Küchenexperimente - Die Küchen-Kanone: Magnete werden zum Schieß-Eisen

Küchenexperimente - Die Küchen-Kanone: Magnete werden zum Schieß-Eisen

Von Sascha Ott

Nie gab es ein schnelleres Küchenexperiment: In Sekundenbruchteilen machen ein paar Magnete aus einer Stahlkugel ein Stahlgeschoss.

Am 23.2. jährt sich der Todestag von einem der größten deutschen Wissenschaftler: Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855). Er war Mathematiker und Astronom, Geodät und Physiker. Auf unzähligen Gebieten hat er wichtige wissenschaftliche Beiträge geliestet: In Geometrie, Algebra und Zahlentheorie genauso wie in der Landvermessung. Die berühmte Gauss´sche Glockenkurve hatte es ja dereinst sogar auf den 10-Mark-Schein geschafft. Weniger bekannt ist ein erstaunlicher Magnetantrieb, der seinen Namen trägt: Die Gauss-Kanone.

DER VERSUCH

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Mechanismus, der der Gauss-Kanone zugrunde liegt praktisch umzusetzen. Ich habe verschiedene ausprobiert und mit dem folgenden Aufbau die besten Ergebnisse erzielt:

  • ein Stück Plastik-Kabelkanal (10 mm breit, ca. 50-60 cm lang);
  • fünf würfelförmige Neodym-Magnete (Kantenlänge: 10 mm);
  • sechs Kugelmagnete (Durchmesser: 10 mm; alternativ: Stahlkugeln gleichen Durchmessers; dann werden die LEGO-Steine durch je zwei Stahlkugeln ersetzt);
  • fünf LEGO-Bausteine (Größe: "Einer");
  • Klebeband;
  • eine Schere.

Ich klebe die Magnete im Abstand von sechs Zentimetern hintereinander fest auf die Schiene des Kabelkanals. Dann lege ich neben jeden Magneten zunächst einen LEGO-Stein, dann eine der Kugeln, sodass die Kugel durch den Plastik-Baustein hindurch vom Magneten angezogen wird. Entlang der Plastikschiene habe ich nun also fünfmal immer die gleiche Abfolge: Magnet, Baustein, Kugel, Abstand, Magnet, Baustein, Kugel, Abstand und so weiter.

Dabei muss man allerdings darauf achten, dass die Magnetwürfel einander nicht die gleichen Pole zuwenden, also nicht einander abstoßen, sondern dass die einander anziehenden Seiten zueinander gerichtet sind. Auch stellt man beim Anhängen der Kugeln fest, dass die Magnetwürfel die Kugeln an manchen Seiten stärker anziehen als an anderen. Diese starken Seiten sollten entlang des Kabelkanals, also des Laufs der Gauss-Kanone liegen.

Wenn die Kanone auf diese Weise "geladen" ist, lasse ich an dem Ende der Schiene, dem die Magnetwürfel ihre freie Seite zeigen, eine weitere Kugel langsam auf den ersten Magneten zurollen.

DAS ERGEBNIS

Zack! Eine rasend schnelle Kettenreaktion. Die Kugeln wechseln von einem Magneten zum anderen. Zum Schluss wird die letzte Kugel mit hoher Geschwindigkeit zum Ende der Schiene und darüber hinaus geschossen.

DIE ERKLÄRUNG

Die Gauss-Kanone nutzt dasselbe Prinzip wie das bekannte Pendelspiel mit einer Reihe aus fünf aufgehängten Kugeln (auch "Newton-Pendel" genannt). Dabei lässt man ja die erste Kugel gegen die anderen pendeln, es macht klack-klack und dann schwingt die letzte Kugel von der Reihe weg. Ähnliches geschieht auch bei der Gauss-Kanone, allerdings werden die Kugeln hier durch die Anziehungskraft der Magnete immer stärker beschleunigt: Ich lasse die erste Kugel losrollen (oder lege sie in den Anziehungsbereich der ersten Magneten), sie wird vom ersten Magneten angezogen, beschleunigt und schlägt gegen ihn. Ihr Schwung, – physikalisch gesprochen – ihr Impuls, wandert dann weiter durch die Kette aus Magnet, LEGO-Stein und Kugel, sodass sich die Kugel von Magnet und Stein löst.

Entscheidend dafür ist, dass die Plastik-Bausteine sehr hart sind und somit den Stoß ähnlich verlustfrei (man sagt "elastisch") weitergeben wie die Metallkugeln (oder auch wie Kugeln beim Billard). Weil die hintere Kugel durch den Baustein (alternativ durch weitere zwischengelegte Kugeln) nicht direkt am Magneten hängt, somit dessen Magnetfeld auf sie nur schwächer wirkt als auf die erste Kugel, kann sich die zweite Kugel durch den an sie weitergegebenen Stoß aus dem Feld des Magneten lösen.

Sie rollt nun also auf den zweiten Magneten zu, wird wiederum von diesem angezogen und beschleunigt. Der gleiche Vorgang der Impulsübertragung wiederholt sich. Und so werden die Kugeln von Magnet zu Magnet immer schneller. Bis schließlich die letzte Kugel in rasendem Tempo davon schießt.

FAZIT

Mit der Anziehungskraft von Magneten lassen sich Metallkugeln beschleunigen wie bei der Gauss-Kanone, aber auch anderes: Zum Beispiel funktioniert der Antrieb einer Magnetschwebebahn nach einem ganz ähnlichen Prinzip – aber das ist bekanntlich ein ganz anderes Experiment.

Redaktion:
Peter Ehmer

Stand: 21.02.2014, 16:05