Wie funktioniert ein Kugelpendel?

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Wie funktioniert ein Kugelpendel?

Shary und Ralph

Bestimmt habt ihr schon mal so ein Kugelpendel gesehen: An einer Stange sind mit dünnen Fäden mehrere kleine Metallkugeln hintereinander aufgehängt. Wenn man die vordere gegen die Kugelreihe titschen lässt, bewegt sich die Kugel am hinteren Ende der Reihe weg – ohne, dass die Kugeln dazwischen sich bewegt haben. Ist das Zauberei? Nein! Das ist das physikalische Prinzip der Impulserhaltung.

Shary und Ralph

Das Wort Impulserhaltung ist vom lateinischen Wort "impellere" abgeleitet, was "anstoßen, in Bewegung versetzen" bedeutet. Und genau das geschieht, wenn ihr die äußere Kugel gegen die nächste titschen lasst. Ihr gebt der nächsten Kugel einen Stoß. Physikalisch korrekt formuliert ist ein Stoß der Zusammenprall von zwei gegeneinander bewegten Körpern (hier also von Kugel gegen Kugel). Dabei entsteht ein Impuls: Ein Körper wird in eine bestimmte Richtung in Bewegung versetzt. Das kann man zum Beispiel beim Billard gut sehen - stoßt ihr die weiße Kugel mit dem Queue an, und prallt sie gegen eine andere Kugel, setzt diese sich in eine bestimmte Richtung in Bewegung.

Shary und Ralph

Beim Kugelpendel passiert nun Folgendes: Die äußere Kugel stößt die nächste an. Diese kann aber nicht schwingen, denn in Schwungrichtung neben ihr ist eine weitere Kugel. Deshalb gibt die von der äußeren Kugel getroffene den Impuls einfach ab an die nächste in Schwungrichtung, diese gibt den Impuls wieder ab an die nächste. So geht das weiter, bis der Impuls da angekommen ist, wo er die Bewegung ausführen kann: Die äußere Kugel schwingt weg! Der Impuls wird also von Kugel zu Kugel weitergegeben und bleibt dabei gleich groß, wenn keine Reibungsverluste wie zum Beispiel der Luftwiderstand hinzukommen. Wichtig dabei ist, dass die Kugeln aus dem gleichen Material und gleich groß sind.

Shary und Ralph

Sind die aufeinander stoßenden Materialien nicht fest, sondern verformbar, geschieht etwas anderes: Die Bewegungsenergie, die beim Kugelpendel dafür sorgt, dass der Impuls mit gleicher Kraft erhalten bleibt, wird umgewandelt. Prallen zwei verformbare Körper aufeinander, wird der Impuls in Energie umgewandelt, die die beiden Körper verformt. So wäre das bei einem Kugelpendel aus Knetmasse. Titscht da die äußere Kugel an die nächste, verformt sich die Knete – schwingen tut dann nichts.

Shary und Ralph

Dieses Phänomen macht man sich auch zunutze z.B. bei der Knautschzone von Autos. Diese sind mit Absicht so gebaut, dass sich der Impuls eines Stoßes bei einem Zusammenprall nicht erhält, sondern als Energie in die Verformung der Knautschzone abgeleitet wird. Das schützt die Insassen. Sie werden nämlich dann nicht so durchgeschüttelt.
Ah!

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