Wer hat das Newtonsche Pendel erfunden?
Entgegen der landläufigen Meinung und entgegen seinem Namen wurde das Perpetuum Mobile nicht von Isaac Newton erfunden, und er war auch nicht der erste, der die Regeln für dieses Spielzeug niederschrieb.
Die mit einem Abakus demonstrierten Prinzipien wurden erstmals 1662 in einem von John Wallis, Christopher Wren und Christiaan Huygens für die Royal Society verfassten Papier diskutiert. Vor allem Christiaan Huygens trug am meisten zur Entwicklung der Wiege bei. Huygens‘ Forschungsarbeit De Motu Corporum ex Percussione befasst sich mit der Kollision von schwebenden Objekten und der Übertragung von Bewegungen von einem sich bewegenden Körper auf einen ruhenden Körper. Huygens war der erste, der darauf hinwies, dass zur Erklärung des Mechanismus eines Kugelpendels der Impulserhaltungssatz und eine Zahl, die proportional zur Geschwindigkeit multipliziert mit der Masse im Quadrat ist, verwendet werden müssen. Die Größe Masse multipliziert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ist in der Tat die kinetische Energie eines sich bewegenden Körpers, aber dieser Begriff wurde fast 100 Jahre nach Huygens‘ Entdeckung erfunden.
Der Impulserhaltungssatz hingegen wurde ursprünglich von René Descartes vorgeschlagen. Die von ihm vorgeschlagene mathematische Darstellung beinhaltete jedoch die Geschwindigkeit anstelle des Impulses. Renés Formel, Impuls = Masse x Geschwindigkeit, konnte in bestimmten Szenarien verwendet werden, erklärte aber nicht den Zusammenstoß von Objekten und die daraus resultierenden Bewegungsgrößen. Huygens ersetzte die Geschwindigkeit durch einen Vektorwert, der die Kollisionen von Objekten besser erklären konnte.
Eine andere Spur führt zurück zu Abbé Mariotte, einem französischen Priester und Physiker, der als erster Experimente mit Pendelkugeln durchführte und aufzeichnete. Issac Newton schrieb über Mariottes Forschungen in seinem Buch Principia, und es war sein Beitrag zu dem System, das wir heute als sein eigenes kennen.
Es wird angenommen, dass der Abakus aus zwei Gründen zu Ehren Newtons benannt wurde.
- Der Erhaltungssatz lässt sich aus Newtons zweitem Gesetz ableiten (Kraft = Massenbeschleunigung)
- Als Tribut an Newtons größeren Beitrag zur Wissenschaft der Physik als Huygens oder Mariotte.
Wie funktioniert ein Newtonsches Pendel?
Ob Sie es nun als Newtons Wiege oder als Newtons Abakus kennen, die Chancen stehen gut, dass Sie dieses lehrreiche Schreibtischspielzeug, das sich einer Erklärung zu entziehen scheint, bereits gesehen haben. Dieses wissenschaftliche Objekt besteht aus einer Reihe von fünf Metallkugeln, die so angeordnet sind, dass sie sich kaum berühren, und die mit dünnen Drähten an einem Rahmen aufgehängt sind.
Wenn eine Kugel an einem Ende des Pendels von den anderen wegbewegt und losgelassen wird, schlägt sie auf die nächste Kugel, die stehen bleibt. Die Kugel am anderen Ende der Reihe wird jedoch in die Luft geschleudert, kommt zurück und trifft die anderen Kugeln, wodurch die Kettenreaktion in umgekehrter Richtung ausgelöst wird.
Wie funktioniert also der Newtonsche Abakus? Das Gerät lässt sich anhand einiger grundlegender Prinzipien der Physik und Mechanik erklären (wie sie von Sir Isaac Newton, René Descartes und anderen theoretisiert wurden).
Das Newtonsche Pendel veranschaulicht auf treffende Weise den Grundsatz der Impulserhaltung (Masse multipliziert mit Geschwindigkeit). Dieser Grundsatz besagt, dass beim Zusammenstoß zweier Objekte der Gesamtimpuls der Objekte vor dem Zusammenstoß gleich dem Gesamtimpuls der Objekte nach dem Zusammenstoß ist.
Mit anderen Worten: Wenn die erste Kugel in Newtons Wiege mit der zweiten zusammenstößt, bleibt die erste Kugel stehen, aber ihr Schwung geht nicht verloren, sondern wird auf die zweite Kugel übertragen, dann auf die dritte, dann auf die vierte, bis sie die allerletzte Kugel erreicht. Diese Impulserhaltung sieht man daran, dass die letzte Kugel mit fast dem gleichen Schwung durch die Luft fliegt wie die erste Kugel. Wenn also zwei Kugeln an einem Ende des Geräts in die Luft gehoben und losgelassen werden, schwingen zwei Kugeln am gegenüberliegenden Ende mit.
Diese ständige Bewegung der Kugeln ist auch ein Beweis für den Newtonschen Energieerhaltungssatz, der besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, sondern nur ihre Form ändern kann. Die Newtonsche Wiege veranschaulicht den letzten Teil des Gesetzes recht gut, da sie die potenzielle Energie einer Kugel in kinetische Energie umwandelt, die entlang der Kugellinie übertragen wird und schließlich die letzte Kugel nach oben schwingen lässt.
FAQ zur Newtonschen Wiege
Hält das Newtonsche Pendel an und warum?
Wenn die Kugeln an beiden Enden schwingen, verlieren sie aus verschiedenen Gründen Energie. Dazu gehören die Reibung der Luft, der Schall, wenn sie zusammenstoßen, und die Wärme, wenn sie zusammenstoßen. All diese Faktoren entziehen den Kugeln Energie, bis die kinetische Energie und der Impuls auf Null reduziert sind, was die Kugeln verlangsamt und sie zum Stillstand bringt. Die Newton’schen Pendel funktionieren je nach Modell unterschiedlich lange, kommen aber alle irgendwann zum Stillstand, weil ihnen die Energie fehlt.
Was treibt die letzte Kugel in einem Newtonschen Pendel an?
Das Newtonsche Pendel besteht aus 5 Kugeln, die an Drähten aufgehängt sind. Wenn die erste Kugel aus dem Gleichgewicht gebracht wird, wird sie von der Schwerkraft angezogen und schlägt auf die zweite Kugel. Die kinetische Energie wird dann auf die letzte Kugel übertragen, so dass diese in Bewegung gerät. Sie wird zum Schwingen gezwungen, da sie ihre Energie nicht auf eine andere Kugel übertragen kann.
Wofür wird das Newton-Pendel verwendet?
Das Newtonsche Pendel ist auf vielen Schreibtischen in der ganzen Welt zu finden. Dieses elegante wissenschaftliche Objekt hilft bei der Demonstration der Energieerhaltung, der Impulserhaltung und des Reibungsprinzips mit Kugeln, die schwingen und zusammenstoßen. Es ist auch ein idealer Stressabbau, um Ihren Raum zu dekorieren.
Kann ein Newton Abakus nur mit bestimmten Materialien funktionieren?
Das Newtonsche Prinzip funktioniert mit jedem Material, solange die Kugeln hochelastisch und von gleichmäßiger Dichte sind. Edelstahl ist eines der gebräuchlichsten Materialien, da es sowohl hochelastisch als auch relativ preiswert ist. Andere elastische Metalle wie Titan funktionieren ebenfalls, sind aber teurer.
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