Stiftung PHÄNOMENTA Lüdenscheid

Kippschwingung

Lfdn Nr 142Beobachte, wie sich die Schaufeln füllen und leeren!

WORUM GEHT ES?
Die Pumpe, die das Wasser aus dem Vorratsbecken in die oberste Schaufel pumpt, wird über das Western Windrad auf der oberen Dachterrasse betrieben. Das heißt aber auch, dass bei totaler Windstille die Pumpe nicht in Betrieb und die Kippschwingung außer Funktion ist.

In einem Turm befinden sich übereinander vier Schaufeln, die jeweils auf einer drehbar gelagerten Stange montiert sind. Durch die obere Abdeckung führt ein Schlauch, aus dem Wasser in die erste Schaufel fließt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kippt diese Schaufel um und das Wasser fließt in die nächste Schaufel. Bei genügend Wasserfüllung kippt auch die zweite Schaufel um und gibt ihr Wasser an die dritte weiter. Diese übergibt den Wasserinhalt an die vierte Schaufel und von dort gelangt das Wasser wieder in den Vorratsbehälter.

WESHALB IST DAS SO?
Zu Beginn, wenn die erste Schaufel leer ist, liegt ihr Schwerpunkt links von der drehbar gelagerten Stange, auf der sie montiert ist. Je mehr Wasser in die Schaufel läuft, desto weiter verlagert sich der Schwerpunkt nach rechts, bis er sich schließlich genau über der drehbar gelagerten Stange befindet. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Schaufel in einem labilen Gleichgewicht, das heißt, die Schaufel kann durch die kleinste Berührung aus ihrer Lage gebracht werden und verlässt damit unwiderruflich ihre Gleichgewichtslage. Läuft nun noch mehr Wasser in die Schaufel, verlagert sich der Schwerpunkt langsam seitlich über die Stange hinaus. Das hat zur Folge, dass die Schaufel umkippt und ihr gesamtes Wasser an die nächste Schaufel weitergibt. Dann schwingt sie in ihre Ausgangslage zurück. Dieser Vorgang löst eine Art Kettenreaktion aus, bei der die restlichen Schaufeln auch nacheinander umklappen, sobald genug Wasser in die einzelnen Schalen gelaufen ist.

Alltagsbezug
Einen periodisch wiederkehrenden Vorgang, bei dem wie hier eine Schaufel kontinuierlich gefüllt wird und der dann plötzlich durch Ausschütten des Wassers in den leeren Anfangszustand zurückkehrt, nennt man Kippschwingung. Eine solche Kippschwingung lässt sich mit geeigneten Schaltungen auch im Bereich der Elektronik erzeugen: Ein Kondensator wird kontinuierlich geladen und dann in sehr kurzer Zeit entladen. Mit den erhaltenen Kippspannungen steuert man z.B. in Oszilloskopen und Röhrenfernsehern den Elektronenstrahl.

Wenn man den Vorgang der sich füllenden und umkippenden Schaufeln betrachtet, kann man auf die Idee kommen, damit die Zeit zu messen in Form einer „Wasseruhr“. Wenn man erreicht, dass der gleichmäßige Wasserzufluss die Schaufel nach genau einer Minute zum Kippen bringt, hat man schon einen Minutentakt. Wenn die folgende Schaufel nach genau fünf Füllungen aus der Minutenschaufel kippt, hat man dort einen Fünfminutentakt. Das System lässt sich schließlich mit weiteren Schaufeln zu einer 24-Stundenuhr ergänzen.

Termine

24. Juni 2017
Informationsnachmittag für Lehrer/innen und Erzieher/innen
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