polarisatoren und weißem Licht farbig. Dieser Effekt wird auch in der Materialprüfung genutzt.

Fällt Sonnenlicht aufs Wasser, wird es als polarisiertes Licht reflektiert und wir werden geblendet. Fischreiher können das polarisierte Licht herausfiltern und blendfrei bis auf den Grund sehen. Wir nutzen Polarisationsfilter daher auch für Sonnenbrillen und überall dort, wo Blendfreiheit gefragt ist.

• Mini-Film (mp4)

Magnetlandschaft

Versuche mit den Metallkugeln Häuser, Bäume oder Brücken zu bauen. Der Eisenstaub wird auf einmal lebendig, wenn Du ihn auf der Magnetlandschaft bewegst.

So funktioniert’s

Dein Baugrund ist mit vielen starken Magneten besetzt. Deine Bausteine sind kleine Eisenkügelchen und Dosen gefüllt mit feinem Eisenstaub.

Eisen ist ferromagnetisch, d. h. es ist magnetisierbar und wird deshalb von Magneten angezogen. Magnetisierbares Material ist aus vielen kleinen Magneten - den so genannten Elementarmagneten - aufgebaut. Im unmagnetisierten Zustand haben sie keine bestimmte Ausrichtung und damit kein spürbares Magnetfeld. In der Nähe eines Permanentmagneten richten sie sich alle nach dessen Magnetfeld aus. Erst jetzt sind die Eisenteilchen selbst magnetisch und können andere Eisenteilchen magnetisieren, zumindest so lange, wie sie sich im Magnetfeld der Dauermagnete befinden.

Auch unsere Erde ist ein großer Dauermagnet. Der magnetische Nordpol liegt in der Nähe des geographischen Südpols. Von hier aus verlaufen die Magnetfeldlinien zum magnetischen Südpol nahe am geographischen Nordpol. Einige Tiere, z. B. Zugvögel, orientieren sich mit Hilfe des Erdmagnetfeldes.

• Mini-Film (mp4)

Plasmakugel

Wenn Du die Glaskugel mit dem Finger berührst, kannst Du beobachten, wie sich einzelne Blitzfäden magisch von Deinem Finger angezogen fühlen.

So funktioniert’s

Außer fest, flüssig und gasförmig gibt es noch einen vierten Zustand von Materie: Das Plasma. Unsere Kugel ist mit verschiedenen Gasen gefüllt (z. B. Argon und Neon). Das Gas wird mit Wechselspannung angeregt und dadurch so heiß, dass die Atome ihre Elektronen verlieren. Es bildet sich ein leitfähiger Kanal zwischen der Kugel und der Außenwand, in dem sich die Elektronen als Strom bewegen. Wir sehen diesen Kanal als leuchtenden Blitzfaden. Das Leuchten entsteht beim Zusammenstoß der freigewordenen Elektronen mit den Atomkernen. Dabei wird die Energie, die zuvor die Trennung von Atomkern und Elektronen verursacht hat, wieder in Form von Licht frei.

Die Hand auf der Kugel zieht die Blitze an, weil der Körper einen geringeren Widerstand hat als die Luft. Der Strom sucht sich also den leichteren Weg über die Hand.

In der Natur begegnet uns Plasma in Form von Blitzen, Polarlichtern oder in der Sonne und den Sternen. Im Alltag bringt Plasma z. B. Leuchtstoffröhren und Plasmabildschirme zum Leuchten.

• Mini-Film (mp4)

Seifenarchitektur

Gestalte Dein eigenes Haus oder Kunstwerke aus Seifenlauge. Deine Werkzeuge sind geometrische Formen wie Würfel und Pyramide sowie eine Platte, auf die ein Bindfaden gespannt ist. Beobachte die schillernden Flächen und Formen, die entstehen, wenn Du die Formen aus der Lauge ziehst.

