Gyroskop

Das Gyroskop ist ein Kreisel, der in einem stabilen Rahmen gelagert ist. Solche Spielzeug-Gyroskope besitzen außerdem eine spezielle Abzugsvorrichtung, dank der man eine hohe Drehgeschwindigkeit und dadurch eine lange Laufzeit erzielen kann. Üblicherweise wird es mit einer Schnur angedreht. Es gibt jedoch auch Abzugsvorrichtungen aus Kunststoff.

Die besondere Eigenschaft eines Gyroskops besteht darin, dass es sich – einmal kräftig angedreht – einer Lageränderung im Raum hartnäckig widersetzt.

Berühmtheit erlangte das Spielzeug-Gyroskop unter anderem durch den Apple Gründer Steve Jobs, der das Gyroskop bei der Präsentation des Apple iPhone 4 am 7. Juni 2010 zeigte (s. Video weiter unten). Obendrein war ein Spielzeug Gyroskop auch schon im Weltall.

Das Gyroskop als Space Toy im Weltall mit der NASA

Das Gyroskop wurde damals im Rahmen des NASA-Programms „Toys in Space“ verwendet, um so die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf ein Gyroskop im All zu zeigen. Später durfte ein Gyroskop auch mit der ESA in den Weltraum fliegen. Dabei ist nachfolgendes Video herausgekommen, das die besondere Eigenschaft von Gyroskopen schön demonstriert.

Rotiert das Gyroskop sehr schnell und versucht man dieses zu drehen, widersetzt sich die Drehachse der Lageänderungen im Raum. Aufgrund des hohen Beharrungsvermögens der Achse kann ein solches Gyroskop sogar kleine Kunststücke vollbringen (s. Video weiter unten).

Ohne Gyroskop keine Orientierung

Das Gyroskop ist nicht nur ein interessantes physikalisches Spielzeug, sondern war als Kreiselinstrument eine wichtige Erfindung für Naturwissenschaft und Technik. Ohne Gyroskope gäbe es heute keine Kreiselkompasse, die etwa für die Schifffahrt von großer Bedeutung sind, keine künstlichen Horizonte und keine Wendezeiger. Der künstliche Horizont gibt in der Luftfahrt die Lage des Flugzeugs zur Erdoberfläche an und der Wendezeiger seine Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit. In der Raumfahrt kommen Gyroskope ebenfalls zum Einsatz.

Das Gyroskop im iPhone und Smartphones

Auch in Smartphones sind Gyroskope zu finden, und zwar als Sensoren seit dem iPhone 4. Berühmtheit erlangte insbesondere das Spielzeug-Gyroskop von TEDCO durch Steve Jobs, dem legendären Mitbegründer von Apple, wie man in nachfolgendem Video sehen kann. Das iPhone 4 verwendet eine mikroskopisch kleines, elektronisches MEMS-Gyroskop. MEMSsteht für Micro-electro-mechanical system. MEMS-Gyroskope, oder genauer gesagt MEMS-Winkelgeschwindigkeitssensoren, werden immer dann eingesetzt, wenn eine Messung einer Drehung ohne festen Bezugspunkt erforderlich ist. Verbunden wurde es im iPhone mit dem Beschleunigungsmesser und dem Kompass und kann so Bewegungsänderungen in verschiedensten Dimensionen registrieren.

Zur Physik des Gyroskops

Das Besondere am Gyroskop: Wirkt auf das Gyroskop eine Kraft senkrecht zur Rotationsachse, versucht der Kreisel senkrecht dazu auszuweichen. Diese Bewegung nennt man Präzession und sie ist auf die Drehimpulserhaltung zurückzuführen. Ein Gyroskop kann daher die Lage seiner Drehachse im Raum erstaunlich stabil halten. Mit einem Spielzeug-Gyroskop kann man diesen Effekt besonders gut erleben.

Ein Video, das einen Eindruck von diesem faszinierenden Spielzeug gibt, sehen Sie nachfolgend. Ausführlich sind Physik Experimente mit dem Gyroskop hier beschrieben: Experimente mit dem Gyroskop.

Die Stabilität der Drehachse eines rotierenden Körpers zeigt sich übrigens ebenfalls beim Fahrradfahren. Auch hier wollen die Achsen der Räder beim Fahren in ihrer Ausgangslage verharren und so ist es leicht das Gleichgewicht zu halten.

Das Gyroskop als physikalisches Spielzeug

Als Physikspielzeug wird das Gyroskop seit 1917 in den USA hergestellt. Es lässt sich mit einer Schnur abziehen und erreicht dadurch eine besonders hohe Drehgeschwindigkeit. Später folgten Gyroskop als Spielzeug in Plastikausführung. Bis heute stellt die amerikanische Firma TEDCO Toys das Original Gyroskop aus dem Jahr 1971 aus Metall her und liefert dieses in einer Retro-Verpackung aus (s. Foto rechts). Der ursprüngliche Hersteller war die Chandler Company aus Indianapolis, Indiana, die das Gyroskop über 70 Jahre lang produzierte.  Im Jahr 1982 kaufte TEDCO Toys die Chandler Company.

