DE20303582U1 - Vorrichtung zur Demonstration eines aufwärts rollenden Doppelkegels - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Demonstration eines aufwärts rollenden Doppelkegels

Die Erfindung betrifft ein physikalisches „Spielzeug" in Form eines aufwärts rollenden Doppelkegels. Derartiges „Spielzeug" hat einen physikalischen Hintergrund und trägt zur Erklärung der Wirkungsweise physikalischer Grundprinzipien und der Ableitung von Anwendungsgebieten im Sinne der angewandten Physik bei.

Neben dem Lehr- und Lerneffekt zur Vermittlung physikalischer Grundkenntnisse soll mit derartigen physikalischen „Spielzeugen" die sinnliche Erlebnisfähigkeit bekannter Phänomene aus dem Bereich der Physik den interessierten Menschen näher gebracht werden.

Wenn Gegenstände ohne Energiezufuhr auf einer schiefen Ebene aufwärts rollen, widerspricht das allgemeinen Erfahrungen und Erkenntnissen. Das scheinbare Geheimnis des aufwärtsrollenden Doppelkegels zu enthüllen, erfordert die Durchführung des Experiments und damit den Aufbau einer geeigneten Versuchsanordnung.

Beschreibungen mit einfachen Versuchsanordnungen zur Demonstration des interessanten und originellen Effekts sind in der Literatur zu finden.
So wird in der Zeitschrift Physik unserer Zeit 28 (1997), Heft 4, Seite 161-163 u.a. eine Versuchsanordnung vorgestellt, bei der ein Doppelkegel auf einer Rampe aus V-förmig angeordneten ansteigenden Schienen scheinbar von allein, d.h. ohne jeden Antrieb, aufwärts rollt. Dabei bewegt sich der Schwerpunkt des Doppelkegels und somit er selbst natürlich abwärts, aber man muss schon genau hinschauen, um die erklärenden und ursächlichen Zusammenhänge erkennen zu können. Die Kontaktpunkte Schiene/Kegel wandern nämlich während des Rollvorganges zu den Kegelspitzen und selbst

bei aufwärts-strebenden Schienen senkt sich der Doppelkegel in seinem Schwerpunkt ein wenig ab.

Ein ähnlich geartetes Physikspielzeug ist der „Rolling Ball". Eine Kugel hat ähnliche Rolleigenschaften auf der Schiene wie ein Doppelkegel. Bei dem Spiel kann zusätzlich der Öffnungswinkel der Schienen verändert werden, um die Kugel möglichst weit den Berg hinaufrollen zu lassen.

Beim sogenannten „Pendel" sind zwei aufwärtsführende Schienenpaare vorgesehen, so dass eine Pendelbewegung des Doppelkegels möglich ist. Er kommt nach einiger Zeit in der Mitte der Rollstrecke, die dem „höchsten" Punkt entspricht, zur Ruhe.

Die US-Patentschrift US 5 238 410 beschreibt eine Schreibtischgarnitur mit zwei Schreibstift-Haltern auf einer Grundplatte, auf der in symmetrischer Anordnung zwei V-förmig aufwärtsführende Schienenpaare so befestigt sind, dass die beiden freien V-Schenkelpaare am höchsten Punkt der Rollstrecke aneinander stoßen.

Die Schienen verlaufen hierbei von einer tiefen, äußeren Stelle zur höchsten Stelle in der Mitte, bei der die Schienen am weitesten auseinander liegen, und weiter zur gegenüberliegenden tiefen Stelle. Der Schienenverlauf ist wie beim oben beschriebenen „Pendel" ausgeführt. Auf die Schienen ist ein Doppelkegel aufgelegt, der ebenfalls scheinbar den Berg hinaufrollt und nach einigen Pendelbewegungen auf dem höchsten Punkt stehen bleibt.

Aus diesen Veröffentlichungen sind als Versuchsanordnungen die beiden Varianten „einfache Bergstrecke" und „Rollbewegung über einen Berg" in getrennter Ausführung bekannt.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Demonstration des aufwärtsrollenden Doppelkegels zu entwickeln, die die Rollstrecken der bekannten einfachen Versuchs-

anordnungen und zusätzliche neue Rollstrecken in einer leicht handhabbaren Vorrichtung zusammenfasst.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nach der Konzeption der Erfindung besteht die Vorrichtung zur Demonstration des aufwärtsrollenden Doppelkegels aus einem Trägerkreuz, das zwischen seinen etwa gleich langen Schenkeln 4 etwa gleich große Sektoren bildet.

Dabei ist jeder Sektor von zwei Schenkeln des vierschenkligen Kreuzes begrenzt und die Schenkel bilden den Rahmen für die Aufnahme von je zwei etwa dreieckförmigen, zur Bildung der Schienenpaare unterschiedlich voneinander beabstandeten Platten, deren nach außen weisende, nicht gerahmte Kanten eine Rollstrecke bilden.

Die Vorrichtung besteht damit aus vier Schienenpaarvarianten, die im 360°- Umlauf- jeweils um 90° verdreht - um ein Trägerkreuz angeordnet sind.

