Zielformel:
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
| Formel | Name | Formelnheft |
|---|---|---|
| Winkelgeschwindigkeit | ✅ S. 2 („Winkelgeschwindigkeit") | |
| Frequenz | ✅ S. 2 („Frequenz") | |
| Vektorzerlegung in Komponenten | ❌ Mathematik (rechtwinkliges Dreieck), nicht im Formelnheft — Skizze selbst anfertigen | |
| Foucault-Drehperiode | ❌ nicht im Formelnheft — genau das Ergebnis dieser Herleitung |
Herleitung (Schritt für Schritt)
- Winkelgeschwindigkeitsvektor
der Erdrotation aufschreiben (die Erde ist ein rotierendes System: zeigt entlang der Rotationsachse zum Himmelsnordpol; den Betrag liefert „eine Umdrehung pro Tag", mit und von S. 2): am Ort der Breite in lokale Komponenten zerlegen (Geometrie: die lokale Vertikale (Lotrichtung) schließt mit der Rotationsachse den Winkel ein — gleichwertig: die Achse steht um den Höhenwinkel über dem Horizont (Polarstern-Höhe = Breite). Komponenten im rechtwinkligen Dreieck): - Argument: Nur die Vertikalkomponente
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
) 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
) 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:
- Von der Winkelgeschwindigkeit zurück zur Periode (erneut
, angewandt auf ): - Zwei Grenzfall-Checks (prüfen, ob die Komponentenargumentation das physikalisch zwingende Ergebnis liefert):
- Pol
: . 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
: . Zwingend: Am Äquator liegt die Achse vollständig horizontal ( ), der Boden dreht sich nicht um das Lot — die Ebene dreht sich gar nicht. ✓
- Pol
- 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
: - Pol (Süd-/Nordpol):
(Lehrer-Konvention). - Streng:
ist der Sterntag (eine Erdumdrehung relativ zu den Fixsternen) h 56 min h — dann Pol 23 h 56 min, Wien h. In der Prüfung zuerst 24 h / 32 h antworten, dann aktiv ergänzen: „streng genommen ein Sterntag".
Variablentabelle
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
| Periode einer vollen Drehung der Schwingungsebene relativ zum Boden | s (üblich: h) | |
| Erdrotationsperiode: Lehrer-Konvention 24 h; streng Sterntag ≈ 23 h 56 min | s (üblich: h) | |
| geographische Breite des Ortes | rad (üblich: °) | |
| Winkelgeschwindigkeitsvektor der Erdrotation und sein Betrag ( | rad/s | |
| Komponente von | rad/s | |
| Komponente von | rad/s | |
| wirksame Drehrate der Pendelebene relativ zum Boden | rad/s | |
| Frequenz | Hz = 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
. - Die Schwingungsdauer des Pendels (etwas anderes!)
steht im Formelnheft S. 3 („Fadenpendel") — nicht mit der Drehperiode verwechseln.