Das Newton Pendel, auch Kugelstoßpendel oder Newton Wiege genannt, ist eines der schönsten und interessantesten Physikspielzeuge, die es gibt. Es besteht aus mindestens fünf identischen Metallkugeln, die in einer Reihe an je zwei Schnüren hängen.
Lenkt man eine der Kugeln aus und lässt sie gegen die anderen schlagen, so geschieht etwas Unerwartetes. Die Kugel kommt zum Stillstand – dafür fliegt eine Kugel auf der gegenüberliegenden Seite des Newton Pendels weg. Wiederholt man diesen Vorgang mit zwei Kugeln, so entfernen sich auch zwei Kugeln.
Dies funktioniert selbst dann, wenn man vier der fünf Kugeln auslenkt. Auch in diesem Fall schleudern auf der gegenüberliegenden Seite des Newton Pendel vier Kugeln weg, während die eine (relativ) ruhig hängen bleibt. Dazu erklingt das typische Klick-Klack-Geräusch, wie man im nachfolgenden Video schön sehen kann und in dem die Kugeln in allen nur erdenklichen Variationen gespielt werden.
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Was zeigt das Newtonsche Pendel?
Das Kugelstoßpendel zeigt wichtige Bewegungsgesetze der klassischen Mechanik und dies ganz spielerisch. Dies gilt ganz besonders für den Impulserhaltungssatz.
Die Erhaltung des Impulses ist neben der Erhaltung der Energie und der Masse eines der großen Prinzipien der Physik. Impuls ist als das Produkt der Masse eines Objektes mit seiner Geschwindigkeit definiert. Umgangssprachlich kann man den Impuls auch als Schwung oder Wucht bezeichnen. Das Gesetz der Impulserhaltung fordert dessen Erhaltung innerhalb eines abgeschlossenen Systems: Impuls wird weder erzeugt noch vernichtet, er kann nur durch das Auftreten von Kräften verändert werden.
Wer es ganz genau wissen will, findet dazu weiter unten eine detaillierte Erklärung von der Uni Karlsruhe als PDF und ein Video von der Uni Kassel. Wer das Kugelstoßpendel kaufen möchte, schaut hier nach:
Erklärung zur Newton Wiege: Impulsübertragung und Energieerhaltung zum Anfassen
Trifft eine der Kugeln auf eine andere Kugel, kommt es zu einem elastischen Stoß, bei dem der Impuls und die Bewegungsenergie erhalten bleiben.
Unter Impuls versteht man das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Je größer die Masse und/oder die Geschwindigkeit, desto größer der Impuls. Das Newton-Pendel zeigt also den Energieerhaltungssatz und den Impulserhaltungssatz, wobei im Detail folgendes passiert:
- Nach dem Aufprall überträgt die erste Kugel ihren Stoßimpuls auf die zweite und kommt selbst zur Ruhe.
- Von der zweiten Kugel wandert der Impuls zur dritten, zur vierten und bis zur letzten Kugel.
- Die letzte Kugel des Kugelstoßpendels kann den Impuls nicht mehr weitergeben und fliegt weg.
Die Energie bleibt (fast) erhalten, weil die Reibung vernachlässigt werden kann, ebenso wie der Drehimpuls (mehr Informationen zum Drehimpuls hier). Entsprechend lang bewegt sich das Pendel. Lenkt man zwei Kugeln aus, so fliegen auch zwei Kugeln weg. Ähnliche Versuche kann man mit Münzen machen, die man in einer Reihe auf einen Tisch legt.
Das Rätsel um die Newton Wiege
Dieser Trick funktioniert selbst dann, wenn man vier der fünf Kugeln auslenkt. Auch in diesem Fall, schleudern auf der gegenüberliegenden Seite vier Kugeln weg, während eine ruhig hängen bleibt.
Dabei stellt sich folgende Frage: Wenn man zwei Kugeln auslenkt, warum fliegt dann nicht einfach eine mit der doppelten Geschwindigkeit weg? Diese und andere spannende Fragen zum Newton Pendel werden auf dieser Seite der Universität Karlsruhe (englisch, download als pdf) detailliert diskutiert. Zudem finden Sie ganz unten auf der Seite ein Video von der Universität Kassel. Hier wurde die Newton Wiege in einer Vorlesung besprochen.
Das Newton Pendel ist auch unter dem Namen Newton’s Cradle oder Newtons Wiege bekannt. Erfunden hat es im 17. Jahrhundert wohl der französische Geistliche und Physiker Edme Mariotte. Mehr dazu weiter unten.
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Das Kugelstoßpendel physikalisch erklärt (Universität Kassel)
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Das Kugelspiel als Physikspielzeug
Die Geburtsstunde der modernen Newton Wiege bzw. Newton’s Cradle geht auf das Jahr 1967 zurück. Damals überzeugte der englische Schauspieler Simon Prebble das Londoner Kaufhaus Harrods, die von ihm in modernem Design entwickelte und von ihm benannte Newtons’s Cradle zu verkaufen, wie Sheila Liming in ihrem Buch „Office“ auf S. 50 schreibt. Zugleich erhob im selben Jahr der englische Regisseur Richard Loncraine Anspruch darauf, das neuartige Spielzeug erfunden zu haben. Wahr ist jedenfalls, dass Loncraine ein eigenes Design entwickelte und das Produkt mit seiner Design-Firma Loncraine Broxton neben zahlreichen anderen Design-Artikeln unter dem Namen „Ballrace“ sehr erfolgreich vermarktete. Eine Auswahl davon findet man auf dieser Seite, darunter auch ein Foto von Ballrace.
Die ersten Experimente, die mit einem Kugelspiel gemacht worden sind, stammen vermutlich von Edme Mariotte. Er war ein französischer Physiker und Geistlicher sowie Gründungsmitglied der französischen Akademie der Wissenschaften. Im Jahr 1671 stellte er seinen dortigen Kollegen erstmals seine Gedanken zu einem Werk über die Wirkung von Körpern vor. 1673 erschien schließlich das Buch „Traité de la percussion ou choc des corps“. Es war wohl die erste umfassende Abhandlung über die Gesetze des unelastischen und elastischen Stoßes und ihrer Anwendung auf verschiedene physikalische Probleme. Das Werk war lange ein Standardwerk zu diesem Thema und erschien noch zu Mariottes Lebzeiten in drei Auflagen. Später wird Mariotte und seine Stoßversuche zum Beispiel auch in Isaac Newtons Principia zitiert.
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Quellen:
Herrmann, F.; Schmalzle, P.: American Journal of Physics, v49 n8 p761-64 Aug 1981, https://doi.org/10.1119/1.12407
Gauld, Colin. (2006). Newton’s Cradle in Physics Education. Science & Education. 15. 597-617. https://doi.org/10.1007/s11191-005-4785-3.
1 Sheila Liming: Office. Bloomsbury Publishing USA, 2020, S. 50
Produkte von Loncraine Broxton kann man sich hier anschauen https://loncrainebroxton19691997.wordpress.com/
