Gleichgewicht und Kippen

Balance and Tipping

Fitness und Bewegung Klasse 4 12 Aufgaben
RadfahrenPhysikDynamik

Das Kind erklärt an Gegenständen, warum ein stehendes Fahrrad umfällt und ein Dreirad nicht: Zwei Reifen berühren den Boden nur entlang einer dünnen Aufstandslinie, und sobald der Schwerpunkt neben sie wandert, dreht die Gewichtskraft das Rad weiter — ein Kippmoment, das mit der Neigung wächst. Das ist ein umgekehrtes Pendel wie der Besen auf der Handfläche (Meijaard u. a. 2007). Es verhindert die Irrtümer „ein tieferer Sattel lässt das Rad stehen“ und „ein geneigtes Rad richtet sich von selbst auf“. Bereitet „Lenken ins Kippen“ vor, das zeigt, wie der Fahrer die Aufstandslinie zurückholt, und später Kräfte und Gleichgewicht in Physik.

Stell ein Fahrrad ohne Ständer ab und lass los: Es fällt um. Immer. Der Grund ist die schmalste Standfläche, die ein Fahrzeug haben kann — zwei Reifen berühren den Boden in zwei winzigen Flecken, und zwischen ihnen verläuft eine einzige dünne Aufstandslinie.

Über dieser Linie sitzt der Schwerpunkt — bei Fahrrad mit Kind ungefähr auf Bauchnabelhöhe. Solange der Schwerpunkt genau über der Linie steht, ist alles im Gleichgewicht. Aber „genau darüber" ist ein Zustand ohne jede Reserve: Kippt das Rad auch nur ein kleines bisschen zur Seite, zeigt die Gewichtskraft nicht mehr durch die Aufstandslinie — und beginnt, das Rad weiterzudrehen.

Bewege den Regler und beobachte, wie die Gewichtskraft neben der Aufstandslinie landet, sobald das Rad sich neigt.

Je größer die Neigung, desto weiter wandert der Schwerpunkt zur Seite, und desto stärker dreht das Gewicht das Rad weiter nach unten. Physiker nennen so ein System ein umgekehrtes Pendel: Ein normales Pendel schwingt von selbst in die Mitte zurück, ein umgekehrtes Pendel verstärkt jede Abweichung. Ein Besen, den du senkrecht auf der Handfläche balancierst, ist dasselbe System — und genau wie beim Besen gibt es nur einen Ausweg: die Unterstützung muss dem Kippen hinterher. Wie das beim Fahrrad geht, zeigt der nächste Abschnitt.

Ermöglicht (1)

Lenken ins Kippen
Klasse 4
›
Leicht
Multiple Choice #1 14s â–¶ Testen

Welches dieser Dinge kippt von selbst um, sobald man es loslässt?

  • â—Ź ein Fahrrad, das ohne Ständer senkrecht steht
  • â—‹ ein Dreirad, das auf ebenem Boden steht
  • â—‹ ein Tisch mit vier Beinen
Die beiden Reifen berühren den Boden nur entlang einer dünnen Aufstandslinie. Neigt sich das Rad ein wenig, zeigt die Gewichtskraft neben diese Linie und dreht es weiter — ein umgekehrtes Pendel. Dreirad und Tisch stehen auf einer breiten Fläche.
Wahr / Falsch #2 12s â–¶ Testen

Ein Dreirad kippt in einer langsamen, geraden Fahrt nicht um, weil sein Schwerpunkt über einer breiten Standfläche liegt.

âś“ Wahr
Drei Räder spannen eine Fläche auf. Solange der Schwerpunkt über ihr liegt, richtet sich das Dreirad bei kleinen Neigungen selbst auf — das Gegenteil des umgekehrten Pendels.
Multiple Choice #3 14s â–¶ Testen

Welches ist ein umgekehrtes Pendel — es verstärkt jede kleine Neigung?

  • â—Ź eine Seiltänzerin, die auf dem Seil steht
  • â—‹ eine Laterne, die an einer Schnur hängt
  • â—‹ eine Glocke, die im Turm hängt
Ihr Schwerpunkt liegt hoch über der schmalen Auflage — neigt sie sich, zieht das Gewicht sie weiter. Laterne und Glocke hängen unter ihrem Aufhängepunkt und pendeln zurück.
Wahr / Falsch #4 12s â–¶ Testen

Ein stehendes Fahrrad ohne Ständer ist nur 2° zur Seite geneigt. Es richtet sich von selbst wieder auf.

