Stiftung PHÄNOMENTA Lüdenscheid

Torsionswelle

Lfdn Nr 136Lenke einen Stab aus und beobachte die Bewegung der anderen Stäbe!

WORUM GEHT ES?
Diese Station ist eine der größten in der PHÄNOMENTA. Sie ist über vier Stockwerke zwischen Boden und Decke im Aufzugschacht des Altbaus gespannt und kann gut durch die gläserne Rückwand der Aufzugkabine betrachtet werden. Im Erdgeschoss befindet sich der Zugang zu der Station.

Die Torsionswelle besteht aus waagerechten Stäben, die in ihrer Mitte an einem Band aus Federstahl befestigt sind. An ihren Enden befinden sich als Gewichte runde farbige Acrylglasscheiben. Wird in dieser riesigen Konstruktion aus Metallstäben und Glasscheiben ein einzelner Stab in eine andere Richtung gedreht und festgehalten, überträgt sich diese Auslenkung nach und nach auf die anderen Stäbe. Es entsteht die majestätisch langsame Ausbreitung einer Störung, die von dem Punkt der ersten Auslenkung ausgehend gleichzeitig nach oben und unten läuft.

WESHALB IST DAS SO?
Lenkt man einen Stab der Torsionswelle aus, verdreht man das Metallband, das die einzelnen Schwinger miteinander verbindet. Durch diese elastische Verformung gekoppelt breitet sich die Bewegung über das Metallband gleichzeitig nach oben und unten aus, so dass nach und nach alle Stäbe der Drehung des ersten folgen. Es entsteht eine Welle, die sich entlang des Stahlbandes bewegt. Während dieses Prozesses wird beständig Energie zwischen Metallband und Schwinger ausgetauscht.

Bei Drehung des ersten Stabes und der damit verbundenen Verformung des Metallbandes fügt man dem System aus Band und Schwingern Spannenergie zu. Diese breitet sich über das Metallband aus und wird dabei in Bewegungsenergie der Stäbe umgewandelt.

Trifft die Welle auf die Aufhängung am Boden und an der Decke, kann die Energie nicht mehr an einen nächsten Schwinger weitergegeben werden. Stattdessen wird die Verformung des Bandes an Decke und Boden reflektiert und die Stangen bewegen sich nun in umgekehrter Reihenfolge nach und nach wieder zurück in ihre Ausgangslage. Wie sich die Welle zuvor nach oben und unten ausgebreitet hat, läuft sie nun auf die Mitte zu. Treffen beide Bewegungen von Boden und Decke aufeinander, überlagern sie sich und laufen durcheinander hindurch.

Irgendwann verebbt die Welle aufgrund von Energieverlusten durch Reibung in der Luft und an den Punkten der Aufhängung und durch Wärme, die bei der Verformung des Metallbandes freigesetzt wird. Dem kann man entgegenwirken, indem man den ersten Stab kontinuierlich anregt. Dabei fügt man dem System beständig Energie zu, die den erwähnten Energieverlust kompensiert. Macht man dies geschickt und im richtigen Rhythmus kann man – wie bei der „Großen Feder“ – eine stehende Welle erzeugen!

Alltagsbezug
In der Technik sind praktisch alle Wellen Torsionswellen. Bei den meisten sind die Schwingungen so klein und die Frequenzen so hoch, dass keine Maßnahmen zur Dämpfung erforderlich sind. Bei langen Wellen mit hohen Kräften kommen jedoch oft Schwingungsdämpfer zum Einsatz. So besitzen Kurbelwellen von Zwölfzylindermotoren Schwingungsdämpfer, um Torsionsschwingungen und damit eine Zerstörung des Motors zu vermeiden.

Termine

23. September 2017
Physik in Hollywood
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27. September 2017
Fachtag Grundschule
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Bitte beachten!

Wegen einer Veranstaltung ist das Phänorama am 09.09.2017 bis 14 Uhr nicht zugänglich.

Am 12.10.2017 findet eine ganztätige Veranstaltung in der PHÄNOMENTA statt. Das Phänorama sowie die Bereiche „Von Strahlen und Spiegeln“ und „Farbforschen“ sind an diesem Tag nicht zugänglich! Einige Exponate aus diesen Bereichen sind aber an anderer Stelle im Haus zu finden.

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