Physikunterricht im Kettenkarussell

Die Schüler stürmen die Stufen des Kettenkarussells hinauf und warten auf die erste Fahrt am heutigen Tag. Ein Mitarbeiter teilt ihnen ihre Plätze zu und verschließt die Sicherheitsriemen. Jetzt kann die Fahrt auch schon losgehen.

Zunächst langsam und dann immer schneller dreht sich das Karussell, bis es seine Endgeschwindigkeit erreicht. Das Lachen und Reden der Kinder wird von lauter Musik ergänzt. Einige reißen ihre Arme nach oben oder lassen die Füße in der Luft schwingen.

Die Klasse der Mittelschule Zirndorf durfte die Physik des Kettenkarussells hautnah erleben. Dadurch konnten die Schüler einen Eindruck von den unterschiedlichen Beschleunigungen und Kräften erlangen. Das Geschäft von Michael Distel fährt bis zu 30 Kilometer pro Stunde und schafft somit elf Runden in nur einer Minute. In der Kreisbewegung schwingt es sieben Meter von der Drehachse nach außen. Neben der bei der Kreisbewegung stattfindenden Rotation um die Rotationsachse rotiert ebenfalls das Dach.

Das Kettenkarussell bei Nacht. Foto: Zehra Cebeci.

Es finden also zwei Rotationsbewegungen statt, weshalb sich ein Fahrgast nicht nur nach vorne, sondern auch nach oben und unten bewegt. Aus dem Radius, der Masse und der Geschwindigkeit lässt sich am Ende die Zentrifugalkraft berechnen, die den Mitfahrer nach außen lenkt. Die erwähnte Masse setzt sich zusammen aus dem Gewicht des Fahrgastes, dem Sitz und den Ketten.

Die Rolle der Masse

Wie schwer ein Fahrgast des Kettenkarussells sein darf, hängt von der Belastbarkeit der am Dach befestigten Ketten ab. Laut dem Betreiber können sie einer Belastung von bis zu 16000 Newton standhalten. Doch manche Besucher machen sich Sorgen ums  Gewicht. „Viele fragen an der Kasse: Hält mich das aus?“ Doch Michael Distel gibt meistens Entwarnung: „Wenn ein Mensch zu schwer ist würde er in den Sitz gar nicht reinpassen.“ Jeder Mitfahrer, der sicher in der Gondel Platz nimmt, wird im selben Winkel von 44 Grad ausgelenkt. Die Masse hat nämlich keine Auswirkung auf den Winkel, solange die Höchstlast nicht überschritten wird. Beim Winkel sind nur die Geschwindigkeit, die Erdbeschleunigung und der Radius entscheidend. Ist ein Sitz also näher an der Rotationsachse befestigt, ändert sich der Winkel, weil der Radius kleiner wird.

Kräfte messen

Während die Schulkinder im Kettenkarussell sitzen, wirken vier Kräfte auf ihre Körper. Die bereits erwähnte Zentrifugalkraft drückt den Beobachter im Bezugssystem nach außen auf eine Kreisbahn, obwohl er sich aufgrund der Trägheit geradlinig weiterbewegen möchte. Dieser Scheinkraft entgegen nach innen wirkt die Zentripetalkraft. Die Kettenkraft bewirkt die Zentripetalkraft. Die Kraft der Kette setzt sich zusammen aus der Gesamtbeschleunigung und der Masse. Die Gewichtskraft wirkt weiterhin senkrecht nach unten und wird aus Masse und Erdbeschleunigung berechnet.

 

Schüler auf dem Karussell. Foto: Julia-Maria Bauer

Für Ronja war die Beschleunigung zu wenig: „Ich fand es langweilig und zu langsam“, erzählt sie nach der Fahrt. Dieser Aussage können auch die anderen Kinder nur zustimmen. Die Gesamtbeschleunigung, der die Schüler ausgesetzt waren, ergibt sich mit dem Satz des Pythagoras aus der Zentrifugalbeschleunigung und der Erdbeschleunigung. Im drehenden Kettenkarussell entspricht die Zentrifugalbeschleunigung etwa einem Drittel der Erdbeschleunigung. Die Testfahrt war aber trotzdem nützlich, denn danach kann jeder die Fragen der Lehrerin beantworten.

Sicherheit

An drei Tagen bauen Michael Distel und vier Mitarbeiter jeweils auf und ab. Die Bauabnahme erfolgt jedes mal durch den TÜV, der die einzuhaltenden Richtlinien prüft. Außerdem gibt es jedes Jahr einen Haupt-TÜV und alle sechs Jahre eine Sonderprüfung. Jeden Tag macht der 25-Jährige aber auch selbst noch eine Wartung und schmiert die Verschleißteile. Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass sich die Besucher auf dem Kettenkarussell sicher fühlen können.

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