24. Warum schwingt ein Pendel?
24.1 Ein einfacher Versuch und viele Fragen
Baut euch ein einfaches Fadenpendel: Nehmt ein Seil und bindet eine Pendelmasse daran fest. Dann nehmt ihr das andere Ende in die Hand (oder befestigt es so, dass das Pendel frei hängen kann).
Die Pendelmasse wird durch die Schwerkraft nach unten gezogen: Es wirkt die Gewichtskraft. Das Pendel hängt in seiner Ruhelage.
Wir tun so, als hätte die Aufhängung keine Masse und somit keinen Einfluss auf die Schwingung. Die gesamte Pendelmasse soll am Ende des Seiles konzentriert sein.
Nun lenkt das Pendel aus.
Was passiert mit der Schwerkraft auf die Pendelmasse? In welche Richtung zeigt sie?
Lasst die Pendelmasse los.
Das Pendel schwingt zurück.
Wo kommt die Kraft her, die das Pendel antreibt? Man nennt sie die rücktreibende Kraft, da sie das Pendel in die Ruhelage zurück treibt.
Überlegt euch, wie sich die rücktreibende Kraft verändert, wenn ich das Pendel immer weiter auslenke.
(Wenn ihr diesen Post in der Schule bearbeitet, kann man euch sicher Federwaagen geben und ihr könnt die rücktreibenden Kräfte in Abhängigkeit zur Auslenkung sogar messen. Achtet darauf, dass die Federwaage immer tangential zur Kreisbahn der Pendelmasse angreift.)
Wie groß kann die rücktreibende Kraft maximal werden und wie habe ich dazu das Pendel ausgelenkt?
Was passiert also mit der rücktreibenden Kraft während das Pendel in die Ruhelage zurückschwingt?
Das Pendel bleibt aber in der Ruhelage jetzt nicht stehen, sondern es schwingt weiter auf die andere Seite.
Wieso?
Wenn ihr alle diese Fragen beantworten könnt, dann seid ihr in der Lage in einem fortlaufenden Text die Ursache für die Bewegung des Pendels zu erklären.
Tut dies einmal.
Es gibt aber noch einen anderen Zugang für die Beantwortung unserer Frage: Warum schwingt ein Pendel?
Beschreibt einmal den Vorgang mit Hilfe der kinetischen Energie Ekin = 1/2*m*v² und der Lageenergie Epot = m*g*h. Wo sind die jeweiligen Energieformen maximal und wie werden sie ineinander umgewandelt?
Für Fortgeschrittene (oder zukünftige LKler/innen):
Wenn die Pendelmasse m ausgelenkt wird und los gelassen wird, setzt sie sich in Bewegung. Sie hat also Impuls. Wo kommt der Impuls her?
Und nun stellt euch vor, ihr seid auf dem Mond und würdet dort euer Fadenpendel auslenken.
Was ändert sich?
Und was passiert in absoluter Schwerelosigkeit?
Und nun noch einige weitere Anregungen zum Nachdenken:
Ihr habt ja schon in den Animationen ein Federpendel kennengelernt. Da hängt die Pendelmasse m an einer Feder.
Wie entsteht hier die rücktreibende Kraft?
Welche Rolle spielt die Gewichtskraft?
Was macht ein Federpendel auf dem Mond oder in der Schwerelosigkeit?
(Übrigens: Mit Federpendeln baut man auch Waagen für die Astronauten in der ISS, siehe Post 57: Wiegen unter Schwerelosigkeit )
Ihr habt jetzt genügend Anregung zum Nachdenken bekommen. In den nächsten Posts werden wir auf die möglichen Antworten eingehen.
Wenn ihr in einer Gruppe zusammenarbeitet, dann besprecht die Fragen. Wenn ihr allein seid, dann redet ruhig laut mit euch selbst (siehe die entsprechende Zusatzseite oben).
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