10. – 13. Schuljahr

Felix Wasserhess

Versuchskartei: Verlassen einer Kreisbahn am Beispiel von Minigolf

Wie sich Objekte verhalten, die eine Kreisbahn verlassen, kann alltagsnah am Beispiel einer Minigolfbahn gezeigt werden (nach [1]): Ein Ball wird durch eine Öffnung in einem Hohlzylinder gespielt und soll möglichst glatt am Innenrand entlangrollen, bis er den Hohlzylinder durch die Öffnung wieder verlässt (s. Abb. 1 ).
Material
  • alter Kunststoffeimer oder -blumentopf (bzw. anderer runder Plastikbehälter),
  • Kunststoffsäge (oder Eisensäge),
  • Tischtennisball (verschiebt den Eimer wg. seines geringen Gewichts nicht),
  • Paketklebeband und Pappkarton.
Bauanleitung
Man sägt zuerst den Boden des Eimers ab und danach ein rechteckiges Loch in den Zylindermantel (s. Abb. 2 ). Die Größe dieser Öffnung sollte so gewählt werden, dass der Ball nach dem Austritt eine Richtungsänderung gegenüber seiner Richtung vor dem Eintritt erfährt. Sinnvoll sind Winkel um die 90°.
Das „Golfloch ist hier kein Loch im Boden, sondern vielmehr eine Art bewegliches Tor. Dafür klebt man ein Stück Pappkarton mit Paketklebeband auf eine Unterlage (s. Abb. 2).
Vermutungen und Hypothesenbildung
Die Fragestellung lautet: Wie muss man das Golfloch platzieren, damit es der Ball nach dem Verlassen des Eimers trifft? Die Schülerinnen und Schüler stellen Hypothesen dazu auf und zeichnen den zu erwartenden Weg des Balls z.B. auf einem Arbeitsblatt ein. Danach kann das Experiment durchgeführt werden, bei dem die Klasse insbesondere den Weg des Balls nach dem Verlassen des Hohlzylinders beobachten soll.
Durchführung und Versuchsziele
Man kann nun die Schülerinnen und Schüler nacheinander das Golfloch platzieren lassen und dann den Ball spielen, bis es schließlich gelingt, das Loch zu treffen. Der Ball sollte von der Lehrperson „gespielt werden, da der Eimer verrutschen oder der Ball zu langsam angestoßen werden könnte. Anstatt den Ball jedes Mal erneut präzise in die Öffnung zu spielen, empfiehlt es sich, den Ball direkt mit einer Hand im Inneren des präparierten Eimers anzustoßen und zwar so, dass er sich direkt glatt an der Zylinderwand entlang bewegt (s. Abb. 3 ).
Das zu erreichende Konzept lautet: „Der Ball verlässt die Kreisbahn tangential (gerade). Weitere Konzepte, über die im späteren Unterrichtsverlauf diskutiert werden könnte, wären: „Der Ball beschreibt eine Kreisbahn, weil der Mantel eine (Zentripetal-)Kraft auf ihn ausübt. „Wegen seiner Massenträgheit rollt der Ball nach dem Zylinder geradeaus weiter.
Hinweise
  • Es kommt vor, dass der Ball „unsauber angestoßen wird oder an der Öffnung kantet bzw. eine Bodenwelle passiert. Dies führt dazu, dass der Ball den Zylinder nicht tangential verlässt. Darüber hinaus erhält der Tischtennisball durch die Reibung am Zylindermantel einen zusätzlichen Eigendrehimpuls. Dieser Effekt kann vernachlässigt werden, wenn der Ball einigermaßen zügig gespielt wird, führt bei langsamem Spiel jedoch zu einer Kurvenbahn des Balls.
  • Man sollte sich bewusst darüber sein, dass sich auch Schülerinnen und Schüler über die Variationen bei den Bahnwegen Gedanken machen werden. Dies ist zwar richtig, behindert jedoch ihren Blick auf das eigentlich angestrebte Konzept des tangentialen Verlassens. Es hat sich deshalb als hilfreich erwiesen zu erklären, dass die beobachteten Abweichungen auf zusätzlichen Effekten beruhen und hier mit Blick auf das zentrale Phänomen vernachlässigt werden können.
  • Auch bestimmte Schülervorstellungen beeinträchtigen die Beobachtungen: Manche Schülerinnen und Schüler denken, der Ball verließe den Eimer nicht mehr, sondern drehe sich trotz der Öffnung in diesem weiter. Andere gehen davon aus, dass der Ball nach dem Verlassen des Eimers eine Kurvenbahn beschreibt, die er durch die Kurvenfahrt von davor noch inne hat.
Literatur
[1]Mitschele, J.: A new use for an old pickle bucket. In: The Physics Teacher 32 (1994), Nr. 4, S. 252 – 253.

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