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07. 10. 2009
Grundfragen der Physik,
neu gestellt und beantwortet von einer Frau
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Physik als Kinderspiel
Spielzeug-Tipps für physikalisches Spielzeug

Hallo Kinder,    

auf dieser Seite findet Ihr einige Beispiele für Spielzeuge, die mit Physik zu tun hat.

Einige sehr schöne Spielzeuge habe ich in einem Verkaufs-Katalog gefunden.  Am liebsten würde ich sie alle selbst kaufen, damit Kinder hier in Wittenberg damit spielen können.
Da das Spielzeug recht teuer ist, werden viele Eltern gar nicht das Geld dafür haben. Es sind auch Dinge darunter, mit denen man nur ab und zu oder sogar nur einmal spielt, und dann liegen sie zu Hause rum.

Daher  denke ich, daß es eigentlich besser ist, wenn man dieses Spielzeug für viele Kinder nur einmal kauft und dann alle Kinder, die Lust dazu  haben, kostenlos damit spielen können, so oft sie wollen.  Deshalb hätte ich auch gern ein "Physik-Spiel-Zimmer" hier in Wittenberg  eingerichtet*. Leider fehlt mir selbst das dafür nötige Geld und leider habe ich auch bisher niemanden  gefunden, der Lust gehabt hätte, sein Geld dafür auszugeben.

Wer heutzutage gutes physikalisches oder technisches Spielzeug kaufen will, muß lange suchen und oft auch tief in die Tasche greifen. Selbst in dem kleinen Lädchen im "Spectrum" in Berlin ist das Angebot sehr schwach. Deshalb ist diese Seite mit  Physik-Spielzeugen vielleicht ganz interessant.

Neben der Abbildung ist eine Beschreibung, was Ihr damit machen könnt. Für die Größeren stehen rechts daneben ein paar Bezeichnungen, die man in der Physik zur Beschreibung verwendet. 
Diese "Begriffe" sind  in dem Text  blau und fett hervorgehoben und in Anführungsstriche gesetzt:
zum Beispiel die "Masse" und die "Energie".

Natürlich möchte ich hier noch mehr Physik-Spielzeuge  vorstellen. Wenn Ihr eines habt oder kennt, das mit in diese Liste soll, dann schreibt mir doch.  Ich würde mich sehr darüber freuen.
Eine Email genügt an:
meine email-Adresse

PS.: Die Abbildungen habe ich entnommen dem Katalog und der Website: www.manufactum.de.
Von dem Handelsunternehmen "Manufactum" habe ich die Erlaubnis erhalten, diese Abbildungen zu verwenden.
Die Spielzeuge sind in unterschiedlichen Maßstäben abgebildet. Z. B. sind die "Magnet-Oliven" nur etwa 6 cm lang.


*
Das Konzept zu diesem "Physik-Spiel-Zimmer" ist zu finden auf der Seite Wittenberg » Physik zum Anfassen » PZA-Konzept.
Abbildung Beschreibung physikalische Begriffe
Der einfache Kreisel
Kreisel

Dieser einfache Kreisel hat es in sich:
Man muß an dem Griff oben  einen Stab herausziehen und dann wieder in den Kreisel reindrücken. Da der Stab in sich verdreht ist, ist es schwieriger als es aussieht und kostet auch ziemlich viel Kraft. Doch wenn man es nach einigen Versuchen kann, fängt der Kreisel an, sich zu drehen, ohne daß er wieder umfällt. Dabei hört man ein Summen, das immer heller und feiner wird. Wenn seine Drehung langsamer wird, beginnt er zu "torkelt", das sieht recht lustig aus.
Im Jahr 1880 erfand Lorenz Bolz diesen Kreisel,  deshalb heißt er auch "Bolz-Kreisel".
Was der Kreisel macht, dieses "Phänomen" wird als "Drehimpulserhaltung" in der Physik beschrieben.  Die "Drehachse" bleibt gegen äußere Störungen relativ stabil und zeigt senkrecht nach oben.  Weitere physikalische Begriffe, die hiermit zu tun haben, sind z. B.: "Kraft", "Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde", "Rotation" (das ist das wissenschaftliche Wort für  "Drehung"), "Rotationsgeschwindigkeit" und "Reibung".
Der "Rotations-Expander"
Fadenspiel
Fadenspiel
Dieses Spiel ist überall auf der Welt bekannt: Man kann es sich selbst herstellen - mit einem Knopf und einem robusten Bindfaden, der aber durch die Knopflöcher passen muß. Dann faßt man in die Schlaufen (hier sind es Ringe) und schleudert den Knopf bzw. die Scheibe so lange, bis sich der Faden oder das Seil  immer mehr verdrehen. Dann zieht man die Schlaufen vorsichtig auseinander. Das ist eine am Anfang äußerst schwierige Sache,  denn man muß das richtige Gefühl dafür bekommen: nicht zu schnell oder zu kräftig aber auch nicht zu langsam oder zu schlaff darf man ziehen.
Der Faden darf nicht durchhängen, muß immer gerade richtig straff sein. Durch das Auseinanderziehen dreht sich der Knopf bzw. die Scheibe nun andersherum.
Irgendwann spürt man, wie sich der Faden wieder zusammenziehen will und man muß einfach nachgeben, weil diese Kraft sehr stark ist. Dann wiederholt sich das Spiel in die andere Richtung.

