Drucken
Kategorie: Hobbys

Weshalb fällt der Mond nicht runter?

Doch, das tat er immer wieder! Staunen? Gut da muss man weiter ausholen:

Der  Mond, den wir nach draußen mitunter sehen, fällt zum Glück nicht runter. Weshalb? „Der ist im All schwerelos!“ ist meist die erste Antwort, aber die ist  falsch. Auch Astronauten in der Raumstation sind nicht schwerelos, sind sie doch auch nur etwa 800 km von der Erde weg. O.K.,ganz schön  weit für einen Fußgänger, aber die erfahren da oben fast die gleiche Schwerkraft wie auf der Erde. Beim Mond, der rund 384.000 km entfernt ist, sieht das schon etwas anders aus. Aber auch der erfährt Schwerkraft von der Erde. Der würde auch runterfallen wie die Astronauten, wenn er sich nicht bewegen würde. Er kreist ja in etwa 4 Wochen einmal um die Erde, die Astronauten brauchen dafür nur etwa 90 Minuten. Immer wenn es so richtig rund geht, gibt es da so was wie die Fliehkraft. Diese Erfahrung machen wir früh auf der Kirmes. Aber diese Aussage ist auch falsch.

Stellen wir uns einen  Riesen vor, der die Astronauten bzw. den Mond an einer langen Schnur über seinem Kopf herumschleudert. Die Schnur ist stramm gespannt und würde die reißen, wäre es aus mit der Karussellfahrt. Es ginge geradeaus weiter, wie es Newton schon behauptet hat und auf der Erde würden die bewegten Dinge zu Boden stürzen. Da ist dann die Schwerkraft die Schuldige. Die Kraft im Faden hält die Dinge auf der Kreisbahn. Nur sind weder unser Mond noch Astronauten angebunden, die erforderliche Kraft wird von der  Schwerkraft der Erde aufgebracht. Sie hält die Körper auf der (Fast-) Kreisbahn.

Nun, mein Mond hat nur etwa 15 cm Durchmesser und er soll oberhalb einer Holzplatte schweben. Was er aber nicht tat. Sobald man in los ließ, polterte er heftig auf die Platte. Wie aber soll er dort schweben? Mein Mond kreist nicht um irgend ein Ding im Zimmer, da müssen wir die Schwerkraft der Erde mit anderen Maßnahmen überlisten. Magnete können sich beispielsweise abstoßen. Es scheint, als wären in den Ecken der Holzkiste 4 sehr starke Magnete, und im Mond offenbar auch. Er wird jedenfalls sehr stark in jede der Ecken gezogen, sobald er nur etwas von der Mitte der Holzkiste entfernt ist. Von Abstoßung ist da keine Spur! Erst ein ganz sorgfältiges Vorgehen führte zum Schweben. Ganz langsam musste der Mond an die richtige Stelle gebracht werden, dann erst konnte man ihn loslassen.

Da ist aber etwas mehr, denn schließlich hat die Kiste (aber nicht der kleine Mond) einen Stromanschluss. Könnte es sein, dass in der Kiste etwas wie ein kleiner Induktionsherd ist? (Morgen gibt es gebratenen Mond!) Im Mond müsste eine Spule sein. Dann hätten wir so etwas wie einen Transformator, über den Energie in den Mond übertragen wird, wie es beim drahtlosen Laden eines Handys geschieht. Hier würde dann nicht geladen, sondern die Beleuchtung des Mondes betrieben. Wenn durch die Mond-Spule Strom fließt, wird sie zum Elektromagneten. Auch bei Elektromagneten kann eine Abstoßung auftreten. Diese Kraft könnte die Schwerkraft überwinden und der Mond oben halten. Steigt er zu hoch, wird die Kraft kleiner und so kann er nicht wegkatapultiert werden.

Wenn das die Erklärung ist, müsste so was auch andernorts klappen. Das Handy auf der drahtlosen  Station müsste sanft zur Decke schweben. Gefährlich.wird es beim Induktionskochfeld in der Küche. Töpfe gut festhalten, die fliegen sonst an die Decke! Passiert nicht? Testen wir das einmal etwas kleiner: Etwas Aluminiumfolie auf das Kochfeld legen und einschalten. Ein paar Sekunden strebt die Folie nach oben, dann schaltet die Herdelektronik ab.

Zur Überprüfung können wir mal ein wenig forschen. Wir bringenden Mond in die ziemlich kleine stabile Position über der Mondbasis. Wenn man in anstößt, dreht er sich. Innerhalb von etwa 1 Minute nimmt die Rotationsgeschwindigkeit sogar alleine zu. Wenn man ihn abbremst und in Gegenrichtung anstößt, dreht er sich auch andersrum. Geht man von einem ruhenden Mond aus, stellt man fest, dass er sich zunächst in eine zufällige Richtung in Bewegung setzt, nach einer Weile wieder abbremst, sich rückwärts in Bewegung setzt. Auch hier wird er dann alleine schneller, um dann wieder abzubremsen, dann folgt wieder eine Richtungsumkehr. Das wiederholt sich einige Male, die Bewegungen werden länger. Irgendwann ist die Bremswirkung nicht mehr ausreichend, der Mond dreht sich nu noch in eine Richtung, die nicht vorhersagbar ist. Das hilft uns aber nicht, das Schweben zu erklären.

