Newton-Pendel
Ein Newton-Pendel besteht aus fünf Eisenkugeln, die jeweils an zwei Fäden aufgehängt sind, damit sie sich nicht um ihre eigene Achse drehen.
Ursprünglich wurde das Newton-Pendel entwickelt, um das dritte Newtonsche Gesetz zu veranschaulichen. Wenn eine Kugel von einer Seite auf die anderen trifft, wird der Stoßimpuls durch die Kugeln übertragen und setzt eine Kugel auf der gegenüberliegenden Seite in Bewegung.
Bewegungsablauf
Wenn du eine Kugel auslenkst und loslässt, trifft sie auf die anderen Kugeln und kommt nahezu vollständig zum Stillstand. Gleichzeitig schwingt eine Kugel auf der gegenüberliegenden Seite mit ungefähr derselben Geschwindigkeit nach oben, die die erste Kugel unmittelbar vor dem Stoß hatte. Sie erreicht dabei nahezu dieselbe Höhe, aus der die erste Kugel losgelassen wurde.
Dies zeigt, dass die herausschwingende Kugel den größten Teil der Energie und des Impulses der einfallenden Kugel übernommen hat. Die mittleren Kugeln bleiben nahezu unbewegt und übertragen hauptsächlich Kompressionswellen. Während sich diese Wellen ausbreiten, wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt.
Unter der Annahme, dass keine Energie verloren geht, entspricht die Anzahl der herausschwingenden Kugeln immer der Anzahl der losgelassenen Kugeln. Wenn du zwei Kugeln loslässt, schwingen auf der gegenüberliegenden Seite zwei Kugeln heraus. Bei drei Kugeln schwingen entsprechend drei Kugeln heraus.
Wenn eine Kugel losgelassen wird
Die Funktionsweise des Newton-Pendels lässt sich durch die Erhaltung des Impulses (= mv) und der kinetischen Energie (= 1/2 mv2) bei elastischen Stößen erklären.
Der Stoß lässt sich besonders einfach erklären, wenn beide Kugeln die gleiche Masse besitzen. Bei einem ideal elastischen Stoß zwischen einer bewegten und einer ruhenden Kugel übernimmt die zuvor ruhende Kugel den gesamten Impuls und die kinetische Energie der bewegten Kugel, während diese zum Stillstand kommt. Bei einem vollkommen elastischen Stoß geht keine kinetische Energie durch Wärme oder Schall verloren. Harte Eisenkugeln verformen sich nur geringfügig und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, sodass sie die Energie effizient übertragen.
Wenn zwei oder mehr Kugeln losgelassen werden
Stellen wir uns vor, wir heben zwei Kugeln an und lassen sie in Richtung der dritten Kugel fallen. Aufgrund eines geringfügigen zeitlichen Unterschieds beim Kontakt trifft die zweite Kugel zuerst auf die dritte. Nach den Gesetzen des elastischen Stoßes übernimmt die dritte Kugel Impuls und kinetische Energie und bewegt sich weiter, während die zweite Kugel zum Stillstand kommt. Anschließend trifft die erste Kugel auf die nun ruhende zweite Kugel. Dieser Vorgang wiederholt sich, sodass beim Loslassen von zwei Kugeln auch auf der gegenüberliegenden Seite zwei Kugeln mit ungefähr derselben Geschwindigkeit herausschwingen.
Durch Reibung verursachte Phänomene
Beim Newton-Pendel führen Reibung und andere dissipative Kräfte dazu, dass die mechanische Energie allmählich abnimmt. Nach jedem Stoß können die Kugeln aufgrund ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen leicht zurückschwingen. Wenn sich diese Effekte mit der Zeit summieren, beginnen alle Kugeln gleichzeitig leicht zu schwingen, bis die gesamte Bewegung schließlich zum Stillstand kommt.
Update vom 3. Juni 2023: Mehrere Kugeln können jetzt gleichzeitig gezogen werden.
Update vom 24. April 2023: Der Algorithmus wurde verbessert und eine Funktion zum Herunterladen von Daten hinzugefügt.