So funktioniert‘s

Die Seifenhaut bildet eine Minimalfläche aus, d. h. sie nimmt die kleinste mögliche Fläche innerhalb des gegebenen Rahmens ein. Wenn Du den Versuch mehrmals wiederholst, kannst Du beobachten, dass die Seifenhaut verschiedene Formen einnehmen kann.

Als es noch keine Hochleistungscomputer gab, waren Seifenhäute die einzige Möglichkeit komplizierte Dachkonstruktionen zu entwerfen. Wie hier im Experiment wurde ein Rahmen aus Draht geformt und in Seifenwasser getaucht. Die dabei entstandene Form diente als Vorlage für die Konstruktionszeichnungen. Die kleinstmögliche Oberfläche reduziert den Materialverbrauch und damit das Gewicht. Gleichzeitig wirkt die ausgeglichene Oberflächenspannung, die sich wie bei einer Seifenhaut in jedem Punkt aufheben muss, stabilisierend auf die gesamte Konstruktion. Ein gutes Beispiel dafür ist die Dachkonstruktion auf dem Olympiagelände in München.

• Mini-Film (mp4) (mp4)
• Unser Seifenblasenrezept und Experimente (pdf)

Seifenvorhang

Wenn Du an der Schnur ziehst, hebt sich ein Vorhang, der in allen Farben schillert. Puste vorsichtig gegen die Seifenhaut und beobachte, wie sie sich bewegt.

So funktioniert’s

Die schillernden Farben entstehen durch Überlagerung von Lichtwellen an der dünnen Seifenhaut. Licht setzt sich aus Lichtwellen verschiedener Wellenlängen zusammen. Je nach Wellenlänge erscheint uns das an der Seifenhaut reflektierte Licht in einer anderen Farbe. Da die Wand der Seifenhaut eine gewisse Dicke hat, wird das einfallende Licht zweimal reflektiert, einmal an der Vorder- und einmal an der Rückseite der Haut. Durch die Überlagerung der reflektierten Lichtwellen werden je nach Betrachtungswinkel bestimmte Wellenlängen ausgelöscht und damit auch ein Teil des Farbspektrums. Nur das komplette Farbspektrum ergibt weißes Licht. Die Haut erscheint an dieser Stelle farbig. Da die Seifenlauge nach unten abfließt, wird die Haut von oben her immer dünner. Die Haut erscheint farblos, weil alle Farben gleich reflektiert werden.

Seifenblasen schillern nicht nur bunt, sie dienen auch Architekten als Vorbild bei der Suche nach optimalen Dachkonstruktionen, wie beim Versuch „Seifenblasenarchitektur“.

Unser Rezept für 10 Liter Seifenlauge:

1. 10 l destilliertes Wasser
2. 700 ml Fairy Ultra Konzentrat
3. 80 ml Glyzerin
4. 400 g Puderzucker

Über Nacht ansetzen und dann gut schütteln vor dem ersten Einsatz.

• Mini-Film (mp4)

Streifenspiegel

Wie kannst Du aus zwei Gesichtern ein neues zaubern?

Such Dir ein zweites Gesicht. Wenn Ihr Euch auf gleicher Augenhöhe durch den Spiegel betrachtet, vermischen sich Eure Gesichtszüge zu einem neuen Bild. Deine Nase sieht auf einmal aus wie die Deines Freundes, und er hat dafür Deine Augen.

So funktioniert’s

Mit den Spiegelstreifen habt Ihr gerade grobe Mischgesichter erzeugt. Die Computertechnik hat diese Methode verfeinert und nutzt „Morphing“ beispielsweise für Spezialeffekte in der Filmproduktion. Markante Bildelemente, in unserem Fall Gesichtszüge wie Mund und Augen werden so verzerrt, dass ihre Konturen zur Übereinstimmung gebracht werden können.

Supraleiterschiff

Kannst Du Dir vorstellen, dass das Schiff über die Magnetbahn schweben kann, ohne diese zu berühren?

