NZZ Folio 01/93 - Thema: Verschwunden   Inhaltsverzeichnis

Phänomene -- Das balancierte Lineal

Von Wolfgang Bürger

Legen Sie das längste Lineal, das Sie finden können, auf die vorgestreckten Zeigefinger und halten es waagrecht. Schieben Sie die Finger langsam und gleichmässig zusammen, bis sie sich in der Mitte treffen. Fällt Ihnen etwas auf? Das Lineal wandert abwechselnd ein Stück nach links oder nach rechts, aber niemals so weit, dass es seitwärts von den Fingern fallen könnte. Dabei macht es keinen Unterschied, ob Sie am Anfang beide Finger ganz aussen oder einen ans Ende des Lineals und den anderen fast in die Mitte placieren. Ebenso unerheblich ist es, ob das Lineal aus Holz, Metall oder Kunststoff besteht, wenn es nur gerade ist. Sie können das Lineal auch auf andere Weise stützen, zum Beispiel durch zwei Messerschneiden, die sich einander bis auf wenige Millimeter nähern lassen. Die Mitte des Lineals, genauer gesagt sein Schwerpunkt, bleibt bis zuletzt zwischen den beiden sich nähernden Stützstellen. Je geringer der Abstand wird, desto schwerer wird es allerdings, sie genau auf gleicher Höhe zu halten. Wie man weiss, ist das Gefälle einer Strecke gleich dem Höhenunterschied geteilt durch die Länge. Am Ende kann leicht eine Schräge entstehen, auf der das Lineal ins Rutschen gerät.

Wie man deutlich beobachtet, haftet das Lineal abwechselnd am linken oder am rechten Zeigefinger, während es gleichzeitig auf dem anderen Zeigefinger gleitet. Warum wendet es aber plötzlich, kurz bevor sein Schwerpunkt den entgegenkommenden Finger erreicht hat, steigt augenblicklich um und setzt den Weg in der Gegenrichtung fort?

Der Schlüssel zum Verständnis des Mechanismus liegt in den Kräften, mit denen die beiden Finger das Lineal von unten stützen. Sie teilen sich das Gewicht des Lineals, und zwar, nach dem Hebelgesetz, im umgekehrten Verhältnis ihrer Abstände vom Schwerpunkt des Lineals. Je näher der Schwerpunkt einem der stützenden Finger kommt, desto grösser wird die Stützkraft dort und desto kleiner am anderen Finger. Könnte der Schwerpunkt einen Finger erreichen, würde die Stützkraft am anderen sogar ganz verschwinden.

Der Finger, an dem das Lineal gegenwärtig haftet, treibt die Bewegung des Lineals an. Zwischen Finger und Lineal sorgt eine Haftkraft dafür, dass das Lineal dem Finger folgt. Der andere Finger, auf dem das Lineal gleitet, hemmt die Bewegung durch die zwischen den Oberflächen wirkende Gleitreibungskraft. Bewegt man den Antriebsfinger mit konstanter Geschwindigkeit, müssen sich die Haftkraft am einen und die Gleitreibungskraft am anderen Finger in Strenge das Gleichgewicht halten. Die Gleitreibungskraft nimmt (nach einer auf Erfahrung beruhenden Hypothese, die Leonardo da Vinci zugeschrieben wird) proportional zur Stützkraft zu. Da diese, wie bereits erläutert, nach dem Hebelgesetz bei der Annäherung des Schwerpunkts an den Finger wächst, wird auch die Gleitreibungskraft immer grösser. Die Haftkraft, die das Lineal gegen die Gleitreibungskraft verschiebt, kann erfahrungsgemäss nicht über einen Grösstwert, die Haftgrenze, gesteigert werden, von der man voraussetzen darf, dass sie ebenfalls der Stützkraft am betreffenden Finger proportional ist.

Da die Stützkraft bei der Verschiebung des Lineals immer kleiner wird, sogar beliebig klein werden kann, wird daher die Haftgrenze überschritten, ehe der Schwerpunkt den entgegenkommenden Finger erreicht. Danach ist das Haften nicht mehr möglich, das Lineal muss kurzfristig auf beiden Fingern gleiten, was aber bei langsamer Bewegung der Finger und nicht zu geringer Reibung zwischen Finger und Lineal nicht zu sehen ist. Im Bruchteil einer Sekunde hat das Lineal den entgegenkommenden Finger eingeholt, an dem es genügend grosse Haftkräfte festhalten und zwingen, ebendiesem Finger zu folgen.

Auf diese Weise bleibt der Schwerpunkt immer zwischen den sich nähernden Stützpunkten. Das Spiel lässt sich ausnutzen, schnell und recht genau die Mitte des Lineals einzugrenzen. Es eignet sich aber auch dazu, den Schwerpunkt gerader Stäbe zu finden, deren Masse über die Länge nicht gleich verteilt ist und deren Schwerpunkt deshalb nicht in der Mitte zu liegen braucht.


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