Das unermüdliche Maxwell-Rad
Maxwell-, Sisyphos- und Zauberräder haben eins gemeinsam: Sie laufen unentwegt auf und ab. Ein Fall für den Energieerhaltungssatz.
Ein Maxwellsches Rad ist mit seiner horizontalen Achse an zwei vertikalen Fäden so aufgehängt, dass diese sich bei Drehung des Rades um die Achse auf- oder abwickeln. Bringt man das Rad durch Aufwickeln der Fäden in die höchste Lage (maximale potentielle Energie) und lässt es dort los, so bewegt es sich unter dem Einfluss der Schwerkraft immer schneller rotierend mit konstanter Beschleunigung nach unten. Unten angekommen (maximale Rotationsenergie), dreht es sich aus Trägheit weiter, die Fäden wickeln sich unter Umkehrung des Wicklungssinns auf, und es bewegt sich wieder nach oben. Es erreicht aber nicht mehr die Ausgangshöhe, weil mechanische Energie verlorengegangen ist. Die Bewegung kommt deswegen meist nach 30 bis 50 Ab- und Aufwärtsbewegungen zur Ruhe. Bei dem Modell (Abbildung links) vermindert sich bei jeder Ab- und Aufwärtsbewegung die mechanische Energie um etwa 8 %.
Abb. Links ein Maxwellsches Fallrad als Designobjekt (Gesamthöhe 32 cm), Mitte ein Sisyphos-Rad mit magnetischer Achse, rechts mit konischen Achsenenden.
Beim unteren Umkehrpunkt dreht sich unter Beibehaltung der Rotationsrichtung des Rades die Bewegungsrichtung in einer sehr kurzen Zeitspanne um. Das verursacht einen Ruck nach unten, das heißt, die Spannung des Aufhängefadens wird plötzlich vergrößert. Er kann deswegen sogar reißen.
Das Maxwell-Rad in Aktion (Video und Fotos: Ucke/Schlichting).
Das Maxwell-Rad ist auch in abgewandelten Formen als Sisyphos-Rad erhältlich (Abbildung Mitte). Der Name spricht für sich. Durch einen Plastikdrehkörper läuft zentral eine dünne, magnetisierbare, verchromte Achse hindurch, auf der in der Mitte innerhalb der Plastikschale ein starker Magnet sitzt. Zwei lange, verchromte Eisenstangen sind so auf einer Plattform befestigt, dass der Abstand unten etwas größer ist als die Länge der Drehachse. Nach oben hin nimmt der Abstand der Stangen leicht ab. Setzt man das Drehrad oben an der einen oder anderen Seite der Stangen symmetrisch an, so rotiert es langsam beginnend und dann immer schneller werdend an den Stangen hinunter. Je nachdem auf welcher Seite der Stangen das Drehrad angesetzt wird, ergibt sich eine Links- oder Rechtsdrehung des Rades.
Die infolge der Magnetisierung bedingte Anziehung der Achse durch die Stangen sorgt dafür, dass es auch ohne Aufwicklung eines Fadens um die Achse zu keiner Fallbewegung kommt, sondern eine Drehung resultiert. Wird beim Herabrollen des Drehrades der Abstand der Stangen schließlich größer als die Länge der Drehachse, läuft das Rad zwischen den Stangen durch und gelangt auf die andere Seite. Unter Beibehaltung des Rotationssinnes bleibt dem nunmehr mit maximaler Drehgeschwindigkeit rotierenden Rad nichts anderes übrig, als auf dieser Seite anzusteigen.
In einer Variante ist auch die Achse des Drehkörpers magnetisiert (Abbildung rechts), allerdings besitzen die Achsenenden hier eine konische Form. Die Stangen sind wie im vorigen Fall leicht winkelig angeordnet; ihr Abstand ist unten etwas größer als die Länge der Drehachse.
Weitere Varianten von Sisyphos- und anderen Rädern dieser Art finden Sie in einem Artikel in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit zum freien Download. Hier werden auch quantitative Abschätzungen auf der Basis der Energieerhaltung vorgeführt.
In unserem Youtube-Kanal finden Sie zudem weitere Videos der beschriebenen Räder.
Christian Ucke, Hans-Joachim Schlichting