Als Schienenpaarvarianten sind die folgenden Rollstrecken vorhanden:
Rollstrecke 1
· V-förmig beabstandetes Schienenpaar in horizontaler Ebene - der

Doppelkegel rollt ohne Anstoß auf der geraden Rollstrecke
Rollstrecke 2

• V-förmig beabstandetes Schienenpaar in ansteigender Ebene - der Doppelkegel kann sogar bergauf rollen

Rollstrecke 3

• abwechselnd sich V-förmig öffnendes und schließendes Schienenpaar hier sind mehrere Rollabschnitte vorgesehen, die die Doppelkegel-Geschwindigkeit entweder beschleunigen (längere Abschnitte Schwerpunkt senkt sich) oder verzögern (kürzere Abschnitte, in denen sich der Schwerpunkt wieder hebt), ohne jedoch (aufgrund der Massenträgheit) stehen zubleiben

• ·

Rollstrecke 4

• V-förmig sich bis zu Mitte der Rollstrecke öffnendes und nachfolgend wieder schließendes Schienenpaar mit Berg in der Mitte - der Doppelkegel führt eine oszillierende Bewegung über den Berg aus, bis er schließlich auf der Bergspitze zur Ruhe kommt.

In liegender Position des Trägerkreuzes kann der Edelstahlkegel in der Mitte des Trägerkreuzes in einem Extrafach abgelegt werden. Zur Benutzung wird das Spiel aufrecht gestellt und der Doppelkegel auf die Schienen aufgesetzt. Das Spiel sollte mit der einfachen, geraden Rollstrecke beginnen und im Uhrzeigersinn weitergedreht werden, so dass nacheinander die vier vorhandenen Rollstrecken bespielt werden.

Als Material für das Trägerkreuz können vorzugsweise Holz oder optisch ansprechende Metalle zur Anwendung kommen.

Die etwa dreieckförmigen Platten zwischen den Schenkeln des Trägerkreuzes können insbesondere aus Edelstahl, Glas, P-Acrylplatten, galvanisiertem Messing und dgl. hergestellt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 1 Draufsicht auf die Vorrichtung in liegender Position

Fig. 2 Draufsicht auf die Vorrichtung und die Rollstrecken 1 und 2 in

Spielposition

Fig. 3 Draufsicht auf die Vorrichtung und die Rollstrecke 3 in

Spielposition

Fig. 4 Draufsicht auf die Vorrichtung und die Rollstrecke 4 in

Spielposition

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung in liegender Position. Das Trägerkreuz 1 ist als Holzkreuz ausgeführt und besteht aus vier Schenkeln 2. Die Schenkellängen des Trägerkreuzes liegen vorzugsweise im Bereich von etwa 15 bis 30 cm bzw. die Rollstreckenlängen im Bereich von 20 bis 40 cm. In den Sektoren 4 zwischen jeweils zwei Schenkeln 2 sind zur Bildung eines Schienenpaares 3 zwei zumindest im Bereich ihrer Kanten 5 entsprechend voneinander beabstandete Platten 4' eingebracht.

Der Verlauf der Kanten 5 dieser Plattenpaare 4' dient dabei als Rollstrecke 3.

Beim gewählten Ausführungsbeispiel sind die etwa dreieckförmigen Platten 4' mit den beiden Kanten, die auf den Schenkeln 2 aufliegen, in Nuten 8 eingeschoben, die in die Innenseiten der Schenkel 2 eingefräst wurden. Als Werkstoff für die Plattenpaare 4 wird vorzugsweise transparentes Acryl eingesetzt.

Im Zentrum des Holzkreuzes 1 befindet sich ein Extrafach 6 als Aufnahme für den Doppelkegel.

Zum Spielbetrieb wird der Doppelkegel entnommen und das Trägerkreuz 1 in eine vertikale Position gebracht; es stützt sich dabei auf jeweils zwei Stirnseiten 2.1 der Schenkel 2 ab.

Die Fig. 2 bis 4 veranschaulichen für die vertikale Spielposition den Verlauf der vier möglichen Rollstrecken 3.

Das erfindungsgemäße Trägerkreuz 1 beinhaltet vier Schienenpaarvarianten, die als Rollstrecken 3.1 bis 3.4 -jeweils um 90° gedreht - um das Trägerkreuz 1 angeordnet sind.

Fig. 2 beinhaltet die Draufsicht auf die Rollstrecken 3.1 und 3.2. Mit der Rollstrecke 3.1 wird die Rollbewegung auf einen horizontalen sich V-förmig öffnenden Schienenpaar 3 demonstriert.

Der Doppelkegel 7 beginnt hier seine Rollbewegung, weil sich sein Schwerpunkt beim Abrollen der Kegelflächen auf den Schienen abwärts bewegt. Das wird dadurch ermöglicht, dass der Auflagepunkt des Doppelkegels auf den Schienen zu den Kegelspitzen wandert.

Die Bewegung läuft also nur dann von selbst ab, wenn die Kegelachse (Schwerpunkt) abwärts sinkt. Dadurch wird potentielle Energie frei, die in Bewegungsenergie umgesetzt wird.

