Hula-Hooping mit Gummiband

Eine sich drehende wissenschaftliche Aktivität von Science Buddies

Schlüsselkonzepte
Physik
Schwerkraft
Reibung
Zentripetalkraft
Normalkraft
Rotationsbewegung
Newtons Bewegungsgesetze

Einführung
Bist du gut im Hula-Hooping? Wenn nicht, keine Sorge – Sie können dieses lustige Projekt ohne jegliche Hula-Hopping-Erfahrung durchführen. Sie werden einige der faszinierenden Physik des Hula-Hopping mit nur einem Bleistift und einem Gummiband untersuchen.

Hintergrund
Beim Hula-Hooping dreht sich alles um Kräfte! Wenn Sie mit einem Hula-Hoop spielen, denken Sie vielleicht nicht viel über Physik nach, aber es gibt viele verschiedene Kräfte, die helfen, einen Hula-Hoop am Drehen zu halten und zu verhindern, dass er auf den Boden fällt. Eine Kraft ist ein Druck oder ein Zug, der auf ein Objekt wirkt. Kräfte können Dinge in Bewegung setzen, aber nur weil sich etwas nicht bewegt, bedeutet das nicht, dass es keine Kräfte hat, die auf es wirken. Zum Beispiel, wenn Sie gerade in einem Stuhl sitzen, übt der Stuhl eine Aufwärtskraft auf Sie aus, die verhindert, dass Sie auf den Boden fallen. Umgekehrt bedeutet, dass nur weil sich etwas bewegt, es nicht unbedingt bedeutet, dass es von der Kraft beeinflusst wird. Ein Objekt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, wird sich für immer in einer geraden Linie bewegen, wenn es keine Kräfte gibt, die es verlangsamen (Newtons erstes Bewegungsgesetz).

Welche Kräfte wirken also auf einen Hula-Hoop?

-Gewicht, oder die Schwerkraft, die den Hula-Hoop nach unten zieht;

-Reibung, die Kraft, die der Bewegung zwischen zwei Oberflächen entgegenwirkt, die gegeneinander gleiten (in diesem Fall also die Reibung zwischen dem Hula-Hoop und Ihrer Kleidung);

-Die Normalkraft. In der Physik bedeutet „normal“ „senkrecht zu“ und nicht „normal“ wie in der Alltagssprache. Die Normalkraft ist diejenige, die senkrecht (im rechten Winkel) auf zwei Oberflächen wirkt, die sich berühren. Zum Beispiel hat ein Buch, das auf einem Tisch sitzt, eine Normalkraft vom Tisch, der ihn nach oben schiebt, was verhindert, dass er herunterfällt. Wenn Sie Ihre Hand gegen eine Wand drücken, übt die Wand eine horizontale Normalkraft auf Ihre Hand aus (Newtons drittes Bewegungsgesetz);

-Die zentripetale Kraft, d.h. die Kraft, die ein rotierendes Objekt in einem Kreis in Bewegung hält, anstatt in einer geraden Linie davonzufliegen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, wie Sie einen Stein an einer Schnur drehen. Die Spannung in der Schnur zieht am Fels und lässt ihn sich im Kreis bewegen. Wenn Sie die Schnur plötzlich schneiden, wirkt keine zentripetale Kraft mehr auf den Fels und er fliegt weg, anstatt sich weiter im Kreis zu bewegen. In einem Hula-Hoop entsteht die Zentripetalkraft durch das Drücken des Körpers auf den Reifen (eine Kombination aus Reibungs- und Normalkräften).

Wie Sie sehen werden, bestimmt die kombinierte Wirkung all dieser Kräfte die Bewegung des Hula-Hoop (Newtons zweites Bewegungsgesetz).

Materialien

Bleistift
Gummiband
Vorbereitung

Halten Sie den Bleistift am Radiergummiende fest und richten Sie die Spitze nach oben.
Schlinge das Gummiband über den Bleistift, so dass es auf deine Finger fällt.
Vorgehensweise

Beginnen Sie langsam, den Bleistift zu drehen. Was passiert dann?
Drehen Sie den Bleistift immer schneller und schneller. Wie schnell muss man es drehen, bevor sich das Gummiband nach oben bewegt?
Hör auf zu wirbeln. Was passiert dann?
Versuchen Sie, den Bleistift so schnell zu drehen, dass Sie das Gummiband von der Spitze fliegen lassen. Kannst du es zum Laufen bringen?
Versuchen Sie, den Winkel des Bleistifts zu ändern, während Sie ihn drehen. Das heißt, Sie halten den Bleistift nicht perfekt senkrecht, während Sie ihn drehen. Sie können das Radiergummi-Ende mit den Fingern zusammendrücken und die Spitze kreisförmig drehen, um einen dreidimensionalen Kegel zu verfolgen. Was passiert, wenn man diesen „Kegel“ breiter macht? Macht es einfacher oder schwieriger, das Gummiband nach oben zu bewegen?
Versuchen Sie, Ihr Handgelenk zu drehen, während Sie den Bleistift drehen, so dass der Bleistift horizontal und schließlich auf den Kopf gestellt wird (so dass die Spitze nach unten zeigt). Kannst du das Gummiband am Bleistift behalten, auch wenn es auf dem Kopf steht?
Extra: Versuchen Sie, Gummibänder unterschiedlicher Größe zu verwenden. Was ist einfacher zu drehen, ein großes oder ein kleines?
Beobachtungen und Ergebnisse
Bei dieser Aktivität wirkt der Bleistift wie der Körper einer Person und das Gummiband wie ein Hula-Hoop. Und wie bei einem echten Hula-Hoop hätten Sie feststellen müssen, dass, wenn Sie den Bleistift nicht schnell genug drehen würden, das Gummiband herunterfallen würde. Wenn Sie den Bleistift schneller drehen und/oder den Kegel, den Sie mit dem Bleistift verfolgen, breiter machen, sollte das Gummiband beginnen, sich nach oben zu bewegen und schließlich von der Spitze zu fliegen!

Um dies zu verstehen, können Sie auf die Informationen im Hintergrund zurückgreifen. Erinnern Sie sich an das Beispiel über Zentripetalkraft und das Verwirbeln eines Steins auf einer Schnur? Der Stein „will“ sich in einer geraden Linie bewegen, aber die zentripetale Kraft der Schnur lässt ihn sich im Kreis bewegen. Das Gummiband verhält sich ähnlich. Sie „will“ geradlinig davonfliegen, aber die zentripetale Kraft des Bleistifts lässt sie sich im Kreis bewegen. Wenn Sie den Bleistift schnell genug drehen, ist die Zentripetalkraft nicht mehr stark genug, um das Gummiband an seinem Platz zu halten – so dass es nach außen (und nach oben) zu gleiten beginnt. Dies macht es sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich, das Gummiband am Bleistift zu halten, wenn man es auf dem Kopf hält.

Mehr zu entdecken
Schwenkbare Wissenschaft: Anwendung der Physik auf Hula-Hooping, von Scientific American
Newton’s Laws of Motion, von der NASA.
Schiefe Ebenen, aus dem Physik-Klassenzimmer
Wissenschaftliche Aktivitäten für alle Altersgruppen, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies angeboten.

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