Årskurs: 7-9, Gymnasiet
Ämnesområde: Kraft och rörelse

I den tyngdlösa tillvaron i en rymdfärja, som kretsar runt Jorden, experimenterar astronauterna med ett leksaksgyroskop. Trots att de knuffar till det snurrande gyroskopet pekar dess rotationsaxel envist åt samma håll. Alla roterande hjul har denna egenskap. Ett roterande cykelhjul kämpar till exempel effektivt mot alla försök att ändra rotationsaxelns riktning. Ja, du kan faktiskt använda dig av denna egenskap för att sätta snurr på dig själv!

Material

• Ett cykelhjul. Billigt eller till och med gratis från en skrotfirma, en cykelhandlare eller en kompis.
• Två handtag. Plasthandtag är billiga och duger bra. Köp den sorten som är förberedda för att skruvas på ett verktyg. Till exempel en fil.
• En stol som snurrar lätt. En vanlig kontorsstol vars hjul man kan låsa fungerar bra.
• Ekerskydd.
• En skruv med ögla, en borr, en kedja eller ett rep som hänger från taket eller från en ställning.

Tillverka

Skruva fast handtagen på hjulaxeln. Du får troligen ta bort de yttre muttrarna för att frilägga tillräckligt stor del av axeln. Det kan vara lämpligt att placera någon typ av ekerskydd i plast närmast axeln - detta för att skydda dina fingrar!

Borra ett hål i änden på det ena handtaget och fäst ögleskruven.

Experimentet

Håll hjulet stadigt med rotationsaxeln horisontell i båda handtagen och låt en medhjälpare sätta så hög fart på hjulet som möjligt. Sitt på kontorsstolen med fötterna lyfta från golvet och luta sedan på hjulaxeln. Om stolen har lätt för att snurra kommer den att börja rotera. Luta sedan hjulaxeln åt andra hållet och notera vad som händer.

Sätt fart på hjulet och haka sedan fast ögleskruven i en krok som hänger fritt i en kedja eller i ett rep från taket eller från en ställning. Håll hjulaxeln horisontell och släpp hjulet. Axeln kommer att förbli mer eller mindre horisontell alltmedan den sakta rör sig i en cirkel.

Om du inte har tillgång till kedjan eller repet kan du balansera öglan på dina fingertoppar. Fast detta kräver övning innan man demonstrerar det för andra. Du måste själv flytta dig med hjulet när hjulaxeln roterar!

Vad händer?

Ett roterande cykelhjul har ett så kallat rörelsemängdsmoment, vilket är en egenskap som beror på rotationshastigheten, massan och hur massan är fördelad. För ett cykelhjul är till exempel en större del av massan koncentrerad längs hjulets kant än i centrum. Detta ger hjulet ett stort rörelsemängdsmoment som dessutom karakteriseras av att det har en riktning.

Ett isolerat system
Du, cykelhjulet och stolen utgör ett isolerat system i vilket rörelsemängdsmomentet är bevarat. Detta betyder att varje ändring i systemets rörelsemängdsmoment måste kompenseras av en lika stor men motsatt riktad ändring. Allt för att nettoeffekten ska bli noll.

Tänk dig nu att du sitter på stolen med cykelhjulet snurrande medurs (rotationsaxeln håller du alltså lodrätt). Hjulet har ett rörelsemängdsmoment i en viss riktning. Du kan ändra riktningen på rörelsemängdsmomentet genom att vända cykelhjulet upp och ner - så att det roterar moturs. 

Ändringen av hjulets rörelsemängdsmoment kompenseras av en ändring av ditt plus stolens rörelsemängdsmoment. I systemet som helhet - hjulet, du och stolen - är ju det totala rörelsemängdsmomentet bevarat. Sitter du på en stol som lätt snurrar kommer du verkligen att börja rotera!

Svårt att förklara
Tråkigt nog är den så kallade precessionen av hjulet som hänger i repet inte alls lätt att förklara. Fast det är väl värt att göra experimentet ändå. Ett häpnadsväckande experiment kan man göra utan att det måste förklaras. För den som själv vill ha en förklaring rekommenderas att slå på begreppet precession i en grundbok i fysik på universitetsnivå.

(Materialet ingår i Science Snacks och är översatt av NRCF med tillstånd av The Exploratorium, San Francisco. Besök deras hemsida för mer inspiration, ny flik)