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Corioliskraft und Foucaultsches Pendel 07:21 min

Textversion des Videos

Transkript Corioliskraft und Foucaultsches Pendel

Hallo und herzlich willkommen. Wie du wahrscheinlich weißt, rotiert die Erde um eine feste Achse. Eine Umdrehung dauert 24 Stunden. Deshalb hat ein Tag eine Länge von 24 Stunden. Aber woher will man das so genau wissen? Es könnte ja auch sein, dass die Erde stillsteht und sich die Sonne im 24 Stundentakt um die Erde dreht. Oder hast du schon mal was von einer Drehbewegung mitbekommen? Wenn sich die Erde wirklich die ganze Zeit drehen würde, dann müsste es einem doch auf Dauer schlecht werden, wie in einem Karussell. Das ist natürlich alles Quatsch. Die Erde rotiert wirklich um eine feste Achse und braucht für eine Umdrehung ca. 24 Stunden. Das zu beweisen ist aber gar nicht so einfach. Wie man das macht, siehst du in diesem Video. Wir beschäftigen uns hier mit der Corioliskraft und dem Foucaultschen Pendel. Dafür wirst du zuerst lernen, was die Corioliskraft ist und was die Rotation der Erde damit zu tun hat. Denn ohne die Corioliskraft würde der Nachweis der Erdrotation nicht funktionieren. Anschließend wirst du einige Beispiele sehen, wo die Corioliskraft wirkt. Danach werde ich dir erklären, wie ein Foucaultsches Pendel funktioniert und wie man damit die Drehung der Erde nachweisen kann. Und damit kann es auch schon losgehen. Wir werden uns zuerst mit der Corioliskraft beschäftigen. Dafür führen wir den Begriff des Inertialsystems ein. Ein Inertialsystem ist ein Bezugssystem, in dem Kräfte freier Körper ruhen oder sich geradlinig und gleichförmig bewegen. Beschleunigte Bezugssystem sind keine Inertialsysteme. In beschleunigten Bezugssystemen wirken sogenannte Scheinkräfte. Eine Form eines beschleunigten Bezugssystems ist ein rotierendes Bezugssystem. In diesem gibt es zwei Scheinkräfte, die Zentrifugalkraft, welche wir hier nicht weiter besprechen werden und die Corioliskraft. Die Corioliskraft wirkt immer, wenn sich eine Masse relativ zu einem rotierenden Bezugssystem bewegt. Um das Ganze etwas anschaulicher zu machen, betrachten wir eine rotierende Scheibe, auf der sich eine Person befindet. Die Scheibe ist unser rotierendes Bezugssystem, der blaue Punkt ist die Person und der schwarze Punkt der Beobachter. Dreht sich die Scheibe, so betrachtet der schwarze Punkt die Bewegung von außen. Bewegt sich der blaue Punkt vom Rand der Scheibe auf einer geraden Linie zur Mitte, so sieht der Beobachter, der schwarze Punkt, eine geradlinige kräftefreie Bewegung. Setzt man den Beobachter allerdings auf die rotierende Scheibe, so sieht er eine andere Art von Bewegung. Vom Beobachter aus gesehen wirkt es so, als ob sich der blaue Punkt auf einer Kreisbahn bewegt. Bewegt sich der blaue Punkt aber auf einer Kreisbahn, so ist dafür eine Kraft nötig. Diese Kraft nennt man Corioliskraft. Dreht sich die Scheibe gegen den Uhrzeigersinn, so wird sie eine Bewegung nach rechts, relativ zur Bewegungsrichtung abgelenkt. Das bedeutet, dass die Corioliskraft nach rechts wirkt. Würde sich die Scheibe gegen den Uhrzeigersinn drehen, so hätte das zur Folge, dass die Corioliskraft nach links, relativ zur Bewegungsrichtung wirkt. Nachdem du jetzt weißt, was die Corioliskraft ist, wirst du einige Beispiele sehen, wo die Corioliskraft real auftritt. Da die Erde um eine feste Achse rotiert, kann man auch hier die Wirkung der Corioliskraft auf bewegte Massen beobachten. Die Corioliskraft wurde von Gaspard Gustave de Coriolis entdeckt. Die Corioliskraft lässt sich auf der Erde vielfältig beobachten. Auf der Nordhalbkugel wirkt die Corioliskraft immer in Bewegungsrichtung nach rechts, auf der Südhalbkugel in Bewegungsrichtung nach links. Ein Beispiel: Schießt man mit einer Kanone auf der Nordhalbkugel, so wird sie nie genau