Das Azimuthal-Radiale Pendel
onas Hamp, Schüler des Gymnasiums Kirchheim, begeistert sich schon seit längerem für die Physik. Im Schülerlabor photonlab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat er neben dem Physikunterricht an seiner Schule schon einige weiterführende Erfahrungen im Zuge eines Praktikums wie auch im nachaltigen Ausstausch bei Projektarbeiten sammeln können. Auch bei Physikwettbewerben für Schüler tritt er an, um knifflige physikalische Fragestellungen theoretisch und experimentell zu ergründen. Heute beschreibt er in einem Gastbeitrag das „azimuthal-radiale Pendel“, ein nicht nur schwieriges Wort, sondern vor allem auch ein komplexes physikalisches Phänomen. Für seine erfolgreichen Untersuchungen erhielt er diesbezüglich schon einige Auszeichnungen. Jonas und sein Pendel in Aktion könnt Ihr übrigens auch oben in unserem Videoclip sehen.
Das „azimuthal-radiale Pendel“ war eine der Aufgabenstellungen im Rahmen des German Young Physicists’ Tournament (GYPT), ein Physikwettbewerb für junge Forscher. 2018 nahm ich an dieser „Physik-Meisterschaft“ teil und konnte mit der Bearbeitung dieses Problems den ersten Platz im oberbayrischen Wettbewerb erzielen. Die Arbeit erhielt zudem den Preis Schülerprojekt des Jahres von LernortLabor, dem Verband deutscher Schülerlabore, einen Preis, der für ein beispielhaftes Projekt vergeben wird, das in Kooperation mit einem Schülerlabor (PhotonLab, MPQ Garching) entstanden ist. Auch bei der TUM Schülerkonferenz wurde die Arbeit mit dem 3. Preis und im Regionalwettbewerb von Jugend forscht mit dem zweiten Platz und einem Sonderpreis ausgezeichnet.
Bei dem „azimuthal-radialen Pendel“ handelt es sich um ein System, bei dem am Ende eines horizontal schwingenden, elastischen Stabes ein sphärisches Pendel aufgehängt ist (also ein Kugelpendel oder auch räumliches Pendel, dessen Aufhängung Ausschläge in alle Richtungen erlaubt). Das „azimuthal-radiale Pendel“ repräsentiert ein komplexes System gekoppelter Schwingungen.
Ich habe dieses Thema gewählt, da es für mich in vielerlei Hinsicht eine große Herausforderung dargestellt hat. Einerseits bedarf die theoretische Bearbeitung des Problems höherer Mathematik und physikalischer Kenntnisse der Schwingungsmechanik.
Andererseits ist es durchaus kompliziert das Konzept in die Tat umzusetzen, also ein Experiment zu entwerfen, bei dem die Dynamik beobachtet und gemessen werden kann.
Der erste Teil meiner Forschung bestand aus einer mathematischen Modellierung des Problems. Hier musste ich versuchen, die abstrakte Fragestellung theoretisch zu beschreiben, also beispielsweise den „elastischen Stab“ und dessen Koppelung mit dem sphärischen Pendel in Gleichungen zu formulieren. Nachdem ich die allgemeinen Bewegungsgleichungen abgeleitet hatte, konnte ich diese (nach Überwindung einiger mathematischen Hindernisse) numerisch, also näherungsweise, lösen. (Eine genaue Lösung solcher komplizierter Differentialgleichungen ist im allgemeinen nicht möglich).
Der nächste und nicht weniger anspruchsvolle Teil bestand aus der experimentellen Problem-Bearbeitung. Eine der Schwierigkeiten war dabei das Finden eines „elastischen Stabes“ mit einer Eigenfrequenz in der Größenordnung des Pendels.
Das Experiment habe ich dann mit Kameras aufgezeichnet und mit einem Videoanalyse-Programm ausgewertet, also aus den Videos die Positionen des Stabes und des Pendels in Form von Zahlen ermittelt.
Beim Vergleich der theoretischen und experimentellen Ergebnisse zeigte sich eine erstaunlich gute Übereinstimmung, die Arbeit konnte ich also erfolgreich abschließen.
Die Forschung hat mir, abgesehen von viel Spaß, nützliche Erkenntnisse über theoretische Mechanik, wichtige Verfahren in der Mathematik und Erfahrung in der experimentellen Umsetzung physikalischer Probleme gebracht.
Mein besonderer Dank gilt Frau Dr. Silke Stähler-Schöpf für ihr stetiges Interesse an meiner Arbeit. Neben der Vermittlung von Kontakten zu vielen Physikern, mit denen ich mich austauschen konnte sowie der Bereitstellung hilfreicher Software, konnte sie mich bereits vor einigen Jahren durch ein Praktikum im Schülerlabor PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik auf dem Forschungscampus Garching für die Physik begeistern.
Willkommen auf Photonworld — die Plattform für Wissen, Wissenswertes und Wissenschaft rund um das Thema Licht. Photonworld vermittelt ein grundlegendes Verständnis zur Physik des Lichts und seinen zahllosen Phänomenen. Von Medizin, über Kunst bis zur Physik werden alle Themen abgedeckt.
Photonworld entstand auf Grund der Initiative des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und des Labors für Attosekundenphysik (LAP) am Max Planck Institut für Quantenoptik.
Initiator des Projekts ist Prof. Dr. Ferenc Krausz, Lehrstuhlinhaber für Experimentalphysik an der LMU und Direktor am MPQ. Der Schülerbereich von Photonworld berichtet schwerpunktmäßig aus dem Schülerlabor PhotonLab. Hier finden Lehrer und Schüler aktuelle Informationen über Experimente, Angebote und Besuchsmöglichkeiten des Labors. Das PhotonLab wird durch das Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) und die DFG Forschungsgruppe FOR 2783 unterstützt.