So funktioniert's

Ein Supraleiter ist ein Material, das seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn man es unter eine bestimmte Temperatur abkühlt. Der Strom fließt dann ungehindert durch das Material. Unser Supraleiter in dem kleinen Schiff wird mit flüssigem Stickstoff auf -196 °C abgekühlt und geht dann in den supraleitenden Zustand über. Setzt man das Schiff mit einem Abstandshalter auf die Bahn und kühlt den Supraleiter, wird das Magnetfeld in ihm gespeichert. Ohne Abstandshalter schwebt das Schiff stabil. Wird es aus seiner Bahn gedrängt, zieht das im Supraleiter gespeicherte Magnetfeld das Schiff zurück auf die Spur.

Supraleiter kommen in der Medizin bei der Kernspintomographie (MRT) zum Einsatz, mit der sich alle Körperregionen in überragender Bildqualität darstellen lassen. Ein supraleitender Elektromagnet erzeugt ein starkes Magnetfeld, das als hochempfindlicher Sensor dient. Weltweit versuchen Forscher Supraleiter herzustellen, die auch bei höheren Temperaturen ihre besonderen Eigenschaften beibehalten, um die aufwändige Kühlung einzusparen.

• Mini-Film (mp4)

Teilchenfalle

Wenn Du die Kugel in die Mitte des ruhenden Sattels legst, rollt sie herunter. Versuche, ob Du die Kugel auf dem rotierenden Sattel stabilisieren kannst.

So funktioniert’s

Erst auf der rotierenden Fläche lässt sich die Kugel stabilisieren. Je weiter sie sich vom Zentrum wegbewegt, umso steiler ist die Fläche und umso stärker ist die rücktreibende Kraft. Unser Modell veranschaulicht das physikalische Prinzip einer Paul-Falle, mit dem kleine geladene Teilchen, bis hin zu einzelnen Ionen, mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes gefangen und beobachtet werden können. Die elektrischen Felder erzeugen eine Fallengeometrie, die aussieht wie unser Sattel. Die Falle wurde nach dem deutschen Physiker Wolfgang Paul (1913-1993) benannt, der für diese Entwicklung mit dem Physik-Nobelpreis 1989 ausgezeichnet wurde.

Voraussetzung fürs Fangen ist, dass sich die Teilchen kaum mehr bewegen. Das gelingt erst bei tiefsten Temperaturen unter 1 Kelvin (-272,15°C).

Die Paul-Falle wird in vielen Forschungslabors genutzt. Das Foto zeigt eine lineare Paul-Falle der Universität Ulm mit den gefangenen Ionen in einer Reihe. Die einzelnen Ionen in Teilchenfallen dienen auch als ultragenauer Zeitstandard in Atomuhren.

• Mini-Film (mp4)

Wasserspringschale

Reibe die Griffe der Schale mit feuchten Händen bis Du ihr Töne entlockst und das Wasser zum Springen bringst.

Die Schwingungen der Schale werden auf das Wasser übertragen und als Wellenmuster sichtbar. Die Wellen überlagern sich. Trifft ein Wellenberg auf ein Wellental, löschen sie sich aus, das Wasser erscheint glatt. Treffen zwei Wellenberge aufeinander, türmen sie sich auf. Das Wasser kräuselt sich oder springt in die Höhe.

Das Prinzip ist dasselbe wie bei einem gefüllten Glas, über dessen Rand man mit einem feuchten Finger streicht. Auch hier kann man Töne erzeugen.

Weitstapelei

Wie kannst Du mit den Bausteinen einen möglichst großen Überhang bauen? Versuche zunächst eine Lösung für vier Steine zu finden und dann mit allen.

Wirbelpauke

Mit einem kurzen gezielten Schlag auf die Pauke kannst Du einen Wirbelring erzeugen, der sich so stabil durch die Luft bewegt, dass Du mit ihm auch über eine große Distanz hinweg eine brennende Kerze ausblasen oder Bänder zum Flattern bringen kannst.