âś“ Falsch
Schon bei kleiner Neigung liegt der Schwerpunkt neben der Aufstandslinie, und das Kippmoment dreht das Rad weiter. Es fällt — anfangs langsam, dann immer schneller.
Mittel
Multiple Choice #1 16s â–¶ Testen

Welches ist ein umgekehrtes Pendel — es verstärkt jede kleine Neigung?

  • â—Ź ein Besen, der aufrecht auf der Handfläche balanciert
  • â—‹ eine Schaukel, die an ihren Seilen hängt
  • â—‹ eine Uhr mit hängendem Pendel
Beim umgekehrten Pendel sitzt die Masse oben: Je weiter es kippt, desto stärker zieht das Gewicht es weiter. Was unter seinem Aufhängepunkt hängt, schwingt dagegen zurück.
Multiple Choice #2 16s â–¶ Testen

Ein stehendes Rad ist einmal 5° und einmal 20° zur Seite geneigt. Wann zieht die Schwerkraft es stärker weiter nach unten?

  • â—Ź bei 20° Neigung
  • â—‹ bei 5° Neigung
  • â—‹ in beiden Fällen gleich stark
Je weiter der Schwerpunkt neben der Aufstandslinie liegt, desto länger ist der Hebelarm der Gewichtskraft — mehr Neigung, mehr Kippmoment. Darum muss eine Korrektur früh kommen.
Multiple Choice #3 14s â–¶ Testen

Wann lässt sich ein Kippen auf dem Rad am leichtesten noch abfangen?

  • â—Ź ganz am Anfang, wenn das Rad nur leicht neigt
  • â—‹ erst wenn das Rad schon weit geneigt ist
  • â—‹ zu jedem Zeitpunkt gleich leicht
Das Kippmoment wächst mit der Neigung. Eine kleine, frühe Korrektur genügt; spät braucht es einen großen Lenkausschlag.
Multiple Choice #4 16s â–¶ Testen

Ein Besen balanciert auf deiner Handfläche und kippt nach vorn. Was hält ihn oben?

  • â—Ź die Hand schnell nach vorn unter den Besen schieben
  • â—‹ die Hand stillhalten und abwarten
  • â—‹ die Hand nach hinten ziehen
Ein umgekehrtes Pendel bleibt nur oben, wenn man die Auflage unter den Schwerpunkt bringt. Beim Rad ĂĽbernimmt das Lenken diese Aufgabe.
Wahr / Falsch #5 14s â–¶ Testen

Senkt man den Sattel ganz ab, steht ein Fahrrad ohne Ständer von selbst aufrecht.

âś“ Falsch
Ein tieferer Schwerpunkt ändert nichts an der schmalen Aufstandslinie. Das Rad bleibt ein umgekehrtes Pendel und fällt um — nur etwas langsamer.
Multiple Choice #6 16s â–¶ Testen

Welcher Stab lässt sich auf dem Finger am leichtesten balancieren?

  • â—Ź ein langer Besenstiel
  • â—‹ ein kurzer Bleistift
  • â—‹ beide gleich leicht
Ein langer Stab kippt langsamer. Man hat mehr Zeit, die Auflage unter den Schwerpunkt zu bringen — darum ist der Bleistift viel schwerer.
Multiple Choice #7 14s â–¶ Testen

Welches dieser Dinge kippt von selbst um, sobald man es loslässt?

  • â—Ź ein Tretroller ohne Ständer
  • â—‹ ein Fahrradanhänger mit zwei Rädern nebeneinander
  • â—‹ ein Bobbycar mit vier Rädern
Beim Roller stehen die zwei Räder hintereinander — dazwischen liegt nur eine dünne Aufstandslinie, wie beim Fahrrad. Beim Anhänger stehen sie nebeneinander und spannen mit der Deichsel eine breite Fläche auf.
Wahr / Falsch #8 12s â–¶ Testen

Ein Fahrrad steht ohne Ständer genau senkrecht, und niemand hält es. Ein leichter Windstoß genügt, damit es umfällt.

âś“ Wahr
Genau senkrecht ist ein Gleichgewicht ohne Reserve. Jede kleine Störung schiebt den Schwerpunkt neben die Aufstandslinie, und von da an verstärkt sich das Kippen von selbst.