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Aug 09, 2023

Warum kann ein Magnet nicht?

Rhett Allain Es gibt ein seit langem verbreitetes Meme im Internet, das im Grunde ein ist

Rhett Allain

Im Internet kursiert seit langem ein Meme, bei dem es im Wesentlichen um die Frage geht: Würde ein Fahrzeug mit Magnetantrieb funktionieren? (Hier ist eine Version davon, die auf Reddit gepostet wurde.) Es ist eine sehr einfache Zeichnung eines Pickups mit einer dicken Metallplatte an der Vorderseite. Ein Kranarm erstreckt sich von der Rückseite des Lkw über das Fahrerhaus und hält einen starken Magneten vor dem Fahrzeug. Die Theorie hier ist, dass der Magnet die Platte anzieht und den LKW vorwärts zieht, wodurch im Wesentlichen eine ständige Bewegung entsteht, ohne dass Kraftstoff benötigt wird.

Hier ist meine Version dieser Zeichnung:

OK, Sie haben wahrscheinlich schon vermutet, dass das nicht funktionieren würde. (Ich meine, wenn dem so wäre, würden wir doch schon in unseren kraftstofffreien Magnetautos herumfahren, oder?) Aber warum nicht? Und gibt es eine Möglichkeit, eines davon zum Laufen zu bringen?

Lasst uns anfangen.

Wir verwenden ständig Kräfte, um Wechselwirkungen zu beschreiben. Wenn Sie auf einem Stuhl sitzen, drückt der Stuhl mit einer gewissen Kraft nach oben, was auf die Kontaktkraft zwischen Ihrem Gesäß und der Sitzfläche zurückzuführen ist. Allein wenn man auf der Erde steht, wird man von einer Kraft nach unten gezogen – der Schwerkraft. Wenn Sie einen Magneten in die Nähe eines Eisenstücks bringen, zieht der Magnet das Metall an. Diese Kraft ist auf die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden zurückzuführen.

Es ist wichtig zu beachten, dass es sich bei all diesen Beispielen um Interaktionen zwischen zwei Objekten handelt. Ohne den Stuhl wäre keine Interaktion zwischen einer Person und einem Stuhl möglich. Dies gilt auch für die Erde und den Menschen sowie für einen Magneten und ein Metall.

Schauen wir uns die Interaktion zwischen zwei generischen Objekten, A und B, an. Wenn Objekt A auf Objekt B drückt, drückt Objekt B auch auf Objekt A mit genau der gleichen Kraftstärke, aber in die entgegengesetzte Richtung. Wir bezeichnen dies oft als Newtons drittes Gesetz: Zu jeder Kraft gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Kraft.

Sie können diese gleichen und entgegengesetzten Kräfte tatsächlich messen. Nehmen wir zwei Karren auf einer reibungsarmen Strecke. An beiden Wagen sind oben Kraftsensoren angebracht, die mit einem Gummiband miteinander verbunden sind.

Lauren Goode

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Was passiert, wenn ich sie auseinander ziehe? Der rechte Wagen zieht den linken Wagen. Der linke Wagen zieht mit der gleichen Kraft zurück, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. (Eigentlich gibt es in diesem Fall auch das Gummiband, aber da es eine so geringe Masse hat, können wir einfach so tun, als wäre es eine fundamentale Kraft, etwa die Schwerkraft oder eine magnetische Kraft.)

Folgendes lesen die beiden Kraftsensoren während dieser Interaktion:

Dank des dritten Newtonschen Gesetzes verfügen die beiden Sensoren über nahezu gleich starke Kraftmessungen.

Es gibt noch eine weitere Kraftregel, die wir für unser hypothetisches magnetbetriebenes Fahrzeug berücksichtigen müssen. Es ist Newtons zweites Gesetz, das besagt, dass eine Nettokraft auf ein Objekt die Geschwindigkeit dieses Objekts ändert. Möglicherweise haben Sie dieses Gesetz in der folgenden Gleichung ausgedrückt:

Lauren Goode

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

In dieser eindimensionalen Gleichung ist die Gesamtkraft oder Nettokraft gleich dem Produkt aus der Masse eines Objekts und seiner Beschleunigung. (Es gibt auch eine Vektorversion davon, aber machen Sie sich darüber keine Sorgen.)