In dem Katalog werden diese Geräte mit relativ schweren "Schwungrädern" (von 82 g bis 235 g) angeboten, so daß man richtig  Kraft benötigt, das Spielzeug halten zu können.  Sie sind deshalb sogar für ein Krafttraining  geeignet.
Das Prinzip ist hier so ähnlich wie beim Kreisel oben.
Doch hier geht es mehr um die "Kraft" bzw. "Energie" und um die "Masse", die in dem kleinen Scheibchen steckt: so funktionieren Schwungräder, wie sie z. B. zur Energiespeicherung benutzt werden.
In der ersten Phase kann man Energie auf die "Schwungmasse" übertragen, solange der Faden sich noch verdrillt. Doch wenn die Scheibe sich dann andersherum dreht und der Faden sich wieder "ausdreht",  also die Verdrehung rückgängig machen will, dann kann man nicht mehr an dem Faden ziehen, also keine Energie übertragen, ohne das Spiel zu unterbrechen.   Das geht erst wieder ab dem Augenblick, wo der Rotations-Körper zum Stillstand kommt.
Diese beiden "Phasen" - die der Kraftübertragung und die des Abwartens -  müssen im richtigen "Takt" geschehen, Zwischen meinen Aktivitäten und dem Verhalten des Expanders muß "Resonanz" herrschen.
Der Wrist-Ball oder Gyroskop-Trainer

Gyroskop
Dieses Spielzeug gibt es an vielen Orten  und in verschiedenen Modellen zu kaufen. Immer ist eine geheimnisvolle Kugel in einer äußeren Kugel eingeschlossen.  Man bringt diese innere Kugel durch einen Faden (oder durch einfaches Abrollen an einer Fläche) zum Drehen. Indem man dann die Hand auf eine bestimmte Art und Weise schleudert, dreht sich diese Kugel immer schneller. Ehe man den Trick raushat, die Kugel zum Drehen zu bringen, muß man schon eine Weile üben. Wenn sich die innere Kugel dann immer schneller dreht, ist es unglaublich, wie viel Kraft man benötigt, die Kugel überhaupt noch festzuhalten. 
Bei dieser Alu-Kugel, die mehr als 400 g wiegt, kann man schließlich - so schreibt der Katalog -  so viel Kraft benötigen, als wäre sie rund 20 kg schwer. Das ist dann gleichzeitig ein schönes Krafttraining.
Auch hier geht es um fast die gleichen Begriffe wie beim Expander: "Schwungmasse", "Energie", "Kraft" und "Gegenkraft", "Kraft-übertragung"   usw.

Daß eine rotierende Masse so erscheint, als wäre sie "schwerer"  geworden, erinnert an Albert Einsteins Relativitätstheorie,  die besagt, daß bei sehr schnell bewegten Massen eine "Massenzunahme" auftritt.
Das Levitron Levitron
Dieses kleine Gerät nennt sich "Levitron". Damit kann man einen Kreisel wie durch Zauberei in der Luft schweben lassen. Der Kreisel wird auf einem in der Mitte befindlichen Zylinder zum Kreiseln gebracht, mit diesem dann hochgehoben, bis er schwebt. Dann kann man den Zylinder einfach wegziehen.
Doch auch hier sind Übung und Geschicklichkeit gefragt: man muß nicht nur das richtige Kreiselgewicht ausprobieren (dafür gibt es verschiedene Zusatzscheiben), man muß auch die richtige Geschwindigkeit des Kreisels und die richtige Position herausfinden, damit es funktioniert.

Manchmal wird so eine Erscheinung "Levitation"genannt, das meint eine unerklärliche Fähigkeit zu schweben. Daher hat dieses Spielzeug auch seinen Namen. . Manche reden dann  z. B. von "übernatürlichen Erscheinungen" und "unerklärlichen Phänomenen" oder ähnlichem. Ein "Wunder" oder ein "Geist" ist es jedenfalls nicht, die Physik  kann sehr gut erkären, was hier passiert.
Die Erdanziehung oder "Gravitation"   wird mit Hilfe eines in dem Unterteil befindlichen Magneten und der Rotationsbewegung des Kreisels überwunden.  

