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Klacker-Kugeln - so funktioniert Newtons Wiege

Bei den bekannten Klacker-Kugeln handelt es sich um das Kugelstoßpendel, das oftmals auch Newtons Wiege genannt wird. Aber wie funktioniert das beliebte Spielzeug eigentlich?

Newtons Wiege ist ein beliebtes Spielzeug.
Newtons Wiege ist ein beliebtes Spielzeug.

Klacker-Kugeln - das beliebte Spielzeug

  • Dieses beliebte Spielzeug für den Büroschreibtisch hat viele Namen. So werden die Klacker-Kugeln (ihrem Geräusch entsprechend) auch Klick-Klack-Maschine, Kugelstoßpendel (wegen der Aufhängung) oder Newtons Wiege (aus dem englischen Sprachgebrauch) genannt.
  • Aber egal, wie Sie dieses Spielzeug nennen: Immer handelt es sich um fünf Stahlkugeln, die in einem quaderförmigen Gestell an Fadenpendeln aufgehängt sind. 
  • Nimmt man eine der beiden äußeren Kugeln, hebt sie an und lässt sie dann auf die verbliebenen Kugeln aufprallen, so bleibt erstaunlicherweise gerade diese Kugel nach dem Stoß völlig ruhig. Jedoch am anderen Ende der Kugelkette tut sich etwas: die letzte Kugel wird mit etwa der gleichen Geschwindigkeit nach oben geschleudert. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die unvermeidliche Reibung die Energie des Systems verbraucht hat.
  • Besonders interessant sind Spielereien, bei denen zwei (oder mehr) Kugeln gleichzeitig oder leicht zeitversetzt auf die verbliebenen prallen. Probieren Sie diese Variante einmal aus. 

Newtons Wiege - ein bisschen Physik

Bei den Klacker-Kugeln gewinnt man den Eindruck, als ob die jeweils gegenüberliegenden Kugeln die Rolle der ursprünglich angestoßenen Kugel übernehmen, die restlichen Kugeln verbleiben ruhig, fast unbeteiligt. Aber stimmt das eigentlich? Und wieso ist das so? Wenn man einen Ball beispielsweise auf mehrere Bälle aufprallen lässt, bewegen sich anschließend ja auch alle Bälle. Wieso also bewegen sich immer nur so viele Kugeln, wie angehoben wurden?

  • Das Kugelspiel demonstriert zunächst zwei wichtige Erhaltungssätze der Physik, nämlich die Energieerhaltung und die (nicht so geläufige) Impulserhaltung.
  • Bei dem elastischen Stoß der ausgelenkten Kugel wird auf die Kugelkette Bewegungsenergie (kinetische Energie) übertragen sowie ein Impuls (früher Bewegungsgröße "Masse x Geschwindigkeit" genannt). Diese beiden Größen bleiben - Reibung außer Acht gelassen - erhalten.
  • Allerdings sollte man doch erwarten, dass bei diesem Stoß alle vier getroffenen Kugeln davonfliegen, eben langsamer und weniger hoch.
  • Das Spielzeug lehrt jedoch das Gegenteil, selbst zwei ausgelenkte Kugeln scheinen ihre "Information" an die Kugelkette weiterzugeben.
  • Tatsächlich spielt hier die endliche Laufzeit des Treffersignals eine Rolle. Trifft die ausgelenkte Kugel auf die Kette, so überträgt sie ihre Energie und ihren Impuls zunächst auf die erste Kugel. Dieser Impuls benötigt nun eine endliche Zeit, um sich auf die nächste Kugel zu übertragen usw. Zuletzt kommt die Stoßinformation dann an der letzten Kugel an - und diese fliegt hoch.

Kugelpendel mit erstaunlichen Eigenschaften

Von den beliebten Klacker-Kugeln gibt es noch eine interessante Variante, nämlich eine der Kugeln (die am Anfang der Kette, sprich: die zweite Kugel) ist magnetisch. Bei diesem Spielzeug schießt die Kugel am anderen Ende nämlich mit hoher Geschwindigkeit davon, was uneingeweihte Zuschauer mächtig verblüfft. Der Trick ist simpel: Die ankommende Kugel wird von der ersten Kugel der Kette, die ja magnetisch ist, kurz vor dem Stoß zusätzlich angezogen und dadurch stark beschleunigt.

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