Die Beschleunigung gibt an, wie schnell sich die Geschwindigkeit des Objekts ändert. Aber wenn die Nettokraft auf ein Objekt Null ist, muss auch die Beschleunigung Null sein. Wenn ein Objekt ohne Beschleunigung ruht, muss es in Ruhe bleiben. Dies ist auch für unseren Magnet-LKW wichtig.

Der erste Schritt, um zu testen, ob diese Idee funktionieren würde, besteht natürlich darin, einfach ein reales Modell auszuprobieren. Das ist ziemlich einfach. Ich brauche keine Vollversion; Als Ersatz kann ich einfach meine reibungsarmen Karren mit einer Art Magnetkran nutzen. Folgendes habe ich gebaut:

Lauren Goode

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Auf der linken Seite sehen Sie einen großen Neodym-Magneten, der an einem Lego-Kran befestigt ist und mit Klebeband am Wagen befestigt ist. Nur für den Fall, dass Sie diese Dinge noch nie verwendet haben: Sie sind ziemlich mächtig. Am Wagen selbst ist eine große Eisenstange befestigt. Zwischen dem Magneten und dem Eisen besteht tatsächlich eine ziemliche Anziehungskraft – sie ist mehr als stark genug, um Ihren Finger einzuklemmen, wenn Sie nicht aufpassen.

Der Test ist einfach: Wird die Kraft des Magneten auf die Eisenstange das Ganze in Bewegung bringen?

Natürlich … es funktioniert nicht. Der Wagen beschleunigt nicht und bewegt sich nicht. (Ich hätte das als Film posten können, aber ein Film, der sich nicht bewegt, macht wirklich nicht so viel Spaß.)

Warum funktioniert es also nicht? Am besten fängt man vielleicht mit einem etwas anderen Magnetwagen an, der beschleunigt. Schauen Sie sich das an:

Jetzt bewegt sich der Wagen (rechts) nicht nur, sondern beschleunigt und beschleunigt sich, während er sich nach links bewegt.

Schauen wir uns die Kräfte auf diesen Wagen anhand eines Kraftdiagramms an. (Wir nennen dies oft ein Freikörperdiagramm.)

Lauren Goode

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Wenn wir die Reibung ignorieren, was ziemlich vernünftig ist, dann gibt es nur drei Kraftwechselwirkungen, die den Wagen betreffen. Aufgrund der Gravitationswechselwirkung zwischen dem Wagen und der Erde entsteht eine nach unten ziehende Kraft. Da der Wagen auf der Schiene steht, kommt es auch zu einer nach oben drückenden Kontaktwechselwirkung. (Diese beiden Kräfte haben gleiche und entgegengesetzte Stärken, so dass sie sich aufheben, wenn sie addiert werden. Es handelt sich jedoch nicht um dieselbe Wechselwirkung, da die eine zwischen der Schiene und dem Wagen und die andere zwischen der Erde und dem Wagen liegt.)

Dadurch bleibt der endgültigen Kraft zwischen dem Magneten und dem Wagen nichts mehr im Wege, was ihr entgegensteht. Wenn diese Nettokraft nach links zieht, geht der Wagen vom Ruhezustand in die Bewegung über und bewegt sich dann schneller. Es ist ein echtes magnetisches Fahrzeug – genau wie Sie es sich immer gewünscht haben!

Das lässt den Eindruck entstehen, dass die Idee mit dem Magnet-Truck funktionieren könnte. Um aber zu sehen, warum das nicht der Fall ist, benötigen wir ein Kraftdiagramm für den Wagen mit Magnet und Kran. Da es etwas chaotisch wird, werde ich drei verschiedene Diagramme erstellen. Es wird einen für den Wagen, einen für den Kran und einen für den Magneten geben. (Keine Sorge, ich habe die Kräfte für Sie farblich gekennzeichnet.)

Beginnen wir mit den Kräften, die auf den Wagen wirken. Da nun Magnet und Kran hinzukommen, gibt es nur noch einen Unterschied: die Kraft, mit der der Kran auf den Wagen drückt. Beachten Sie, dass die Gesamtkraft (die Nettokraft) auf den Wagen jetzt Null ist.