Ein Gyroskop kann man im Shop online kaufen.

Das Gyroskop und seine Geschichte

Die Entwicklung des ersten Gyroskops, auch Bohnenberger Instrument, Bohnenberger Maschine oder Schwungmaschine genannt, wird Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831) zugeschrieben. Er war Mathematiker, Physiker und Astronom und hatte ab 1803 eine Professur in Tübingen inne.

Ein Gyroskop aus Elfenbein

Ein noch erhaltenes Modell des von Bohnenberger um 1810 entwickelten Gyroskops besteht aus einer Elfenbeinkugel in einer aus drei Messingringen bestehenden Aufhängung. Mit einer Seidenschnur konnte man es abziehen und so in schnelle Rotation versetzen. Das besagte Gyroskop von Bohnenberger wurde 2004 zufällig in der physikalischen Sammlung des Kepler Gymnasiums in Tübingen gefunden und ist nun im Tübinger Stadtmuseum zu bewundern.

In einem Brief beschreibt der Düsseldorfer Astronomen J. F. Benzenberg im Dezember 1810 das Bohnenberger Gyroskop wie folgt:
„B[ohnenberger] zeigte mir eine artige Schwungmaschine, welche das Zurückweichen der Nachtgleichen […] auf eine anschauliche Weise erklärt, und zugleich den physischen Grund davon zeigt. Eine kleine Erde von Holz und mit Blei ausgegossen, dreht sich um ihre Achse, und wird durch das Aufwinden einer Schnur so in eine rotierende Bewegung gesetzt, wie der Kräusel, mit dem die Knaben spielen. Die Pole sind in einen Ring befestigt, welcher Kompaßaufhängung hat, und sich frei nach allen Seiten drehen kann. Läßt man nun die Erde rotiren, so kann man mit ihr im ganzen Zimmer herum gehen, ohne daß sich die Richtung ihrer Rotationsachse ändert.“

Foucault und der Meridiankompass

Der Name, der üblicherweise mit der Erfindung des Gyroskops in Verbindung gebracht wird, ist jedoch nicht der von Bohnenberger, sondern Leon Foucault (1919-1968), denn Foucault war es, der den Begriff Gyroskop für diese Art von Kreiselinstrumenten einführte, als er diese studierte.

Das Wort Gyroskop ist eine Verbindung der griechischen Worte für γύρος – Drehung und σκοπεῖν – sehen. Berühmt wurden die Studien von Leon Foucault zum Gyroskop, weil er 1852 auf Grundlage der Bohnenberger Maschine den Meridiankompass entwickelte.

Damals versuchte Foucault die Erdrotation nicht nur mit Pendeln, sondern auch mit Kreiseln nachzuweisen. Aus dieser bedeutenden Entdeckung von Foucault wiederum ging der heute bekannte Kreiselkompass hervor.

Ein Kreiselkompass orientiert sich nicht am magnetischen Nordpol, sondern an den Längengraden oder Meridianen, wobei sich der Kreiselkompass automatisch in Nord-Süd-Richtung ausrichtet. Allerdings hat der Kreiselkompass auch einige Nachteile, darunter die Notwendigkeit einer initialen Ausrichtung (Kalibrierung).

Am Nordpol funktioniert ein solcher Kompass so wenig wie ein magnetischer Kompass. Eine überaus ausführliche Erklärung zum Kreiselkompass ist hier auf Englisch zu finden.

Quellen:

Seite von „The Institut of Navigation“: The machine of Bohnenberger. (Abgerufen: 27. Juli 2023, 09:20 UTC)

Jörg F. Wagner (2021): Gottlob Buzengeiger: Instrumentenbau zwischen Münzgasse und Schloss in Tübingen. DOI: 10.53458/sh.v71i2.1234.g1347

Bohnenberegr, v.. “Beschreibung einer Maschine, welche die Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der Erdaxe zu erläutern dient.” Annalen der Physik 60: 60-71. DOI: 10.1002/ANDP.18180600907

Herstellerinformationen von Tedco https://web.archive.org/web/20230328185223/https://tedcotoys.com/about-tedco-toys/

Wikipedia contributors. (2023, July 17). Foucault’s gyroscope. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 11:49, July 27, 2023, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Foucault%27s_gyroscope&oldid=1165782706

Seite der Universität Stuttgart: Orientierung im Raum – 200 Jahre Maschine von Bohnenberger. Ausstellung und dem Festkolloquium. (Abgerufen: 27. Juli 2023, 09:20 UTC)

Pressemeldung der Stadt Tübingen

Bildnachweis: File:Bohnenberger Gyroskop-2.jpg. (2020, October 19). Wikimedia Commons. Retrieved 09:34, July 27, 2023 from https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Bohnenberger_Gyroskop-2.jpg&oldid=494273647.