Schiebe den Wagen hin und her, so dass das Pendel in Schwung kommt! Lasse dann den Wagen los!
WORUM GEHT ES?
Auf einer von Prellböcken begrenzten Schiene steht ein Wagen, auf dem ein Pendel hin und her schwingen kann. Je nachdem, wie sehr der Besucher den Wagen und damit das Pendel in Bewegung bringt, verhält sich der Wagen nach dem Loslassen unterschiedlich: Mal fährt er ruckartig über die Schiene, mal pendelt er sanft hin und her.
WESHALB IST DAS SO?
Alle Bewegungen, die beim Rückstoßwagen zu beobachten sind, resultieren vor allem aus der Impulserhaltung. Das bedeutet, dass in einem abgeschlossenen System die Summe aller Impulse konstant ist. Umgangssprachlich wird der Impuls oft als Schwung bezeichnet und wenn man den Begriff besser verstehen will, dann ist folgendes Beispiel hilfreich. Ein LKW mit großer Masse und kleiner Geschwindigkeit kann durch seinen Schwung einen ähnlich großen Schaden anrichten wie ein PKW mit höherer Geschwindigkeit. Also hängt der Schwung von Masse und Geschwindigkeit ab und in der Physik wird daher der Impuls als Produkt aus Masse und Geschwindigkeit definiert. Außerdem hat der Impuls eine Richtung, die gleich der Bewegungsrichtung ist.
Ein möglicher Zustand beim Loslassen des Pendelwagens sieht so aus: Das Pendel ist maximal nach links ausgeschlagen und steht in diesem Moment still, der Wagen steht ebenfalls. Dann ist der Gesamtimpuls am Anfang Null, weil sich nichts bewegt. Wenn das Pendel dann nach rechts schlägt, wird es bis zum tiefsten Punkt immer schneller mit nach rechts gerichteten Impuls. Soll der Gesamtimpuls aber konstant Null bleiben, muss der Wagen mit einem zunehmenden Impuls nach links reagieren. Er erhält einen so genannten Rückstoß und fährt nach links. Schlägt das Pendel weiter aus, wird es wieder langsamer bis zum Stillstand, also bremst auch der Wagen bis zum Stillstand. Insgesamt betrachtet pendeln Wagen und Pendel um den Startpunkt im Gegentakt hin und her.
Andere Bewegungen von Pendel und Wagen lassen sich entsprechend erklären.
Alltagsbezug
Technisch interessant ist das Rückstoßprinzip beim Raketenantrieb: Der Impuls der nach hinten ausgestoßenen Gase bewirkt einen Gegenimpuls (Rückstoß) auf die Rakete, die dadurch vorwärts getrieben wird. Bei Fahrzeugen, die eine flüssige Ladung transportieren, kann das gleiche passieren wie bei dem Rückstoßwagen: Das Fahrzeug bremst, aber die nach vorne schwappende Ladung schiebt es mit einem kräftigen Ruck nach vorne. Deshalb befinden sich in solchen Fahrzeugen sogenannte Schwallbleche, die verhindern dass die Ladung schwappen oder verrutschen kann.