das Ziel treffen, das man angepeilt hat. Die Kanonenkugel wird durch die Corioliskraft immer nach rechts abgelenkt. Sehr schön beobachten kann man die Corioliskraft an Wolkenbildern. Bewegt sich ein Tiefdruckgebiet, so strömen Luftmassen auf einen Punkt zu. Auf ihrer Bewegung zu diesem Punkt werden sie durch die Corioliskraft abgelenkt und die Wolken bilden eine Spiralform. Auf der Nordhalbkugel werden sie nach rechts abgelenkt und umströmen das Tiefdruckgebiet gegen den Uhrzeigersinn. Auf der Südhalbkugel werden sie nach links abgelenkt und umströmen das Tiefdruckgebiet mit dem Uhrzeigersinn. Das Tiefdruckgebiet auf diesem Bild ist also auf der Nordhalbkugel aufgenommen worden. An all diesen Beispielen für die Corioliskraft kann man sehen, dass die Erde ein rotierendes Bezugssystem ist. Aber kann man das auch in kleineren Dimensionen und genauer nachweisen? Ja, das kann man, und zwar mit einem Foucaultschen Pendel. Ein Foucaultsches Pendel ist eine Masse, die an einem Pendelarm befestigt ist und in Bodennähe hin und her schwingt. Am Boden ist eine Kompassrose angebracht, die die vier Himmelsrichtungen anzeigt. Von oben sieht das dann folgendermaßen aus. Beobachtet man das Pendel auf der Nordhalbkugel vom beschleunigten Bezugssystem der Erde aus, so hat man den Eindruck, dass das Pendel seine Schwingungsebene im Laufe der Zeit ändert. Durch die Scheinkraft der Corioliskraft wird das Pendel bei jeder Bewegung in Bewegungsrichtung etwas nach rechts abgelenkt. So kommt es, dass die Schwingungsebene des Pendels im Laufe der Zeit eine komplette Umdrehung durchführt. Betrachtet man diese Bewegung allerdings vom Weltall aus, so zeigt sich ein anderes Bild. Das Pendel schwingt die ganze Zeit in der gleichen Schwingungsebene hin und her. Was sich bewegt, ist die Erde. Sie dreht sich im Laufe der Zeit unter dem Pendel. Befindet man sich auf der Erde, so nimmt man diese Drehung nicht wahr und sieht eine anscheinende Drehbewegung des Foucaultschen Pendels. Das Foucaultsche Pendel ist nach dem französischen Wissenschaftler Jean Bernard Léon Foucault benannt. Er führte das Pendel 1851 in Paris der Öffentlichkeit vor. Foucault hatte ursprünglich Medizin studiert, sein Studium dann aber aus Ekel vor dem Sezieren abgebrochen und sich dem Selbststudium der Physik gewidmet. Das Foucaultsche Pendel ist zwar nach Foucault genannt. Er war aber nicht der Erste, der einen solchen Versuch durchführte. Bereits 1661 führte der Italiener Vincenzo Viviani den gleichen Versuch durch. Viviani war Mitarbeiter von Galileo Galilei, einen der berühmtesten Wissenschaftler der Geschichte. Foucaultsche Pendel hängen noch heute in verschiedenen naturwissenschaftlichen Museen und in Universitäten. So, was hast du eben gelernt? Es gibt Inertialsysteme und beschleunigte Bezugssysteme. In beschleunigten Bezugssystemen treten Scheinkräfte auf, eine davon ist die Corioliskraft. Die Corioliskraft wirkt immer dann, wenn sich eine Masse relativ zu einem rotierenden Bezugssystem bewegt. Da die Erde rotiert, ist auch sie ein rotierendes Bezugssystem. Die Corioliskraft lenkt sich bewegende Körper auf der Nordhalbkugel in Bewegungsrichtung nach rechts und auf der Südhalbkugel in Bewegungsrichtung nach links ab. Eine Möglichkeit, die Rotation der Erde und die damit verbundene Corioliskraft experimentell zu verdeutlichen, ist das Foucaultsche Pendel. Es ändert von der Erde aus gesehen seine Schwingungsebene im Laufe der Zeit. Vom Inertialsystem des Weltalls aus gesehen bewegt sich das Pendel immer gerade und die Erde dreht sich unter ihm weg. Das war es zum Thema Corioliskraft und Foucaultsche Pendel. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

Corioliskraft und Foucaultsches Pendel Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Corioliskraft und Foucaultsches Pendel kannst du es wiederholen und üben.

