Drehstuhl mit Kreiselantrieb

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Nimm das rotierende Rad fest in beide Hände und setze dich auf den Drehstuhl! Halte die Achse des Rades dabei zunächst waagerecht, dann neige sie.

WORUM GEHT ES?
Du sitzt auf einem hohen Drehstuhl. Weder mit den Füßen noch mit den Händen kannst Du Dich irgendwo abstützen. Wie willst Du Dich mitsamt Stuhl um die eigene Achse drehen? Ganz einfach: mit einem Schwungrad in Deinen Händen. Hältst Du die Achse des Rades waagerecht, während es sich dreht, passiert gar nichts. Aber sobald Du das Rad zur Seite neigst, fängt der Stuhl an sich zu drehen. Ein Weltraumsatellit macht es übrigens genauso!

WESHALB IST DAS SO?
Jeder Körper, der sich bewegt, behält – frei von äußeren Kräften – seine Bewegungsrichtung bei. Denk an einen Kreisel: Es bedarf einer Kraft, um die Richtung zu ändern, in die er sich dreht. Wissenschaftler sprechen von der Drehimpulserhaltung des Kreisels.

Wenn Du also auf dem Drehstuhl sitzt, beginnt der Stuhl als Reaktion auf den Kraftaufwand sich zu drehen. Das hat mit dem Drehimpulserhaltungssatz zu tun, der auf den englischen Physiker Sir Isaac Newton zurückgeht. Er besagt, dass der Gesamtdrehimpuls eines abgeschlossenen Systems (Du mit dem Drehstuhl und dem Kreisel) stets konstant bleibt, solange es nicht von außen beeinflusst wird. Sobald Du das aufrecht gehaltenen Rad in Bewegung setzt, hat es einen Drehimpuls. Dadurch passiert mit Dir und dem Stuhl aber noch nichts. Erst wenn Du die Achse des rotierenden Rades aus der Horizontalen in die Vertikale kippst, ändern sich die Drehimpulse im System. Um den Gesamtdrehimpuls auf Null zu halten, beginnt der Drehstuhl sich in entgegengesetzter Richtung zum Rad zu drehen. Bringst Du das Rad in die Ausgangsposition zurück, bleibt auch der Stuhl stehen.

Stuhl und Rad drehen sich immer gegenläufig. Du hast also zwei Möglichkeiten die Drehrichtung des Stuhls zu beeinflussen: Je nach dem in welche Richtung Du das Rad zur Seite neigst, oder je nach dem in welche Richtung Du das Rad antreibst.

Alltagsbezug
Was hat das nun mit einem Weltraumsatelliten zu tun? Die Drehimpulserhaltung tritt bei Reaktionsrädern, die in Weltraumsatelliten zur Steuerung und Beibehaltung der Orientierung eingesetzt werden, auf. Dies kann man auch auf der Erde simulieren. Wenn Du zum Beispiel eine Bohrmaschine einschaltest, kannst Du spüren, dass das Gehäuse entgegen der Drehbewegung anruckt und festgehalten werden muss. Auch in einem Gewehrlauf befinden sich Rillen, die schraubenförmig verlaufen. So wird das Projektil, das heute keine Kugel mehr ist, sondern nur so genannt wird, in Drehung versetzt. Ansonsten würde das Projektil anfangen zu taumeln und die Treffsicherheit würde stark sinken.