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Das Banner der Rhetos-Website: zwei griechische Denker betrachten ein physikalisches Universum um sie herum.

Stehaufkreisel

Physik

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Grundidee｜ Video｜ Anleitung zum Drehen｜ Aussagen zum Stehaufkreisel｜ Schwierige Physik｜ Tipps zum Selbstbau｜ Philosophische und sonstige Aspekte｜ Conditio sine qua non｜ Causa finalis｜ Motivationstechnik｜ Fußnoten


Grundidee


Als Stehaufkreisel [1], Kippkreisel [1], Umkehrkreisel [2] oder Wendekreisel [3] bezeichnet man einen Kreisel der ohne Drehbewegung mit einer pilzförmigen Kappe nach unten auf dem Boden liegt und nach oben einen Stiel streckt. Die Startposition ist also die von einem auf den Kopf gestellten Pilz. Dreht man den Kreisel sehr schnell in dieser Lage an, dann richtetet er sich nach und nach von alleine auf bis er auf dem Stiel stehend die Kappe nach oben hat. Erst wenn die Drehung wieder erlahmt, kippt er zur Seite um und bleibt quer liegen. Die Physik dieses Effekts ist noch nicht abschließend geklärt. Reibung scheint eine wichtige Rolle zu spielen.

Video




Nach einem ersten Andrehen richtete sich der Kreisel nach etwa 5 Sekunden auf und blieb dann rund 14 aufrecht rotierend. Wie könnte man den Kreisel besser andrehen oder anders bauen, sodass man längere Stehzeiten erreicht?

Anleitung zum Drehen


Kreiselcheck

  • Der Kreisel sollte eine angerauhte Oberfläche haben.
  • Das kann man gut mit dem Finger erfühlen.
  • Der Stift sollte am Ende leicht abgerundet sein.

Bodenwahl

  • Der Boden darf nicht zu glatt sein.
  • Polierte Stein- oder Holzflächen sind nicht gut.
  • Ideal ist ein Boden mit viel Reibung.
  • Ein rauher Steinboden (Sandstein) wäre gut.

Arenabau

  • Auf einem Tisch wandert der Kreisel gerne über die Kante.
  • Er fällt dann dummerweise auf den Boden.
  • Stecke dann mit Holzlatten eine Arena ab.

Vortest

  • Lege den Kreisel zuerst quer auf den Tisch.
  • Kappe und Stift berühren den Boden.
  • Der Kreisel sollte von alleine den Stift nach oben drehen.
  • Der Kreisel sollte mit der Kappe nach unten stabil liegen.
  • Tritt das ein, ist der Kreisel gut für den Versuch geeignet.

Andrehen

  • Nimm den Stift des Kreisels zwischen Daumen und Zeigefinger.
  • Die Kappe zeigt nach unten hin zum Boden.
  • Drehe den Kreisel schnell an.

Experimentieren

  • Variiere die Geschwindigkeit des Andrehens.
  • Variiere die Fallhöhe beim Andrehen.
  • Setze den Kreisel in eine große flache Schüssel als Arena.
  • Verwende verschieden rauhe Bodenflächen.
  • Öle den Kreisel und den Boden (Gegeneffekt).

Aussagen zum Stehaufkreisel


  • Der Effekt tritt nur bei ausreichend großer Reibung mit der Bodenfläche auf. [1]
  • Wegen der Zunahme der potentiellen Energie bei der Aufrichtung muß die kinetische Energie abnehmen. [1]
  • Damit nimmt beim Aurichten auch der vertikale Drehimpuls ab. [1]
  • Möglicherweise begünstigt ein Hüpfen (Doppelkontakt) mit dem Boden das Aufrichten. [1]
  • Noch im Jahr 2010 heißt es, seien die Ursachen des Effekts nicht wirklich klar. [1]
  • Langsamere Drehungen können nach dem Aufrichten stabiler sein als schnellere. [1]
  • Mit Sandpapier aufgerauhte Kugeloberfläche könnte beim Aufrichten helfen. [1]

Schwierige Physik


Die Physik um den Stehkreisel ist noch nicht abschließend geklärt. Insbesondere gibt es noch keine geschlossenen Formeln mit denen man den Effekt beschreiben. Man verwendet numerische Näherungslösungen und betrachtet einfache Sonderfälle. Der Effekt ist eine von vielen noch ungeklärten Forschungsfragen. [5]


ZITAT:

"Die Ursache für das Verhalten des Stehaufkreisels ist tief in den komplizierten und umfangreichen Bewegungsgleichungen verborgen. Sie können nicht analytisch exakt gelöst werden – mit Ausnahme von einfachen Spezialfällen, die keine Aufrichtung zeigen und daher relativ uninteressant sind".


Direkt neben diesem Zitat sieht man in der Originalquelle [1], einer wissenschaftlichen Abhandlung zum Stehaufkreisel, zwei ältere Herren in Anzügen auf einem alten schwarzweiß-Photo. Es sind die Physiker Niels Bohr und Wolfgang Pauli, die in hockender Stellung und beigestert wie kleine Kinder dem Kreiselspiel auf dem Boden zuschauen.

