Ein Karussell, wie gut es auch immer geölt sein mag, verliert irgendwann seinen Schwung, wenn es nicht angetrieben wird. Nehmen wir einmal einen speziellen Karusselltyp, jene interessanten rotierenden Plattformen, die man seit einigen Jahren so hat. Die User könnten versucht sein, den Schwung durch Gewichtsverlagerungen etc. aufrechtzuerhalten, was regelmäßig misslingt und auch schon grundsätzlich zum Scheitern verurteilt zu sein scheint, wie der Versuch von Passagieren eines Segelboots, ihr Gefährt durch Pusten in die Segel vorwärts zu bringen. Warum aber ist es dann möglich, diese Plattformen anzutreiben, indem man auf ihnen geht bzw. läuft, immer bemüht, im Verhältnis zur Umgebung an derselben Stelle zu bleiben? Und, wo wir schonmal dabei sind: Wie funktioniert eigentlich die gewöhnliche Spielplatzschaukel, physikalisch gesehen?
Sendung mit der Mouse
die wüßten sowas
Fangen wir mal mit der Schaukel an: Auch da geht (so gut wie) nichts aus dem stabilen Stand, also einer senkrecht hängenden Schaukel. Gehen wir als von etwas Schwung aus. Beim Zurückschwingen führt der nach vorne gebeugte Oberkörper dazu, dass sich der Schwerpunkt nach vorne verlagert und somit der "Hebel" zwischen Aufhängung und Sitzfläche verkürzt. Beugt man sich jetzt im hinteren Wendepunkt nach hinten, verlängert sich dieser Hebel. Es kommt also zu einer Erhöhung der potenziellen Energie. Umgekehrtes gilt auf der Gegenseite. Diese stetige Energieanreicherung sorgt für eine Fortsetzung der Schaukelbewegung trotz aller Energieverluste aus Reibung, Luftwiderstand etc.
Das heißt, die Vor- und Zurückbewegungen des Schaukelnden ergeben Kräfte, die durch das Hebelgesetz beschrieben werden können?
Hebelgesetz ist vielleicht nicht ganz korrekt. Am hinteren Wendepunkt habe ich ja ganz kurz einen Moment des Stillstands der Schaukel. Die Konstellation ist mit potenzieller Energie aufgeladen. Es ginge direkt zu Boden, wäre da nicht die Schaukel, die den Schaukelnden in eine Kreisbahn zwingt. Und diese Schaukel kann ich schon als Hebel sehen, der u.a. an der Aufhängung wirkt. Und je weiter ich mich zurücklehne, desto stärker ist der Hebel in dem Moment.
Also: Die Arbeitsleistung zur Erhöhung der potenziellen Energie erfolgt in den Phasen, in denen sich der Schaukler aufrichtet, und diese erhöhte potenzielle Energie wird an den Scheitelpunkten der Auslenkung freigesetzt, in denen sich der Schaukler ausstreckt und dadurch den Schwerpunkt wieder senkt. Dass da tatsächlich eine Anhäufung und Verausgabung von Energie erfolgt, kann man experimentell leicht bestätigen: Mit Schaukelunterstützung gelingen ganz schön weite Sprünge. Frage: Müsste dieses Prinzip nicht auch bei den erwähnten, schief gelagerten Plattformen funktionieren, und zwar durch wechselweises Aufstehen und Hinhocken (vorausgesetzt natürlich, man kann dabei irgendwie auf der Plattform halten)?
Bei einer schiefen Plattform müsste man sich nach außen neigen, wenn es herunter geht, nach innen, wenn es wieder herauf geht. Nur ist da wohl der Effekt zu gering, als dass man den Drehimpuls der Scheibe konstant hielte. Je schräger geneigt, desto besser, was diesen Effekt anginge. Nur gibt es dann Probleme mit der Standfestigkeit. Spannender ist da der Effekt aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses: Die Scheibe dreht schneller, je weiter innen an der Drehachse man sich stellt. Ist auch bei Eislaufpirouetten zu beobachten. Mit dem Ausstrecken der Arme reduziert sich die Drehfrequenz und vice versa.
Drehungen scheinen in der Physik unter dem Begriff rotierende Bezugssysteme ja auch ganz was Feines zu sein. Abgründe tun sich vor mir auf.