Bereits im 19. Jahrhundert erbrachte der französische Physiker Jean Bernard Léon Foucault mit Hilfe des später nach ihm benannten Pendels den Nachweis, dass die Erde um ihre eigene Achse rotiert. Fachlich steht das Thema „Erdrotation" in unmittelbarem Zusammenhang mit der Planung und der Umsetzung von Raumfahrtmissionen – insbesondere in Bezug auf die Fernerkundung der Erde durch Satelliten. Ihre Bahnebenen sind, wie die Schwingungsebenen von Pendeln, im Raum feststehend. Nur durch die Erdrotation und die gewählte Bahn über die Pole kann ein Satellit, wie zum Beispiel der in Neustrelitz empfangene TerraSAR-X, die gesamte Oberfläche unseres Heimatplaneten beobachten.
Foucaultsches Pendel
Jean Bernard Léon Foucault (1819 - 1868). Bild: www.teylersmuseum.eu
Foucaults geniale Idee bestand darin, dass er die Erde selbst zum Teil der Versuchsanordnung machte. Sein Pendel hängt quasi frei im Raum – wenn man so will im Weltraum. Ein am Versuch stehender Beobachter registriert eine allmähliche Drehung der Schwingungsebene. Warum ist das aber so, wenn die Schwingungsebene des Pendels eine feste Orientierung im Raum hat? Die Antwort: Der Beobachter dreht sich ja mit der Erde mit und nimmt ihre Rotation daher nicht wahr. Er merkt nur, dass sich allmählich die Richtung, in der das Pendel schwingt, ändert. Nur wenn er außerhalb der Erde an einem Punkt im Weltraum stünde, würde er die Situation „objektiv" sehen.
Mit dem im DLR_School_Lab aufgebauten Foucaultschen Pendel kann dieser Effekt beobachtet, untersucht und aus den Messdaten die Dauer des Sternentages auf der Erde berechnet werden.
Schwingungsforschung
Versuchsanordnung zur Schwingungsforschung im DLR_School_Lab. Bild: DLR (CC-BY 3.0)
Schwingungen begegnen uns vielfach im Alltag als gewolltes oder ungewolltes oder gar störendes Phänomen. Jeder von Luft umströmte Körper neigt zu Schwingungen. Anschauliches Beispiel dafür ist eine Fahne, die bereits bei geringer Windstärke zu flattern beginnt – ein gewollter Effekt. Während eines Fluges kann das Umströmen von Luft das unerwünschte sogenannte Flattern am Flugzeug hervorrufen. Dabei nehmen die Schwingungsamplituden deutlich zu. Dieses „Aufschaukeln" von Schwingungen führt bei fehlender Dämpfung im Extremfall zu Schäden am Flugzeug. Das gleiche Phänomen kann aber auch eine Brücke so stark in Bewegung versetzen, dass sie – wie bei der Tacoma-Narrows-Brücke 1940 passiert – einstürzt. Darum ist bei allen hohen Bauwerken und sehr schnell bewegten Geräten die Berücksichtigung der Schwingungsdämpfung ein Thema.
Mit den Experimentieranlagen im DLR_School_Lab können Einflussgrößen solcher mechanischer Schwingungen komplex untersucht werden.