So funktioniert’s

Durch den Schlag wird die Luft aus der Trommel gepresst. Am Rand der Austrittsöffnung werden die Luftteilchen abgebremst, aber in der Mitte können sie schneller entweichen. Die schnellere wird von der langsameren Luft am Rand zurückgehalten und beginnt sich nach außen zu stülpen. Sobald der durch den Schlag erzeugte Überdruck in der Pauke ausgeglichen ist, reißt der Luftstrom ab. Der Ring löst sich von der Pauke, wobei er in sich rotiert. Die Rotation bewirkt, dass er sich relativ langsam und stabil durch die Luft bewegt. Sichtbar werden die Luftringe, wenn man die Pauke mit Rauch befüllt.

Ähnliche Verwirbelungen entstehen an den Flügelenden von startenden oder landenden Flugzeugen. Für direkt nachfolgende Flugzeuge können sie gefährlich werden, da auch sie sich lange und stabil in der Luft halten.

Wirbelstrombremse

Wenn Du die Metallplatten in den Schlitz zwischen den beiden Magnetreihen fallen lässt, kannst Du beobachten, dass die einen schnell durchfallen, andere aber scheinbar schwebend zu Boden gleiten.

So funktioniert’s

Aluminium und Kupfer sind nicht magnetisch. Hält man sie an die Magnete, kann man das sehen: Die Platten werden nicht angezogen. Aluminium und Kupfer leiten aber elektrischen Strom gut und es entstehen so genannte Wirbelströme. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld des Fallturms entgegengesetzt ist. Beide Felder stoßen sich gegenseitig ab und dies führt zu einer spürbaren Dämpfung der Bewegung.

Das Prinzip der Wirbelstromsäge wird überall da eingesetzt, wo sanftes Abbremsen gewünscht ist. Der ICE bremst z. B. mit Hilfe von Wirbelstrom, aber auch Freifalltürme nutzen diesen Effekt. Ein weiterer Vorteil von Wirbelstrombremsen ist der geringe Verschleiß.

Ein etwas anderes Prinzip der Wirbelströme wird beim Induktionsherd genutzt. Hier erzeugt ein magnetisches Wechselfeld die Wirbelströme im Topfboden, deren Energie durch den elektrischen Widerstand im Boden in Wärme umgesetzt wird.

• Mini-Film (mp4)

Wirbelstromrennen

Finde in einem Wettlauf der Ringmagnete heraus, welcher Stab am besten bremst.

So funktioniert’s

Die Ringmagnete werden von den Stäben nicht angezogen. Aber manche der Stäbe, z. B. die aus Aluminium oder Kupfer, leiten elektrischen Strom gut. Gleitet der Ringmagnet entlang der Stangen, entstehen durch die Bewegung des Magneten so genannte Wirbelströme. Diese Ströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das dem Feld des Magnetrings entgegengesetzt ist Diese beiden Felder stoßen sich gegenseitig ab und die Magnete werden auf ihrem Weg nach unten spürbar abgebremst.

Warum fallen die Ringe aber unterschiedlich schnell auf den verschiedenen Stäben? Die Stäbe bestehen aus Materialien wie Kupfer, Edelstahl, Aluminium, Messing, Holz und PVC. Der Kupferstab bremst den Ringmagneten besser als der Stab aus Edelstahl. Das liegt daran, dass Kupfer mehr frei bewegliche Elektronen hat als Edelstahl. Die Elektronen übernehmen den Stromtransport und beeinflussen damit auch die Stärke der Wirbelströme, die in einem Material fließen können. Je stärker die Wirbelströme, desto größer das Magnetfeld und desto besser wird der Ring abgebremst.

Mit Wirbelströmen könnt Ihr auch beim Versuch „Wirbelstromsäge“ experimentieren.

• Mini-Film (mp4)