Auch bei Magneten kann man - je nachdem - anziehende Kräfte oder abstoßende Kräfte beobachten.  Magnetismus ist  kein "Wunder" -  es gibt "Gesetze der Physik", die erklären und beschreiben können, was dabei passiert.
Die Magnet-Oliven Magnetoliven
"Magnetoliven" werden diese ca. 6 cm langen Teile genannt. Man soll sie gemeinsam hochwerfen und dann beginnen sie beim Runterfallen, umeinander herumzutanzen und dabei ein seltsames Geräusch von sich zu geben.
Da es sehr starke Magneten sind, kann man auch noch viele andere hübsche Spiele damit machen. Z. B. kann man damit den Elektronenstrahl in einem Fernsehgerät ablenken und erhält dann interessante Farbverzerrungen. Leider blieben diese Störungen über doch einige Wochen erhalten. Probiert es also lieber nicht aus, wenn Ihr nicht Ärger  bekommen wollt. Bei LED- und Plasmageräten funktioniert es, soviel ich weiß, nicht.
Nach der Beschreibung in dem Katalog ziehen sich diese beiden Magneten ständig an und stoßen sich wieder ab, man kann also die oben schon erwähnten Anziehungs- und Abstoßungs-Kräfte sehr schön beobachten.

Das besonders interessante an diesen Magneten ist, daß Nord- und Südpol nicht in Längsachse liegen wie bei einem gewöhnlichen Stabmagneten, sondern quer zur Olive.


Die Springfeder Springfeder
Solche Spiralen aus Metalldraht oder Plaste gibt es häufiger zu kaufen.  Man kann sie so hinstellen oder hinlegen, daß sie sich scheinbar von selbst z. B. eine Treppe hinunter bewegt. Es macht auch Spaß, sie einfach in den Händen zu halten und die Spirale zu beobachten, wie sie sich bei der kleinsten Handbewegung bewegt.
Elastizität, Schwerpunkt, Schwingung - das sind einige  der physikalischen Begriffe, die man kennen muß, wenn man das, was mit diesem Spielzeug passiert, in der Sprache der Physik beschreiben will.
Die Wasserspringschale Wasserpringschale
Wenn man an den Griffen dieser "Wasserspringschale" reibt, bilden sich auf der Wasseroberfläche Wellen, die sich immer mehr aufschaukeln, bis sich ganze Fontänen bilden können. Dabei wird auch ein hörbarer Ton erzeugt.

Diese Wasserschale ist richtig teuer. Das meint, sie kostet mehr als 100 Euro (in diesem Katalog). Sicher hat man auch keine Lust, ständig damit zu spielen. Daher denke ich, wäre dieses Spielzeug  sehr gut für ein solches Spielzimmer, wie ich es hier in Wittenberg gerne hätte,  geeignet.
Was hier passiert, ist ein ganz besonders spannendes Gebiet der Physik: die Wellenlehre. Hier hat man es mit Begriffen wie "Schwingung", "Welle", "Frequenz", "Wellenlänge" und - ganz besondes geheimnisvoll - "Interferenz" zu tun.
Der Wendekreisel oder Tippetop
Wendekreisel
Dieser sogenannte "Wendekreisel" scheint nun alles im wahrsten Sinne "auf den Kopf" zu stellen:
Wenn man ihn in Drehung versetzt,  indem man an dem kleinen Stift in der Mitte dreht, dreht er nach kurzer Zeit die Rundung  nach oben und den Stift nach unten.

In einem kleinen Video  (klick auf  tippetop) kann man - dank "Zeitlupe" - sehr schön sehen, was mit dem Kreisel passiert.
(Die Datei ist 2,6 MB groß)
Was hier passiert, ist eigentlich für Physiker noch viel verrückter als für Kinder. Denn die haben sich gefragt, ob die Forderung nach der sogenannten "Erhaltung des Drehimpulses" trotzdem gilt.

Physiker der Universität Augsburg haben es bewiesen - die Physik stimmt. Auf deren Website habe ich das kleine Video gefunden.
Die Adresse der Website der Universität Augsburg, von der ich die Informationen habe, ist leider öffentlich nicht mehr erreichbar.
Der "Zauberspiegel"
Zauberspiegel
Zauberspiegel
Nun aber "geht  es wirklich nicht mehr mit rechten Dingen zu" - oder doch? Das Ding hier links auf der Abbildung nennt sich auch noch "Zauberspiegel" und was mit ihm passiert, ist mehr als seltsam: man fragt sich geradezu, ob man seinen Augen noch trauen darf. Auf der Website von "Manufactum" wird das, was man da "sehen" oder auch nicht sehen kann, so beschrieben:

"Ein Trugbild aus der hohlen Kugel.
Jeder Gegenstand im Innern der aus zwei Hohlspiegeln gebildeten Kugel schwebt als reelles, seitenrichtiges und dreidimensionales Gebilde auf der Oberfläche. Sie können es umkreisen, fotografieren und beleuchtet wirft es einen Schatten, nur wenn Sie es greifen wollen, entzieht es sich ins Nichts."
Das Gebiet der Physik, das diese "Zauberei" beschreibt, heißt "Optik".  Dieser Behälter besteht aus zwei "Hohlspiegeln", die den Gegenstand in ihrem Innern "reflektieren" und ein "Spiegelbild" erzeugen, das dann scheinbar darüber schwebt.









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