Wenn man sich dem Magneten zuwendet, zieht der Magnet den Wagen nach links und der Wagen zieht den Magneten nach rechts mit der gleichen Kraft. Diese Kraft hat die gleiche Größe wie die Kraft des Magneten, der am Wagen zieht, da es sich tatsächlich um die gleiche Wechselwirkung handelt.

Hinzu kommt die Schwerkraft auf den Magneten, die durch eine nach oben ziehende Kraft des Krans ausgeglichen wird. Der Kran drückt außerdem den Magneten nach links, um zu verhindern, dass er gegen den Wagen stößt.

Lauren Goode

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

Endlich haben wir den Kran selbst. Einige der unwichtigen Kräfte habe ich hier weggelassen – die kritischsten sind die Kräfte, die vom Magneten und vom Wagen ausgehen, die in entgegengesetzte Richtungen ziehen.

Alle diese Objekte haben eine Nettokraft von Null. Das ist der wichtige Teil: Bei einer Nettokraft von Null gibt es keine Beschleunigung. Diese drei Objekte, die mit einer Geschwindigkeit von Null beginnen, bleiben bei Null. Sie werden sich nicht bewegen. Es wird nicht funktionieren.

Ich denke, ein Grund dafür, dass es schwer zu verstehen ist, warum das nicht funktioniert, liegt zum Teil darin, dass man die attraktive Wechselwirkung zwischen dem Magneten und dem Wagen nicht direkt sehen kann. Auf diese Weise wirkt es wie Magie – und Magie kann Dinge in Bewegung bringen.

Hier ist also eine leichte Variante des Magnetwagens, die ebenfalls nicht funktioniert: Angenommen, ich lasse den Kran am Wagen befestigt, ersetze jedoch den Magneten und das Eisen durch ein Gummiband. Auch ein Gummiband erzeugt im gedehnten Zustand eine Anziehungskraft, ähnlich der Wechselwirkung zwischen Magnet und Eisen. Beim Gummiband kann man die Wechselwirkung jedoch tatsächlich erkennen. Hör zu:

Es bewegt sich nicht, und ich glaube nicht, dass irgendjemand damit rechnen würde. Aber im Wesentlichen ist es dasselbe wie der Magnetwagen.

Ich verwende gerne alte Cartoons als Beispiele, und in der Looney Tunes Road Runner-Serie versucht Wile E. Coyote immer, neue Wege zu finden, um den sich sehr schnell bewegenden Vogel – oder vielleicht ein dummes Kaninchen – zu fangen. Normalerweise macht er etwas falsch, aber hin und wieder hat er einfach recht. Na ja, irgendwie richtig.

In dieser Folge verteilt er Vogelfutter mit extra Eisen. Nachdem der Road Runner es gefressen hat, befestigt Wile E. einen Magneten an sich selbst, damit er den Vogel fangen kann.

Das klappt natürlich nicht, denn im Zeichentrickfilm wird der Magnet von einem fahrenden Zug angezogen und so stößt Wile E. dagegen. Und realistischer wäre es, dass in diesem Fall die magnetische Wechselwirkung eine äußerst geringe Kraft erzeugen würde, die nicht ausreichen würde, um die Reibung zu überwinden.

Allerdings basiert die Grundidee zumindest auf etwas Realem. Ist Ihnen aufgefallen, dass bei dieser Wile E. Coyote-Methode der Magnet und das Eisen an zwei separaten Dingen befestigt sind? Das ist der wichtige Teil. Denken Sie daran, dass Kräfte paarweise auftreten. Der Magnet zieht den Road Runner an, aber der Road Runner zieht den Magneten zurück. Da die Kraft des Magneten auf den Road Runner und nicht auf einen Teil von Wile E. wirkt, bedeutet das, dass sich diese Kräfte nicht aufheben und er in der Lage ist, in seine eigene Zerstörung davonzusausen.

Wenn die Dinge am Ende zu schön aussehen, um wahr zu sein, sind sie es wahrscheinlich auch.