Bringen wir mal Technik ins Spiel: Auf unsere Mondbasis kommt eine Drahtschleife, eine Art von Spule, die an ein Oszilloskop angeschlossen wird. Und voila, das Oszilloskop zeigt uns eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 171,8 kHz mit sehr vielen Oberwellen. Sinus sieht anders aus. Im Holzkasten ist also wirklich ein kleines Induktionskochfeld! Allerdings müssen wir unsere schöne Theorie gleich wieder einstampfen: Die Beleuchtung ist abschaltbar und wenn die nicht leuchtet, ist das Wechselfeld nicht mehr vorhanden. Es dient offensichtlich nur der zur Energieversorgung der Mondbeleuchtung.

Suchen wir weiter und stellen zunächst fest, dass der Mond auch eine Anziehungskraft hat. Und zwar eine magnetische Anziehungskraft! Im Innern ist also ein Magnet verbaut. Auch die Mondbasis enthält einen Magneten, denn auch ohne Stromversorgung zieht sie kleine Eisenstückchen an. Stoßen sich dann gleichnamige Pole in Basis und Mond ab? Dass es grundsätzlich möglich, man würde aber niemals erreichen, dass ein Magnet stabil über dem andern schwebt. Das ist ein labiles Gleichgewicht, sowie in der Situation, wenn man auf eine große glatte Kugel eine kleinere glatte Kugel legt. Sie wird immer herunterfallen.

Man muss noch dafür sorgen, dass der Mond eine kleine Kraft erfährt, wenn er sich aus der Mittelpunktsposition heraus bewegt. Das könnte man mit Elektromagneten erledigen, die den Mond in die Mittelpunkts Lage zurückziehen. Dazu müsste in irgendeiner Weise die Position des Mondes ermittelt werden und dann in Abhängigkeit von der Mondposition ein Strom durch die Spulen geschickt werden.

Ist das machbar? Ja! Da der Mond sowieso einen starken Magneten beinhaltet, kann man Hall-Sensoren verwenden, um seine Position festzustellen. Stellen wir uns das wie ein Koordinatensystem vor, so müssen wir seine X Koordinate und seine Y Koordinate ermitteln. Das sind schon mal zwei Sensoren. Wenn der Mond beispielsweise in Richtung der positiven x-Achse auswandert, müsste ein Magnet auf der positiven x-Achse seine Anziehungskraft reduzieren, ein Magnet auf der negativen x-Achse seine Anziehungskraft erhöhen. Das gilt natürlich auch umgekehrt. Eine ähnliche Überlegungen muss man für die Y Achse anstellen, ein Hallsensor müsste die Y Auslenkung feststellen. Über zwei Spulen auf der negativen bzw. positiven y-Achse muss der Mond je nach Lage mehr oder weniger stark angezogen werden. Nötig erscheint es auch, die Höhe des Mondes über der Holzkiste zu kennen, das könnte ein dritter Sensor erledigen, der dann Einfluss auf den gesamtfließenden Spulenstrom nehmen könnte und so eine Justierung der gesamten Anziehungskraft vorzunehmen.

An der Stelle muss der Schraubenzieher her und nun der Inhalt des Kastens ergründet werden. Vier Stahlplättchen in der Mitte, acht Transistoren am Rand der Platine, einige ICs und zwei Trimmpotentiometer sind erkennbar, dazu kommt noch etwas Vogelfutter. Nimmt man die Platine heraus, entdeckt man auf der Rückseite vier Spulen und einen großen ringförmigen Magneten. Im Kasten selbst sitzt eine runde Spule, die an eine zweite Platine angeschlossen ist. Die ist die Quelle des hochfrequenten Felds.
Die Stahlplättchen auf der Oberseite befinden sich genau unterhalb der Spulen, hier kann wohl durch Verschieben die Stärke und Form des Magnetfeldes justiert werden. Zwei der Chips erweisen sich als Vierfachoperationsverstärker der untenl links ist ein Vierfach-Analogschalter. Je vier der Transistoren auf der Außenseite bilden offenbar eine H-Brücke für je zwei der Spulen. Bei genauerem hinsehen entdeckt man auf der Rückseite der Platine in der Mitte einige kleine Bauteile, das scheinen die gesuchten Hallsonden zu sein. Sie sind jeweils um 90° zueinander versetzt Auch ohne Details an einer Schaltskizze ablesen zu können, sieht man, dass die Vorüberlegungen weit gehend richtig gewesen sein müssen.