Lauftiere – Wackeltiere im Passgang

Pendeltiere, ein lustiges und erstaunliches Spielzeug, werden physikalisch untersucht: Sie laufen über den Tisch und stürzen an der Tischkante nicht ab.

Bevor Sie eigene Versuche mit diesen Wackeltieren starten, noch ein Hinweis: Die von der Autorin gekauften Pinguine hatten am Ende des Fadens nur eine leichte Kunststoffperle… viel zu leicht, um eine Fortbewegung der Läufer zu erzeugen. Also wurde diese durch Holzperlen ersetzt, wobei sich durch Variation der Anzahl der optimale Bewegungsablauf herausfinden ließ. Zu schwer darf das Perlengewicht natürlich nicht sein, sonst kommt das Duo ins Rutschen. Auch eine extrem glatte Oberfläche ist ungeeignet.

Nun legen Sie die Schnur mit den Perlen sorgfältig über die Tischkante, geben den Tieren einen kleinen seitlichen Schupps… und schon wackeln die beiden Pinguine – mal rechts, mal links aufsetzend – zielsicher auf den Rand zu. Doch sie „spüren“ wohl den nahenden Abgrund und bleiben – gerade noch rechtzeitig – kurz davor stehen.

Wieso kommen die Lauftiere am Tischrand zu einem Stopp?

Beim Pinguinlauf treibt augenscheinlich das Gewicht der Perlen am Ende der Schnur die Bewegung an. Wie bei einer altmodischen Uhr mit Gewichten wird Lage- oder Hubenergie in Bewegungsenergie umgesetzt, oder physikalischer formuliert: potentielle Energie wird in kinetische umgewandelt. Allerdings kommt bei der Kraftübertragung die Tischkante ins Spiel: Ähnlich wie bei einer einfachen Rolle lenkt sie die Richtung der Erdanziehungskraft um, die jetzt horizontal, also parallel zur Tischplatte wirkt, und an der Figur zieht.

Was aber, wenn die beiden Lauftiere die Tischkante erreichen? Wenn diese nicht allzu abgeschrägt ist, entfällt diese Umlenkung plötzlich und es wirkt nur noch die Erdanziehungskraft senkrecht nach unten. Die jedoch bleibt für die Bewegung wirkungslos, man merkt es beim leichten (!) Fadenziehen an der Kante.

Eigenwillige Pendler

Aber ist nicht auch die Bewegung der beiden Wackler irgendwie sonderbar? Darin verstecken sich nämlich eigentlich zwei Pendelbewegungen oder Schwingungen, wie sie in der Physik genannt werden, die fein aufeinander abgestimmt sein müssen. Um ihnen auf die Schliche zu kommen, müssen Sie die Bewegung zunächst verlangsamen: Dazu lassen Sie die Erdanziehung „außen vor“ und ziehen die beiden Lauffiguren am Faden vorsichtig (und langsam) über den Tisch. Wenn die Pinguine sich beispielsweise auf den linken Füßen befinden, dann schwingen (durch den Zug) die beiden freien rechten Füße wie ein Pendel nach vorne.

Ein kurzes Augenblickchen später – und das ist die feine Abstimmung – sorgt der Zug am Faden dafür, dass der Pinguin auf genau diese rechte Seite herübergezogen wird und dort etwas weiter vorne „Fuß fasst“. Nun sind die linken Füße frei… sie pendeln nach vorne… das Gewicht zieht leicht herüber… und so geht es bis zur Tischkante. Die Beinpaare sind in beide Pendelrichtungen abgerundet wie Halbzylinder. Mit anderen Worten: Die Wackelbewegung kommt zustande, weil der mittige Fadenzug auf die Gegenseite zieht; die Vorwärtsbewegung wird – auch unter Zug natürlich – durch das Pendeln des freien Beinpaares erreicht. Das ist schon ein kompliziertes und pfiffiges Wechselspiel in so einem kleinen Spielzeug. Und damit das auch gut klappt, müssen die Frequenzen der beiden Pendelbewegungen (in etwa) übereinstimmen.

Passgang: Kamele machen es vor!

Vorder- und Hinterbein derselben Seite gleichzeitig einzusetzen, diese Gangart heißt Passgang. Diese (eigenwillige) Schrittfolge ist vor allem von Kamelen bekannt, aber auch andere Großtiere in ariden Zonen oder Wüstengebieten wie Elefanten, Giraffen oder Antilopen benutzen sie (Abb. 3, besonders die hinteren drei Kamele). Auch Bären oder Wölfe und einige Pferderassen setzen den Passgang ein, vor allem im Schnee. Ein Grund könnte sein, dass der Passgang auch im lockeren Sand oder Schnee raumgreifend ist, das Tier also rasch vorankommt. Passrennen mit Pferden zum Beispiel weisen eine höhere Geschwindigkeit auf.

Verbunden ist die Gangart natürlich mit einem zur Bewegungsrichtung senkrechten Schaukeln, so wie die Pinguine. Ein Ausflug auf dem Kamel ist daher für viele unangenehm, ihnen wird schlicht übel. Ob der Begriff „Wüstenschiff“ daher kommt? Der Kreuzgang, bei dem diagonal liegende Beine gleichzeitig aufgesetzt bzw. abgehoben werden, ist augenscheinlich evolutionär älter; dies zeigen fossile Fußabdrücke der ersten vierbeinigen Landtiere. Selbst Menschen nutzen diese (einfachere) Gangart beim Krabbeln (ausprobieren!) und wenn sie auf eine Leiter steigen.

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