Eiskunstläuferinnen drehen sich blitzschnell. Saltospringer stoppen ihre Drehung im letzten Moment. Wie steuert man die Drehung beim Salto und beim Eiskunstlauf?
Wer sich schnell drehen will, zieht Arme und Beine an den Körper. Wer sich langsam drehen will, streckt sie weit aus. Der Grund dafür ist ein Erhaltungsgesetz der Physik: die Drehimpulserhaltung.
Wenn sich die Masse näher an der Drehachse befindet, muss sich die Drehgeschwindigkeit erhöhen. Wird die Masse nach außen verlagert, nimmt die Drehgeschwindigkeit ab.
Wikipedia: Drehimpuls | Drehimpulserhaltung | Kreisbewegung | Winkelgeschwindigkeit
Begriffe: Drehimpuls, Drehimpulserhaltung, Kreisbewegung, Winkelgeschwindigkeit, Drehachse, Masseverteilung, Rotation, Kreisel
Hintergrund
Bei einer Drehbewegung bewegt sich ein Körper nicht geradlinig durch den Raum, sondern dreht sich um eine feste Achse. Diese nennt man Drehachse.
Die Winkelgeschwindigkeit sagt, wie schnell sich ein Körper dreht, also wie viel Winkel pro Sekunde überstrichen wird.
Ein Punkt weiter außen am Körper hat dabei eine größere Bahngeschwindigkeit als ein Punkt nahe an der Drehachse.
Was ist der Drehimpuls?
Der Drehimpuls ist eine physikalische Größe, die eine Drehbewegung beschreibt. Er hängt davon ab, wie viel Masse sich wie weit von der Drehachse entfernt befindet und wie schnell sich der Körper dreht.
Der Drehimpuls ist ein Vektor. Seine Richtung zeigt entlang der Drehachse. Man kennt dieses Verhalten gut von Kreiseln.
Die Drehimpulserhaltung
In einem abgeschlossenen System bleibt der Gesamtdrehimpuls konstant. Das bedeutet: Er kann nicht einfach größer oder kleiner werden.
Wird die Masse näher an die Drehachse gebracht, muss die Winkelgeschwindigkeit steigen. Wird die Masse weiter nach außen verlagert, muss die Winkelgeschwindigkeit sinken.
Eiskunstlauf: die Pirouette
Eine Eiskunstläuferin beginnt eine Pirouette mit ausgebreiteten Armen. Die Drehung ist zunächst langsam.
Zieht sie die Arme plötzlich an den Körper, wandert die Masse nach innen. Die Winkelgeschwindigkeit nimmt stark zu und die Pirouette wird sehr schnell.
Die Richtung des Drehimpulses bleibt dabei erhalten. Darum ist die Drehachse stabil und kippt nicht um.
Salto: Drehen und Abbremsen
Beim Salto zieht der Springer Arme und Beine an. Die Masse ist nahe an der Drehachse und die Drehung wird sehr schnell.
Kurz vor dem Eintauchen ins Wasser streckt sich der Springer. Die Masse wird nach außen verlagert und die Drehgeschwindigkeit nimmt stark ab.
Der Springer hört scheinbar auf, sich zu drehen. In Wirklichkeit dreht er sich noch, aber sehr langsam.
Andere Erhaltungssätze der Physik
Neben der Drehimpulserhaltung gibt es auch die Impulserhaltung. Sie gilt für geradlinige Bewegungen.
Ein bekanntes Beispiel ist der Rückstoß beim Gewehrschuss: Die Kugel fliegt nach vorne, der Schütze bewegt sich leicht nach hinten. Der Gesamtimpuls bleibt erhalten.
Ein weiterer wichtiger Erhaltungssatz ist die Energieerhaltung: Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden, sondern nur ihre Form ändern.
Alle Erhaltungssätze gelten nur in einem abgeschlossenen System, also wenn keine Kräfte oder Energie von außen wirken.
Fragen
- Warum dreht man sich schneller, wenn man die Arme anzieht?
- Warum bleibt die Drehachse stabil?
- Warum kann ein Salto „gestoppt“ werden?
- Was unterscheidet Impuls und Drehimpuls?
- Warum gelten Erhaltungssätze nur in abgeschlossenen Systemen?
Immer noch interessiert?
- Warum kippt ein Fahrrad bei Fahrt nicht um?
- Wie funktioniert ein Kreisel im Alltag?
Wichtige Wörter: Drehimpuls, Drehimpulserhaltung, Winkelgeschwindigkeit, Kreisbewegung, Drehachse, Rotation, Masseverteilung, Kreisel, Impuls, Energie