  • Fasse dein Wissen über Bezugssysteme zusammen.

    Tipps

    In Inertialsystemen gilt das erste Newtonsche Gesetz, das Trägheitsprinzip.

    Beispiele für rotierende Bezugssystem sind beispielsweise eine drehende Scheibe oder die sich um ihre Achse drehende Erde.

    Lösung

    In Inertialsystemen bewegen sich Körper ohne den Einfluss von äußeren Kräften geradlinig gleichförmig oder sie ruhen. Das liegt an der Trägheit der Körper, die einer Änderung des Bewegungszustandes einen Widerstand entgegensetzt (1. Newtonsches Axiom). Inertialsysteme bewegen sich mit konstanter Geschwindigkeit.

    Demgegenüber stehen die Bezugssysteme, die beschleunigt werden. Dazu gehören beispielsweise alle kleinen und großen rotierenden Körper, von der Drehscheibe bis zur Erde selbst. In beschleunigten Bezugssystemen treten Scheinkräfte auf.

    Beim rotierenden Bezugssystem gibt es zwei Scheinkräfte. Die Zentrifugalkraft wirkt auf alle Körper in rotierenden Bezugssystemen. Die Corioliskraft wirkt hingegen nur auf Körper, die sich relativ zum rotierenden Bezugssystem bewegen.

  • Gib an, welche Gestalt Tiefdruckgebiete in der nördlichen Hemisphäre annehmen.

    Tipps

    Bei einem Tiefdruckgebiet strömen Luftmassen von allen Seiten auf ein Zentrum zu.

    Dabei werden sie von der Corioliskraft abgelenkt. In welche Richtung auf der Nordhalbkugel?

    Welche Form und Drehrichtung ergibt sich daraus für die Luftmassen?

    Lösung

    Auf der Nordhalbkugel wirkt die Corioliskraft in Bewegungsrichtung nach rechts. Das bewirkt bei einem Tiefdruckgebiet eine Wolkenspirale, die sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt.

    Das kann man sich so vorstellen: Die Luftmassen strömen von außen alle auf das Zentrum des Tiefdruckgebietes zu. Würde keine Corioliskraft wirken, so würden sich die Wolken alle geradlinig auf das Zentrum zubewegen und sich dort treffen. Durch die Corioliskraft werden sie aber auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt. Sie nähern sich dem Zentrum ein Stückchen an und werden dabei ein Stück nach rechts verschoben. Dann streben sie wieder Richtung Zentrum und werden dabei wieder ein Stück nach rechts verschoben und so weiter. Insgesamt ergibt sich somit eine Spiralbahn gegen den Uhrzeigersinn.

  • Trage die wichtigsten Informationen zum Foucaultschen Pendel zusammen.

    Tipps

    Was kann man wie mit Hilfe des Foucaultschen Pendels nachweisen?

    Lösung

    Ein Foucaultschen Pendel ist ein langes Fadenpendel, das beispielsweise an der Decke eines sehr hohen Gebäudes aufgehängt ist. Unter dem Pendel befindet sich ein Kreis mit Markierungen der Himmelsrichtungen. Damit lässt sich die Rotation der Erde um ihre Achse nachweisen.

    Dies geschieht durch den Nachweis der Corioliskraft: Der Pendelkörper bewegt sich relativ zum Bezugssystem Erde. Im Laufe eines Tages umwandert die Schwingungsebene des Pendels einmal den gesamten Kreis und kehrt in ihre ursprüngliche Auslenkungsebene zurück. Die Änderung seiner Schwingungsebene kann nur durch eine wirkende Scheinkraft, die Corioliskraft, erklärt werden. Damit befindet sich das Pendel in einem rotierenden Bezugssystem. Die Erde dreht sich folglich um ihre eigene Achse.

