Skip to content

Zielformel:

TDreh=TTagsinφ

Gültigkeitsbereich / Annahmen:

  • Die Schwingungsebene ist (näherungsweise) ein Inertialsystem: Sie behält ihre Richtung im Raum bei, die Erde dreht sich darunter weg (Skript-Sprachgebrauch, Thema 8 §8.3).
  • Ideale Aufhängung (kardanisch, zwangsfrei), Pendel lang genug, Beobachtungszeit lang genug, damit der Effekt sichtbar wird.
  • Niveau der Argumentation: Komponentenzerlegung des Winkelgeschwindigkeitsvektors + zwei Grenzfall-Checks; die vollständige, strenge Herleitung benötigt die Corioliskraft im rotierenden Bezugssystem und liegt außerhalb des Prüfungsrahmens — das aktiv dazusagen.

Verwendete Formeln

FormelNameFormelnheft
ω=ΔφΔt=2πfWinkelgeschwindigkeit✅ S. 2 („Winkelgeschwindigkeit")
f=1TFrequenz✅ S. 2 („Frequenz")
Ω=ΩsinφVektorzerlegung in Komponenten❌ Mathematik (rechtwinkliges Dreieck), nicht im Formelnheft — Skizze selbst anfertigen
TDreh=TTagsinφFoucault-Drehperiode❌ nicht im Formelnheft — genau das Ergebnis dieser Herleitung

Herleitung (Schritt für Schritt)

  1. Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω der Erdrotation aufschreiben (die Erde ist ein rotierendes System: Ω zeigt entlang der Rotationsachse zum Himmelsnordpol; den Betrag liefert „eine Umdrehung pro Tag", mit ω=2πf und f=1/T von S. 2):Ω=2πTTag
  2. Ω am Ort der Breite φ in lokale Komponenten zerlegen (Geometrie: die lokale Vertikale (Lotrichtung) schließt mit der Rotationsachse den Winkel 90°φ ein — gleichwertig: die Achse steht um den Höhenwinkel φ über dem Horizont (Polarstern-Höhe = Breite). Komponenten im rechtwinkligen Dreieck):Ω=Ωcos(90°φ)=Ωsinφ(vertikal),Ω=Ωcosφ(horizontal, nach Norden)
  3. Argument: Nur die Vertikalkomponente Ω dreht die Schwingungsebene (der physikalische Kernschritt):
    • Die Schwingungsebene behält ihre Raumrichtung (Inertialsystem); „Drehung der Pendelebene" heißt: der Boden dreht sich unter ihr weg.
    • Eine Rotation um die lokale Vertikale (also Ω) dreht genau die Horizontalrichtungen des Bodens (Nord, Ost, …) um das Lot — exakt die Drehung, mit der die Pendelebene relativ zum Boden „im Kreis wandert".
    • Eine Rotation um eine horizontale Achse (also Ω) verändert nur langsam die Raumrichtung des lokalen Lots (das „Oben-Unten" wird mitgeführt); die Pendelachse folgt durch Schwerkraft und Aufhängung dem Lot — sie ändert die Richtung der Pendelachse, dreht aber die Schwingungsebene nicht um das Lot.
    • Also bleibt als wirksame Drehrate der Pendelebene relativ zum Boden nur:
    ΩDreh=Ω=Ωsinφ
  4. Von der Winkelgeschwindigkeit zurück zur Periode (erneut T=2π/ω, angewandt auf ΩDreh):TDreh=2πΩDreh=2πΩsinφ=2π2πTTagsinφTDreh=TTagsinφ
  5. Zwei Grenzfall-Checks (prüfen, ob die Komponentenargumentation das physikalisch zwingende Ergebnis liefert):
    • Pol φ=90°: sin90°=1TDreh=TTag. Zwingend: Am Pol ist die Rotationsachse genau die lokale Vertikale, die Erde dreht sich direkt unter dem Pendel weg — die Ebene macht in einem Tag eine volle Drehung relativ zum Boden. ✓
    • Äquator φ=0°: sin0°=0TDreh. Zwingend: Am Äquator liegt die Achse vollständig horizontal (Ω=0), der Boden dreht sich nicht um das Lot — die Ebene dreht sich gar nicht. ✓
  6. Niveau der Argumentation offenlegen (Bonuspunkt in der Prüfung): Die Komponentenzerlegung liefert das richtige Ergebnis, aber „die Horizontalkomponente dreht die Ebene nicht" ist ein Plausibilitätsargument, kein strenger Beweis; streng rechnet man im mitrotierenden Bezugssystem mit der Corioliskraft und mittelt über die Schwingung — außerhalb des Prüfungsrahmens, gleiches Resultat.

Rechenbeispiele (Lehrer-Konvention ★)

  • Wien φ48°: sin48°=0,743TDreh=24 h0,74332,3 h32 h 
  • Pol (Süd-/Nordpol): TDreh=TTag=24 h (Lehrer-Konvention).
  • Streng: TTag ist der Sterntag (eine Erdumdrehung relativ zu den Fixsternen) 23 h 56 min =23,93 h — dann Pol 23 h 56 min, Wien 23,930,74332,2 h. In der Prüfung zuerst 24 h / 32 h antworten, dann aktiv ergänzen: „streng genommen ein Sterntag".

Variablentabelle

SymbolBedeutungSI-Einheit
TDrehPeriode einer vollen Drehung der Schwingungsebene relativ zum Bodens (üblich: h)
TTagErdrotationsperiode: Lehrer-Konvention 24 h; streng Sterntag ≈ 23 h 56 mins (üblich: h)
φgeographische Breite des Ortesrad (üblich: °)
Ω, ΩWinkelgeschwindigkeitsvektor der Erdrotation und sein Betrag (Ω=2π/TTag7,3105 rad/s)rad/s
ΩKomponente von Ω entlang der lokalen Vertikalen =Ωsinφrad/s
ΩKomponente von Ω entlang der lokalen Horizontalen (Nord) =Ωcosφrad/s
ΩDrehwirksame Drehrate der Pendelebene relativ zum Bodenrad/s
fFrequenzHz = 1/s

Verknüpfungen

  • Thema 8 §8.3 — Skript-Fassung: Schwingungsebene als Inertialsystem, Wien 32 h, Südpol-24-h-Prüfungsfrage, „kein perfektes Inertialsystem, weil die Gravitation überall ist".
  • H07 — dieselbe Drehscheibe „Periode ↔ Winkelgeschwindigkeit" über ω=2π/T.
  • Die Schwingungsdauer des Pendels (etwas anderes!) T=2πl/g steht im Formelnheft S. 3 („Fadenpendel") — nicht mit der Drehperiode TDreh verwechseln.