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31.05.2018 11:08 Alter: 20 days

Foucault‘sches Pendel


Wahlpflichtfach „Physik im Experiment“, Montagsgruppe

Wahlpflichtfach „Physik im Experiment“, Mittwochsgruppe

Und sie bewegt sich doch“ soll einst Galileo Galilei gesagt haben, nachdem er sich zuvor vor den Kirchenoberen von dem heliozentrischen Weltbild wider besseres Wissen distanzieren musste. „Und sie dreht sich doch“ mag dem Beobachter in den Sinn kommen, wenn er des Nachts dem Lauf der Sterne am Himmel folgt.

Wovon ist die Rede?

Es geht um unsere Erde, besser gesagt um die Bewegung unserer Erde. Zum einen bewegt sich unsere Erde im Laufe eines Jahres einmal um die Sonne. Darüber hinaus dreht sich die Erde im Laufe eines Tages einmal um sich selbst. Letzteres wurde 1851 experimentell nachgewiesen von Léon Foucault, einem französischen Physiker, durch ein auf den ersten Blick einfach erscheinendes Experiment:

Foucault baute im Keller seines Hauses ein Pendel auf und verfolgte die Spur, die das Pendel im Sand auf dem Boden im Keller hinterließ. Dabei stellte er fest, dass sich die Ebene, in der das Pendel hin- und herschwingt, im Laufe der Zeit dreht. Aber was treibt diese Drehung an, es wirkt doch keine Kraft auf das Pendel? Die Erklärung fand Foucault in der Deutung, dass sich nicht das Pendel dreht, sondern dass sich die Erde unter dem Pendel wegdreht. Ein (weiterer) Beweis für die Erdrotation war damit gegeben.

Die Schüler des Wahlpflichtfaches „Physik im Experiment“ haben sich diesen Nachweis der Erdrotation mithilfe eines Foucault‘schen Pendels zur Aufgabe gemacht. Die größte Herausforderung lag darin, ein Pendel aufzubauen, das über mehrere Stunden hinweg gleichmäßig hin- und herschwingt, am besten erst gar nicht zum Stillstand kommt. Zwei Gruppen waren am Werk. Beide Gruppen hatten einen unterschiedlichen Lösungsansatz.

Die Montagsgruppe folgte einer Idee, bei dem auf der Unterseite des Pendels ein Permanentmagnet angebracht wird, über den das Pendel in regelmäßigen Abständen einen magnetischen „Schubs“ erfährt und damit in Bewegung gehalten wird. Dieser magnetische Schubs erfolgt immer dann, wenn das Pendel den tiefsten Punkt seiner Bahn durchläuft. Ein sogenannter Hallsensor registriert diesen tiefsten Punkt und gibt ein entsprechendes Signal an einen kleinen Computer (Raspberry Pi) weiter. Mithilfe eines von der Wahlpflichtgruppe selbst entwickelten Programms wird dann zeitverzögert ein Relais angesteuert, über das ein Elektromagnet am Boden mit Strom versorgt wird und damit ein Gegenfeld zum Pendelmagneten aufbaut. Gleichnamige Pole stoßen sich ab, das Pendel bekommt einen kleinen Impuls. Mit diesem Verfahren konnte ein Pendel aufgebaut werden, das bereits über mehrere Tage hinweg ohne Unterbrechung hin- und herpendelt.

Die Mittwochsgruppe folgte einer Idee, bei der dem Pendel bei jeder Schwingung über einen Elektromagneten am Aufhängepunkt immer wieder etwas Energie zugeführt wird. Dieses Konzept kommt ohne Computer aus und wurde mithilfe einer Schaltung realisiert, die über die metallene Konstruktion am Aufhängepunkt verläuft (Verwendung einer Gitarrensaite als Pendelseil). Vorteil ist, dass die aufwändige Konstruktion am Boden entfällt. Die magnetischen Kräfte wirken hier axial, was einen kleinen Hub des Pendels zur Folge hat (ähnlich dem Verfahren in der Kirche von Santiago di Compostela, bei der ein Weihrauchfass, „Botafumeiro“, von acht Mönchen durch Ziehen am Pendelseil in Schwung versetzt wird). Es stellte sich im Laufe des Projekts aber heraus, dass die so erzeugten Kräfte zu gering sind, so dass das Konzept nach einigen Versuchen zurückgestellt werden musste. Die Ansteuerung hingegen funktioniert tadellos.

Inzwischen ist das Foucault‘sche Pendel gemäß Konzept 1 im 2ten Obergeschoß des Gymnasiums Schillerstraße aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Es ist sicherlich das einzige in Vorarlberg und kommt mit einer Pendellänge von nur 3 m aus. Die Kugel ist mit Sand gefüllt und hat ein Gewicht von ca. 7 kg. Der Aufbau führt zu vielfältigen Fragen der vorbeilaufenden Schüler: Was ist das, was passiert hier? Wow, damit kann man wirklich die Erdrotation beobachten?

Ja. Und noch viel mehr. So kann man damit auch über Messung der Schwingungsdauer die Erdbeschleunigung g berechnen. Die Schüler ab der 6ten Klasse Physik wissen sicherlich, was gemeint ist und wie das geht.

Das „Foucault‘sches Pendel“ ist eines der größeren Projekte, das sich das Wahlpflichtfach „Physik im Experiment“ zum Thema gemacht hat. Weitere folgen dann im nächsten Jahr.

Vielen Dank an die Schüler des Wahlpflichtfaches für ihre Leistung und ihr Engagement in diesem Projekt. Es hat Spaß gemacht. Dank auch an Mario Wüschner, der mit einer Raspberry-Pi-Schulung dessen Möglichkeiten aufgezeigt und Hemmungen abgebaut hat, sich dieser vielversprechenden Technologie zu nähern.

Zum Schluss soll aus dem Vorspann aus Umberto Ecos Roman „Das Foucault‘sche Pendel“ zitiert werden:

„Da endlich sah ich das Pendel.
Die Kugel, frei schwebend am Ende eines langen metallischen Fadens, der hoch in der Wölbung des Chores befestigt war, beschrieb ihre weiten, konstanten Schwingungen mit majestätischer Isochronie.
Ich wusste – doch jeder hätte es spüren müssen im Zauber dieses ruhigen Atems –, dass die Periode geregelt wurde durch das Verhältnis der Quadratwurzel aus der Länge des Fadens zu jener Zahl Pi, die, irrational für die irdischen Geister, in göttlicher Ratio unweigerlich den Umfang mit dem Durchmesser eines jeden möglichen Kreises verbindet, dergestalt, dass die Zeit dieses Schweifens einer Kugel von einem Pol zum anderen das Ergebnis einer geheimen Verschwörung der zeitlosesten aller Maße war – der Einheit des Aufhängepunktes, der Zweiheit einer abstrakten Dimension, der Dreizahl von Pi, des geheimen Vierecks der Wurzel und die Perfektion des Kreises.“

Quelle:  Eco, Umberto. „Das Foucault’sche Pendel“, Ausgabe 1989, Verlag: Carl Hanser, München.

Winfried Brüser, 30.05.2018

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