    Im Bezugssystem Erde ändert sich die Schwingungsebene des Pendels. Vom Weltall aus betrachtet schwingt das Pendel jedoch beständig in der Ebene, in der es ausgelenkt wurde. Die Erde dreht sich quasi unter dem Pendel hindurch.

  • Leite ab, welches Aussehen ein Hochdruckgebiet auf der Südhalbkugel besitzt.

    Tipps

    In welche Richtungen strömt Luft bei einem Hochdruckgebiet?

    Wie beeinflusst die Corioliskraft die Bewegung der Luftströmungen?

    Lösung

    Auf der Südhalbkugel wirkt die Corioliskraft in Bewegungsrichtung nach links. Das bewirkt bei einem Hochdruckgebiet eine Wolkenspirale, die sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Auf der Nordhalbkugel ist es genau umgekehrt.

    Das kann man sich so vorstellen: Die Luftmassen strömen vom Zentrum des Hochdruckgebietes in alle Richtungen nach außen. Würde keine Corioliskraft wirken, so würden sich die Wolken alle geradlinig nach außen bewegen und eine Art Strahlstern bilden. Durch die Corioliskraft werden sie aber auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt. Sie verlassen das Zentrum ein Stückchen und werden dabei ein Stück nach links verschoben. Dann streben sie wieder ein Stück vom Zentrum weg und werden dabei wieder ein Stück nach links verschoben und so weiter. Insgesamt ergibt sich somit eine Spiralbahn gegen den Uhrzeigersinn.

    Damit entspricht ein Hochdruckgebiet auf der Südhalbkugel vom Aussehen her einem Tiefdruckgebiet auf der Nordhalbkugel. Das liegt daran, dass die entgegengesetzte Wirkung der Corioliskraft auf beiden Halbkugeln durch die entgegengerichtete Bewegung der Luftmassen (Einströmen beziehungsweise Ausströmen von Luft) kompensiert wird.

  • Erkläre, in welche Himmelsrichtung die Luftmassen durch die Corioliskraft abgelenkt werden.

    Tipps

    In welche Richtung werden Körper ausgehend von ihrer Bewegungsrichtung auf der Nordhalbkugel durch die Corioliskraft abgelenkt?

    Ziehe die Bewegungsrichtung der Luftmassen anhand des Kommpassbildes und eventuell einer Zeichnung nach.

    Lösung

    Auf der Nordhalbkugel bewirkt die Corioliskraft eine Ablenkung der Luftmassen nach rechts.

    Luftmassen aus dem Süden werden noch Osten abgelenkt, Luftmassen aus dem Osten nach Norden, Luftmassen aus dem Norden nach Westen und Luftmassen aus dem Westen nach Süden.

    Da sich Luftmassen über weite Strecken bewegen können, ist dieser Effekt gut nachweisbar. Bei Körpern, die sich nur über kleine Strecken relativ zur Erdoberfläche bewegen, tritt die Corioliskraft zwar auch auf, sie ist aber sehr gering.

  • Begründe, auf welcher Halbkugel sich die Forscher jeweils befinden.

    Tipps

    In welche Richtung lenkt die Corioliskraft die Wasserströmungen auf der Nord- und der Südhalbkugel jeweils ab?

    Lösung

    Mit Hilfe der Himmelsrichtungen lässt sich erschließen, ob die Meeresströmung nach rechts oder links abgelenkt wird. Aus der Ablenkungsrichtung der Meeresströmungen kann man dann auf den Ort der Messung schließen: Wurde sie nach rechts abgelenkt, so befindet sich die Meeresströmung auf der Nordhalbkugel. Wurde sie hingegen nach links abgelenkt, so befindet sie sich auf der Südhalbkugel.

    Natürlich haben noch eine Vielzahl von anderen Faktoren einen Einfluss auf die Strömungsrichtung in Meeren. Die Corioliskraft wirkt aber meist deutlich mit, da Meeresströmungen sich über weite Strecken relativ zum Bezugssystem der rotierenden Erde bewegen. Keinen Einfluss auf die Strömungsrichtung hat die Corioliskraft hingegen bei den üblichen Wasserabflüssen von Waschbecken und Badewanne: In welche Richtung der Wasserstrudel fließt, hängt entgegen der weit verbreiteten Meinung nicht davon ab, auf welcher Halbkugel man sich befindet. Der Einfluss der Corioliskraft ist bei diesen minimalen Bewegungen viel zu gering.