Ein einfaches Physik-Experiment mit Wasserflasche und Drehstuhl zeigt ganz wunderbar den Pirouetten-Effekt. Es ist daher auch oft in Science Centern zum Thema Drehimpuls-Effekt finden. Zu Hause kann man es leicht nachmachen.
Etwas physikalischer ausgedrückt kann man daran leicht sehen, was die Massenverteilung rotierender Körper mit der Drehgeschwindigkeit zu tun hat. So ist der Pirouetten-Effekt ein schönes Beispiel für den Drehimpulserhaltungssatz aus dem Sport.
Was wird gebraucht?
- ein Drehstuhl
- zwei gefüllte Wasserflaschen (ein bis zwei Liter, je nach Kraft der Versuchsperson) oder Hanteln
Was ist zu tun?
Man setze sich mit den Wasserflaschen oder den Hanteln auf den Drehstuhl und halte die Flaschen bzw. die Hanteln so weit weg Körper wie möglich. Dann stößt man sich mit dem Fuß ab, so dass man sich zu drehen beginnt. Man kann auch eine andere Person bitten, einen anzustoßen – nicht zu schwungvoll natürlich. Dann ziehe man die Gewichte an den Körper heran und beobachte, wie sich die Drehgeschwindigkeit verändert. In dem Video von der ETH Zürich wird das Physik-Experiment gezeigt.
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Was ist geschehen? Der Drehimpulserhaltungssatz
Kreisel funktionieren dank Drehimpuls
Will man einen Körper in Bewegung versetzen, so muss man umso mehr Kraft aufwenden, je schwerer dieser Körper ist. Dies gilt auch für Drehbewegungen. Umgekehrt gilt: Je schwerer ein Körper ist, desto schwieriger ist es auch ihn wieder abzubremsen. Bei drehenden Körpern ist es zudem von entscheidender Bedeutung, wie die Masse um den Körper verteilt ist und welchen Abstand diese von der Drehachse hat.
Man kann dieses Phänomen durch Impuls und Drehimpuls erklären. Bei geradlinigen Bewegungen gibt es den sogenannten Impuls, den man umgangssprachlich als Wucht bezeichnen kann. Je schneller und schwerer ein Körper ist, desto größer ist die Wucht, die er besitzt, und umso schwieriger ist es, ihn in Fahrt zu bekommen oder ihn abzubremsen.
Bei Drehbewegungen gibt es etwas Ähnliches wie bei geradlinigen Bewegungen, und zwar den Drehimpuls. Dabei gilt, dass es sich beim Drehimpuls um eine sogenannte Erhaltungsgröße handelt (Drehimpulserhaltungssatz). Das bedeutet: Wirken keine äußeren Kräfte, so bleibt der Drehimpuls, wie er ist. Er ändert weder seine Richtung noch seinen Betrag. Verändert sich also die Massenverteilung eines sich drehenden Körpers, so muss sich die Drehgeschwindigkeit ändern und umgekehrt.
Auch die Energie und die Masse sind Erhaltungsgrößen, wobei gilt: In einem abgeschlossenen System kann sich weder die Energie noch die Masse ohne Einwirkung von außen verringern oder erhöhen.
Dieses Phänomen im Alltag
Wer schon einmal einen Eiskunstläufer oder eine Eiskunstläuferin beim Drehen einer Pirouette gesehen hat, der kennt das hier gezeigte Phänomen. Dreht ein Eiskunstläufer oder eine Eiskunstläuferin Pirouetten, kann er oder sie die Geschwindigkeit der Rotation durch Ausstrecken oder Anlegen der Arme an den Körper verändern. Je näher die Arme oder auch die Beine am Körper, desto schneller die Drehbewegung.
Man sieht also: Das Tempo hängt davon ab, wie die Masse um einen Körper verteilt ist. Je weiter weg die Masse von der Drehachse, desto größer der Drehimpuls. Zieht der Eiskunstläufer seine Arme an, würde der Drehimpuls also kleiner werden – und das kann nicht sein, es sei denn, die Drehgeschwindigkeit erhöht sich. Der Pirouetten-Effekt ist ein schönes Beispiel aus dem Sport für den Drehimpulserhaltungssatz. Da dieser einfache Freihandversuch so eindrücklich ist, eignet es sich auch gut als Physik-Experiment in der Schule.
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