Schüler des Schengen-Lyzeums untersuchen die Physik von Achterbahnen

Perl : Auf eine Achterbahn mit Albert Einstein

Schüler des Schengen-Lyzeums wandelten vor Kurzem im Phantasialand auf den Spuren berühmter Physiker.

Einen wesentlichen Teil des Physikunterrichts in der zehnten Klasse im Deutsch-Luxemburgischen Schengen-Lyzeum stellt das Studium der Bewegungslehre dar. Im Mittelpunkt stehen die Themen Geschwindigkeit, Kraft und Beschleunigung. Ein Besuch im Freizeitpark bietet die ideale Gelegenheit, das sich angeeignete Wissen in einem außerschulischen Unterrichtsort zu vertiefen.

Seit fünf Jahren in Folge besuchten in diesem Schuljahr die Schülerinnen und Schüler einen Freizeitpark mit dem Ziel, verschiedene Fahrgeschäfte mithilfe des Beschleunigungssensors ihres Smartphones auszumessen. Nachdem die Jahrgänge zuvor die Attraktionen im Walygator Parc im Norden Lothringens und im Europa Park Rust erforscht haben, besuchten die Zehntklässler erstmalig das Phantasialand in Brühl. Mit der App SparkVue der Firma Pasco untersuchten die Schüler in Kleingruppen die zeitliche Änderung der Beschleunigung des Free Fall Towers Mystery Castle sowie verschiedener Wasser- und Achterbahnen.

Die Schüler erstellten softwareunterstützt zu jedem untersuchten Fahrgeschäft ein Zeit-Beschleunigungsdiagramm und fanden heraus, dass sie sich in den Tälern der Achterbahnen, wo sie sich besonders stark in die Sitze gepresst fühlten, auch Werte maximaler Beschleunigung aufnahmen. Hingegen traten Werte minimaler Beschleunigung beim Durchfahren der Achterbahnkuppen auf, wo sich die Schüler nahezu schwerelos fühlten.

Im Rahmen eines Workshops lernten sie, ihre Forschungsarbeit in einem wissenschaftlichen Poster darzustellen – wie es von vielen Jungforschern im Rahmen internationaler Konferenzen von Universitäten verlangt wird.

Dass man sich bei einer Achterbahnfahrt oder bei einer Fahrt mit dem Fahrstuhl unterschiedlich schwer fühlt, ist eine Folge des Äquivalenzprinzips. Mit großem Spaß erforschten die Schüler in dieser handlungsorientierten Unterrichtseinheit in der Projektwoche des Schengen-Lyzeums die Kernaussage des Äquivalenzprinzips, was die Gleichheit der schweren und der trägen Masse beschreibt. Die träge Masse beschreibt den Widerstand eines Körpers gegen eine Geschwindigkeitsänderung. Je größer die träge Masse ist, desto größer muss auch die einwirkende Kraft sein, um die gleiche Änderungsrate der Geschwindigkeit zu erreichen. Aus diesem Grund benötigt ein Lastwagen einen leistungsstärkeren Motor als ein Motorroller. Die schwere Masse beschreibt die gravitationelle Wechselwirkung: Je größer die schwere Masse ist, desto stärker ist die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern. Da der Mond deutlich leichter als die Erde ist, ist die Gravitationskraft auf dem Mond auch deutlich geringer als auf der Erde. Empirische Betrachtungen zeigen, dass eben diese schwere Masse äquivalent zur trägen Masse ist: Denn Wissenschaftler stellten fest, dass alle Körper unabhängig von ihrer Masse am gleichen Ort gleich schnell fallen. Theoretisch wäre auch ein einfacher Faktor zwischen schwerer und träger Masse möglich, was aber bedeuten würde, dass der freie Fall eines Körpers auch von seiner Masse abhängen müsste.

Die ersten Beobachtungen zum Äquivalenzprinzip machte Galileo Galilei im 17. Jahrhundert. Diese Studien wurden von Isaac Newton fortgeführt. Albert Einsteins Postulat der Gleichheit von schwerer und träger Masse ist der Hauptpfeiler der Relativitätstheorie, eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik des 20. Jahrhunderts. Für weitere Generationen bleibt zu erforschen, warum in unserem beobachtbaren Universum das Äquivalenzprinzip überhaupt gilt und welche Rolle es für die Entwicklung des Universums spielt.

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