Fliegende Murmel und Zentrifugalkraft

Das Weinglas steht auf dem Kopf, aber die Murmel bleibt im Glas. Die Zentrifugalkraft, auch Fliehkraft genannt, macht es möglich. Sie ist eine besonders ungewöhnliche Kraft, weil sie nur während einer Drehbewegung und für den sich bewegenden Körper existiert. Das klingt seltsam, ist aber leicht zu verstehen. In diesem Artikel wird erklärt, was die Zentrifugalkraft genau ist und wie sie funktioniert.

Was wird gebraucht?

ein Weinglas
eine Murmel

Was ist zu tun?

Einfache Variante: Man lege die Murmel auf den Tisch, stelle das Weinglas darüber und beginne das Glas zu schwenken, bis sich die Murmel mit dem Glas hochheben lässt (s. Video weiter unten).

Für Fortgeschrittene: Man nehme das Glas, lege die Murmel hinein und bewege es so, dass sich die Murmel darin schnell zu rotieren beginnt. Dann dreht man das Glas auf den Kopf – ohne mit dem Schwenken nachzulassen. Die Murmel darf dabei nicht langsamer werden. Der Trick besteht dabei darin, den ganzen Unterarm abzusenken. Versucht man die Hand mit dem Glas umzudrehen, so springt die Murmel i.d.R. hinaus.

Was ist geschehen? Erklärung zur Zentrifugalkraft

Dreht sich ein Kettenkarussell, so wirkt die Zentrifugalkraft von der Mitte weg nach außen und die Sitze fangen an zu fliegen. In diesem Fall wie auch im Experiment mit der Murmel ist die Zentrifugalkraft stärker als die Erdanziehungskraft. Dies erklärt, warum die Murmel nicht aus dem Glas fällt.

Was würde jedoch passieren, wenn sich das Glas, das die Murmel auf die Kreisbahn zwingt, plötzlich in Luft auflöste? Obwohl die Fliehkraft radial – also senkrecht zur Bewegungsrichtung – wirkt, fliegt die Murmel keineswegs in diese Richtung: Sie fliegt geradeaus weiter, wie auf der Grafik zu sehen. Daran sieht man, dass die Zentrifugalkraft eine ganz merkwürdige Sache ist. Sie existiert allein während der Drehbewegung, und zwar ausschließlich für den sich bewegenden Körper. Sie wird daher auch als Scheinkraft bezeichnet, obwohl sie eine reale Wirkung hat und auch messbar ist.

Ihren Ursprung hat die Zentrifugalkraft in der Trägheit von Körpern und sie ist umso stärker, je größer die Masse eines Körpers ist (siehe dazu den Versuch: Der Eiertest: Roh oder gekocht?).

Anders verhält es sich mit der sogenannten Zentripetalkraft. Sie bezeichnet die Kraft, die einen rotierenden Körper auf eine Kreisbahn zwingt. Im Beispiel der Murmel wird sie durch das Glas aufgebracht, beim Kettenkarussell durch die Ketten und im Fall der Plantenbewegung durch die Gravitation. Das bedeutet: Wenn der Mond nicht durch die Gravitation auf seiner Kreisbahn gehalten würde, würde er sich von der Erde entfernen.

Zentrifugalkraft im Alltag: Beispiele

Die Zentrifugalkraft erleben wir auch, wenn wir im Auto flott um eine Kurve fahren. Dort werden wir nach außen gedrückt, nur dass uns Sicherheitsgurt und Karosserie daran hindern einfach wegzufliegen. Anders gesagt: Sie bringen die Zentripetalkraft auf, die uns auf der Kreisbahn, in diesem Fall in der Kurve hält.

Ein anderes beliebtes Beispiel für die Zentrifugalkraft ist die nach ihr benannte Zentrifuge. Sie wird verwendet, um Stoffe voneinander zu trennen. Mit ihrer Hilfe kann man beispielsweise Rahm, also Milchfett, und Milch trennen, um aus dem Rahm Butter herzustellen. Alltäglicher kennen wir sie auch vom Schleudergang der Waschmaschine.

Zentrifugen besitzen einen Motor, der ein Gefäß in schnelle Rotation versetzt. Die Geschwindigkeit kann dabei mehrere Hunderttausend Umdrehungen pro Minute betragen. Stoffe mit einer großen Masse wandern aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen und verdrängen dabei Stoffe mit einer kleinen Masse. Im Falle der Milch setzt sich die die schwerere Magermilch nach außen ab, und die leichtere Sahne bleibt innen zurück. Lässt man Rohmilch stehen, so setzt sich der Rahm von alleine ab, weil die in der Milch enthaltenen Fettkügelchen an die Oberfläche steigen.

Weitere Freihandversuche zur Zentrifugalkraft

Experiment 1: Der Eiertest: Roh oder gekocht?

Experiment 2: Die eigenwillige Kerze

Physikalischer Miniversuch: Man nehme einen Eimer, fülle ein wenig Wasser hinein und schwinge ihn an einer Hand schnell im Kreis herum. Selbst wenn der Eimer seitlich oder kopfsteht, läuft – dank der Zentrifugalkraft – kein Wasser heraus. Eine andere Variante dieses Versuches besteht darin, einen Schlauch in den Eimer zu hängen, wobei dieser noch etwas herausragt, den Schlauch dann festzukleben, etwas Wasser anzusaugen und dann den Versuch wie eben zu wiederholen. Das Wasser wird durch die Zentrifugalkraft über den Schlauch aus dem Eimer gepumpt. (Quelle: Nach einer Idee von „Wissen macht Ah!“) Achtung: Dieses Experimente zur Zentrifugalkraft macht man am besten draußen.

Physikalischer Freihandversuch zur Trägheit Physikalischer Miniversuch zum Trägheitsgesetz: Jeder kennt den Versuch, in dem eine Tischdecke mit einem Ruck unter dem Geschirr weggezogen wird. Wenn man es richtig macht, bleibt das Geschirr stehen. Nach demselben Prinzip – aber in einer risikofreien Variante – funktioniert das physikalische Experiment mit Glas, Münze und Spielkarte. Man legt die Karte auf das Glas und darauf die Münze. Dann schnickt man die Spielkarte weg. Die Karte fliegt weg und die Münze fällt in das Glas. Der Grund für das Verhalten der Münze liegt in ihrer Trägheit.