Magnetspielzeuge – springen, balancieren, drehen

Magnetspielzeuge sind auch für Erwachsene noch spannend – aber was der kleine Seehund mit dem Ball treibt, ist nicht einfach zu durchschauen.

Manchmal findet man sie in gut sortierten Spielzeuggeschäften noch: Tanzende Püppchen, Käferchen, kleine Spinnen, die auf Pappdeckeln krabbeln, oder sich beschnüffelnde Hunde. Solche Magnetspielzeuge sind faszinierend, auch wenn Sie den Mechanismus des Spielzeugs schnell durchschauen: Erkennt man doch auf den ersten Blick, dass die Bewegungen durch magnetische Kräfte verursacht werden. Mit Nägeln oder anderen Eisenteilen lässt sich leicht nachweisen, dass die kleinen Figürchen an den entsprechenden Stellen kleine Zylindermagnete enthalten.

Schnuppi und Schnappi – die beiden Magnethunde

Die beiden magnetischen Hunde sind einfach zu putzig (Abb. 3). Nähert man sie einander vorsichtig an, so scheint es, als würden sie sich – wie echte Hunde – zunächst schnuppernd umkreisen, um dann mit einem Sprung nach Hundeart aneinander zu haften. Küsschen wollen sie sich jedoch nicht geben! Man kann gleich erkennen, dass die beiden Magnete für dieses Hundeverhalten sorgen.

Mit Nägeln oder anderen Eisenteilen lässt sich leicht nachweisen, dass die kleinen Figürchen an den entsprechenden Stellen kleine Zylindermagnete enthalten. Solche Zylindermagnete, die in ihrer Form von den bekannten Hufeisen- oder Stabmagneten abweichen, findet man oft zum Befestigen an Pinnwänden oder Tafeln. Ihre magnetischen Kräfte wirken vor allem an den beiden Kreisflächen, die die Pole des Magneten darstellen. In der Mitte des Zylindermantels sind dagegen die magnetischen Kräfte verschwindend gering.

Mit einer kleinen Kompassnadel können Sie die Polung der Magnete herausfinden: gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an. Also ist der Pol des Zylindermagneten, der den Nordpol der Kompassnadel anzieht, der Südpol und umgekehrt. Erstaunlich ist, dass die magnetischen Kräfte nicht nur bei Berührung wirken, sondern auch bei Entfernungen bis zu mehreren Zentimetern und dass sie andere Stoffe wie Glasplatten, Pappe und sogar Metalle mühelos durchdringen können.

Der kleine Seehund kann noch mehr

Bei dem Seehund Robbi ist die Sache allerdings nicht so leicht zu durchschauen. Zunächst balanciert Robbi seinen Ball geschickt auf dem Kopf (Abb. 1). Unter seiner Schädeldecke hat er nämlich einen Zylindermagneten, der für die nötige Anziehungskraft des Balles, in dem ebenfalls solch ein Magnet durchschimmert, sorgt. Aber Robbi kann noch mehr! Legt man den Ball vor den Seehund und nähert ihm die Vorderfront, bleibt der Ball nicht – wie man wohl erwartet – am Bauch von Robbi haften. Leicht drehend bewegt sich der Ball stets vor dem kleinen Seehund her und macht dabei alle Kurven und Abwege folgsam mit (Abb. 2).

Augenscheinlich ist in dem Seehund noch ein zweiter Magnet versteckt, der auf den Ball einwirkt. Aber wie bewirkt dieser Magnet das Drehen des Balls? Um der Sache auf den Grund zu gehen, könnten Sie das Innenleben von Robbi erkunden, aber dafür muss man das Spielzeug natürlich zerstören. Einfacher wird es (wieder) mit einer Kompassnadel oder mit einem weiteren kleinen Magneten, mit dem Sie – Arzt für magnetische Krankheiten? – vorsichtig den Bauch des Seehundes abtasten. Und tatsächlich kann man an der Vorderseite des Seehundes je zwei (ungleiche) Magnetpole entdecken. Allerdings liegt dieser Stabmagnet schräg, ein Nagel, der außen haften bleibt, zeigt seine Richtung an.

Eine Drehbewegung kommt zustande

Die Magnetpole von Seehund und Ball sind zudem gut gewählt: Sie stoßen sich ab, und zwar oben und unten. Nähert man den Seehund dem Ball, so beobachten Sie schon bei einem Abstand von wenigen Zentimetern eine leichte Bewegung des Balls, er neigt sich vom Magneten weg. Beide Magnetkräfte sind abstoßend, aber sie wirken sich offenbar unterschiedlich aus: Eigentlich wollen beide den Ball nur wegschieben. Aber die untere Kraft muss ja gegen die Reibung des Balls auf der Tischplatte ankämpfen und reicht bei größeren Entfernungen (noch) nicht aus. Die obere Kraft kippt den Ball und das dabei entstehende Drehmoment (oder Kippmoment) macht, was es machen muss: Es dreht den Ball, und zwar um den Berührungspunkt des Balls mit der Platte. Es ist ja nur eine kleine Stelle, um die der Ball ganz leicht gedreht werden kann.

Für Spezialisten: Der Hebelarm für dieses Drehmoment ist der Abstand des Berührungspunktes mit der Tischplatte von der Wirkungslinie der oberen (abstoßenden) Magnetkraft. Das Drehmoment ist natürlich nicht sehr groß, doch ein leichtes Bällchen lässt sich damit drehen. Und wenn der kleine Seehund seinem Ball dann doch zu nahe kommt, wird die Reibungskraft endlich überwunden: Er schiebt den Ball drehend vor sich her.

Ein eigenes Experiment

Dass diese Überlegungen richtig sind, kann man übrigens mit zwei Magneten selbst ausprobieren: Kleben Sie einen kleinen Zylindermagneten unten in eine halbe Eierschale, die Sie dann mit einem (ebenfalls kleinen) Stabmagneten drehend über eine Tischplatte bugsieren. Achten Sie auf die richtige Polung der Magneten, halten Sie und den Stabmagneten schräg. Dreht man den Führungsmagneten um, so treten anziehende Kräfte auf. Der Ball dreht also nicht weg, sondern rollt auf „Robbi“ zu. Geheimnis gelüftet!

Wer übrigens doch mal das Innenleben des echten Robbi erkundet und diesen vorsichtig öffnet, wird erstaunt sein, denn er enthält gar keinen Stabmagneten, sondern einen kleinen Zylindermagneten. Dieser hat jedoch eine andere Polverteilung als die, die Sie bereits kennen gelernt haben. Sie ähnelt nämlich der eines Stabmagneten, wie man mit Stecknadeln schnell feststellen kann.

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