Auf der Rollstrecke 3.2 gelingt die Rollbewegung des Doppelkegels 7 auf einem ansteigenden Schienenpaar 3.

Hier sind zwei wiederum in einer Ebene angeordnete ansteigende, sich öffnende Auflageschienen vorhanden, auf denen ein Doppelkegel scheinbar entgegen von Schwerkraft und Energieerhaltungssatz aufwärts rollt. Schaut man näher hin, bewegt sich der Schwerpunkt des Doppelkegels natürlich abwärts. Das wird deshalb möglich, weil die Auflagepunkte des Doppelkegels

auf den Schienen nach außen zur Kegelspitze wandern.
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Den Verlauf der Rollstrecken 3.3 und 3.4 zeigen die zugehörigen Fig. 3 bzw. 4.

Dabei ermöglicht die Rollstrecke 3.3 eine Rollbewegung auf abwechselnd sich öffnenden und schließenden Schienen 3.

Nach Absolvieren der ersten Teilstrecke sorgt die Trägheit des Kegels für ein Weiterrollen auf der zweiten Teilstrecke, d.h. der Schwerpunkt geht wieder ein Stück noch oben bis er auf den erneut auseinanderlaufenden Schienen 3 der dritten Teilstrecke wieder nach unten fallen kann. Der Rollabschnitt, auf dem der Kegelschwerpunkt nicht ganz bis auf Ausgangshöhe hochsteigt, ist kürzer

als die auseinanderlaufenden Schienenabschnitte.
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Mit der Rollstrecke 3.4 wird die Rollbewegung über einen „Berg" demonstriert.

Hier wurden zwei Schienenpaare 3 an ihrem breitesten und höchsten Punkt miteinander verbunden. Der Doppelkegel führt eine oszillierende Bewegung zwischen den Endpunkten der Doppelschienen aus und kommt schließlich auf der „Bergspitze" zur Ruhe.

Der "Spiel"- bzw. Experimentierablauf sieht vor, dass mit der Rollstrecke 3.1 begonnen wird und nachfolgend das aufgerichtete Trägerkreuz 1 zum Benutzen der weiteren Rollstrecken 3.2 bis 3.4 um jeweils 90° gedreht wird.

• Liste der Bezugszeichen

1	Trägerkreuz
2	Schenkel
	2.1 Stirnseiten
3	Schienenpaar, Rollstrecke
	3.1 Rollstrecke 1
	3.2 Rollstrecke 2
	3.3 Rollstrecke 3
	3.4 Rollstrecke 4
4	Sektoren
	4'Platten
5	Kanten der Platten 4'
6	Extrafach
7	Doppelkegel
8	Nuten

• · • ·

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Demonstration eines aufwärts rollenden Doppelkegels enthaltend Versuchsanordnungen, bei denen ein Doppelkegel auf einer Rampe aus zwei V-förmig angeordneten in einer Ebene aufsteigenden Schienen aufwärts rollt, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau

a) ein Trägerkreuz (1) besitzt zwischen seinen etwa gleich langen Schenkeln (2) vier etwa gleich große Sektoren (4), die voneinander um 90° versetzt sind,

b) jeder Sektor (4) ist von zwei Schenkeln (2) des vierschenkligen Trägerkreuzes (1) begrenzt, wobei die Schenkel den Rahmen bilden für die Aufnahme von je zwei etwa dreieckförmigen, zur Bildung der Schienenpaare (3) unterschiedlich voneinander beabstandeten Platten (4'), deren nach außen weisende, frei liegende Kanten (5) eine Rollstrecke (3) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im 360°-Umlauf um ein in Spielposition vertikal stehendes Trägerkreuz (1) die folgenden vier Rollstrecken (3) vorgesehen sind

- die Rollstrecke (3.1) in der Ausführung als V-förmig beabstandetes Schienenpaar (3) in horizontaler Ebene,

- die Rollstrecke (3.2) in der Ausführung als V-förmig beabstandetes Schienenpaar (3) in ansteigender Ebene,

- die Rollstrecke (3.3) in der Ausführung als abwechselnd sich V-förmig öffnendes und nachfolgend schließendes Schienenpaar (3)

- die Rollstrecke (3.4) in der Ausführung als V-förmig sich bis zur Mitte der Rollstrecke (3) öffnendes und nachfolgend wieder schliessendes Schienenpaar (3), wobei das Schienenpaar von beiden Seiten bis zur Mitte der Rollstrecke (3.4) ansteigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Trägerkreuzes (1) ein Extrafach (6) vorgesehen ist, in dem in liegender Position des Trägerkreuzes (1) der Doppelkegel (7) ablegbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für das Trägerkreuz (1) vorzugsweise Holz oder optisch ansprechende Metalle zur Anwendung kommen

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die etwa dreieckförmigen Platten (4') zwischen den Schenkeln (2) des Trägerkreuzes (1) insbesondere aus Edelstahl, Glas, P-Acrylplatten, galvanisiertem Messing und dgl. aufgebaut sind.