Material:
- Scharfes Messer
- Apfel oder Kartoffel
- Hammer
Sicherheitshinweise:
Beim Hantieren mit dem scharfen Messer und dem Hammer besteht Verletzungsgefahr. Das Experiment ist daher nicht für kleine Kinder geeignet. Wenn ältere Kinder das Experiment durchführen möchten, dann bitte nur unter der Aufsicht eines Erwachsenen!
Disclaimer: Bei diesem Experiment wurden keine Lebensmittel verschwendet.
Durchführung:
Stich die Spitze des Messers so weit in den Apfel oder die Kartoffel, bis es hängen bleibt. Halte das Messer mitsamt Apfel in die Höhe. Nimm nun den Hammer und schlage kräftig von oben auf den Griff des Messers. Beobachte, wie das Obst oder Gemüse mit jedem Schlag etwas höher rutscht.
Prinzip:
Die Bewegungen, die sich bei diesem Experiment abspielen, folgen (wie alle Bewegungen von Objekten mit einer Masse) dem Newtonschen Trägheitsgesetz. Laut diesem Gesetz bleibt ein Körper so lange in der gleichen Bewegung (oder im Stillstand) wie keine externe Kraft auf ihn wirkt oder die Summe aller Kräfte Null ist.
Auf den Apfel wirken zwei Kräfte:
- sein Gewicht (Anziehungskraft der Erde) zieht den Apfel nach unten
- die Haft-Reibungskraft (=Reibung ohne Relativbewegung zwischen Apfel und Messer) des Messers zieht den Apfel nach oben
Haftet der Apfel fest am Messer, so herrscht ein Gleichgewicht der Kräfte.
Schlägt man nun auf das Messer, so übt der Hammer während einer sehr kurzen Zeit eine riesengroße Kraft auf das Messer aus. Das Messer setzt sich ruckartig in Bewegung. Seine Beschleunigung nach unten ist während dieser kurzen Zeit riesengroß. Um dem Messer zu folgen, müsste auch der Apfel diese Beschleunigung erfahren, und dazu bräuchte es eine sehr große nach unten gerichtete Kraft auf den Apfel. Eine ausreichend große Kraft ist aber nicht vorhanden: Der Apfel bleibt an Ort und Stelle, während das Messer durch den Apfel gleitet!
Beim Schlag des Hammers wirkt zwar tatsächlich eine nach unten gerichtete Kraft auf den Apfel, bestehend aus einerseits seinem Gewicht (wie vorher) und anderseits der Gleit-Reibungskraft des Messers. Im Gegensatz zu vorher zieht das Messer den Apfel mit nach unten. Diese Gesamt-Kraft ist aber nicht groß genug, um den Apfel so stark zu beschleunigen, wie notwendig wäre, um dem Messer genau zu folgen. Trotzdem beschleunigt sie den Apfel schwach nach unten. Hätte der Apfel eine viel kleinere Masse als er tatsächlich hat, dann wäre er auch weniger träge, und diese Kraft würde genügen, um beim Schlag des Hammers den Apfel mit nach unten zu ziehen.
Nach dem Schlag nimmt die Beschleunigung des Messers bis auf null ab, aber langsamer als sie entstanden ist. Es entsteht sogar eine schwache Beschleunigung nach oben, da das Messer von der Hand abgebremst wird, und die Hand sich mit dem Messer dann wieder (fast unmerklich) nach oben bewegt. Diesen kleineren, und langsameren Beschleunigungen folgt der Apfel problemlos von dem Moment an, wo keine Relativ-Bewegung mehr zwischen Messer und Apfel stattfindet. Die Reibungskraft ist nun wieder eine Haft-Reibung, zuerst etwas grösser als das Gewicht (Anfang der Bewegung nach oben) dann etwas kleiner (Ende der Bewegung nach oben). Der Apfel bewegt sich also mit dem Messer nach oben.
Das Messer schiebt sich bei jedem Schlag tiefer in den Apfel - von außen sieht es allerdings so aus als würde der Apfel die Klinge nach oben wandern.
Alltag
Newtons Trägheitsgesetz kann man im Alltag überall sehen. Intuitiv würde man vielleicht glauben, dass ein Objekt, das in Bewegung ist, irgendwann von selbst wieder stehen bleibt. Zum Beispiel hört ein Ball irgendwann auf zu Rollen. Das macht er aber nicht von selbst, sondern durch externe Kräfte: und zwar durch die Reibungskraft, die mit dem Boden und der Luft entsteht. Durch diese wird der Ball in seiner Bewegung abgebremst und bleibt irgendwann komplett stehen. Hätte man diese Reibungskräfte nicht, so würde der Ball unendlich lange weiterrollen.
Man kann dieses Gesetz auch selbst spüren: Sitz man in einem Bus, der plötzlich bremst, so fällt man nach vorne, wenn man sich nicht festhält. Das liegt daran, dass der Körper in seiner Anfangsbewegung bleiben will: nämlich weiter nach vorne. Durch Festhalten oder Anlehnen an ein fest integriertes Objekt im Bus (externe Kraft) wird diese Bewegung dann auch gebremst.