Der Artikel auf Wikipedia gibt einen ersten Ansatz für eine Erklärung: wenn sich der Kreisel mit der Kugelfläche nach unten auf dem Boden dreht, ist der Auflagepunkt des Kreisels auf dem Boden nie oder selten exakt an dem Ort wo auch die Symmetrieachse des Kreisels (gleich der Drehachse) den Boden berührt. Durch die Reibung wird der Kreisel dann an einer Stelle außerhalb der Drehachse abgebremst. Aus diesem Gedankenansatz folgen dann wohl die weiteren Effekte. [6]

Tipps zum Selbstbau


Man kann Stehaufkreisel in Spielzeugläden oder im Versandhandel [3] fertig und voll funktionsfähig kaufen. Mit etwas Geschick kann man die Kreisel aber aus einfachsten Materialien auch selbst bauen. Damit lassen sich die Effekte durch eigene Experimente leichter untersuchen. Die hier beschriebene Version ist eine von mehreren Möglichkeiten. Sie hält sich eng an die Anleitung aus einer wissenschaftlichen Veröffentlichung. [1]

Anleitung

  • Nimmt eine Holzkugel mit einem Durchmeser von 35 mm.
  • Säge davon etwa 6 bis 7 mm glatt ab.
  • Das Kugelsegment hat dann eine Höhe von 28 bis 29 mm.
  • Bohre senkrecht zur Schnittfläche ein Loch von 8 bis 10 mm Durchmesser. [4]
  • Die Bohrung muss tief genug sein, dass man fest einen Holzstift einstecken kann.
  • Der Holzstift (Dübel, Rundstab) sollte etwa 30 bis 40 mm lang sein 👉 Rundstab
  • Der Holzstift sollte am Ende etwa 15 bis 20 mm über die glatte Fläche des Kugelsegment herausragen.
  • Die Stirnseite des Stift, dort wo er nach dem Aufrichten den Boden berührt, sollte man am Rand etwas abrunden.

Erfolgsmaße

  • Wie groß ist der Anteil von Versuchen mit geglückter Aufrichtung?
  • Wie schnell nach dem Andrehen richtet sich der Kreisel auf?
  • Wie lange rotiert der Kreisel nach dem Aufrichten in Stehposition?

Optimieren

  • Gut ist wenn sich der Kreisel wie ein Stehaufmännchen aus jeder Position wieder aufrichtet, der Stift dann also nach oben zeigt.
  • Da die Reibung wichtig ist, kann man die Oberfläche der Kugel mit Sandpapier etwas aufrauhen.
  • Die Unterlage darf nicht zu glatt sein.
  • Man kann mit verschieden langen Stiften experimentieren.
  • Man kann Videoaufnahmen in Zeitlupe analysieren.

Die Physik rund um den Stehaufkreisel ist noch nicht abschließend geklärt. Ein guter Einstieg für Profis ist die kurze Abhandlung von Kuypers und Ucke aus dem Jahr 1994, die 2010 noch einmal aktualisiert wurde. Dort findet man gute Tipps zum Optimieren sowie eine punktgenaue Beschreibung, wo die Physik schwierig wird.

Philosophische und sonstige Aspekte


Conditio sine qua non


Ohne eine ausreichend große Reibung zwischen der Oberfläche des Kugelsegments (der "Pilzkappe") und der Bodenfläche richtet sich der Kreisel nicht auf. Das Vorhandensein von ausreichender Reibung ist eine notwendige (aber noch keine hinreichende) Bedingung für das Auftreten des Effekts. Im Juristendeutsch spricht man von einer Conditio sine qua non, einem Zustand, ohne den nichts geschehen würde:


Ob eine Voraussetzung eine Conditio sine qua non ist, kann man darüber prüfen, ob das Weglassen der Voraussetzung den gewünschten Erfolg verindert. Falls ja, war die Voraussetzung eine Conditio sie qua non. Das gilt für die Reibung des Kreisels: auf einer ausreichend reibungsfreien Fläche, etwa einer glatten Eisfläche, würde sich der Kreisel nicht aufrichten.

Causa finalis


Fragt man kleine Kinder, warum nachts der Mond herauskommt, so kann eine typische Antwort sein, dass er uns damit Licht spenden will. [6] Kinder sehen in der Welt überall sinnvolle Zweckmäßigkeiten. Die Ursache eines Vorganges oder einer Gegebenheit fällt in einer solchen Weltsicht mit dem Nutzen, Sinn oder Zweck der Sache zusammen. [7] Der schweizer Psychiater Jean Piaget bezeichnet diese Denkweise als Animismus, denn sie betrachtet viele Ding um uns herum so als seien sie belebt. Anmistisches Denken zeigt seine Spuren aber auch bei Formulierungen von Erwachsenen:


ZITAT:

Wikipedia: "Wird der Stehaufkreisel in Rotation versetzt, versucht die Schwerkraft, ihn wieder aufzurichten. [6]


Der Satz stammt aus dem Wikipedia-Artikel zum Stehaufkreisel. Der ganze Artikel ist recht physikalischen gehalten. Recht sicher meinte der Autor wohl nicht, dass die Schwerkraft eine handelnde Person mit einem Willen ist, Dinge auf ein Ergebnis hin auszurichten, so als würden ihre Gedanken sagen: "hey, da ist ein Kreisel der ganz falsch herum läuft. Dann richte ich ihn mal wieder auf." Dennoch: es gibt ernstzunehmende Denker, die in der gesamten Natur, auch vermeintlich unbelebten Dingen, eine fühlende, denkende, handelnde, psychische Kraft vermuten.


Bevor man hier vorschnell die Idee verwirft, sollte man sich zunächst mit den philosphisch großen Problemen beschäftigen, wie man Ursache und Wirkung überhaupt definieren und messbar machen will. Sätze wie die aus dem Wikipedia-Artikel zum Stehkreisel sid dazu ein guter Anlasse. Zum großen philosphischen Hintergrund siehe den Artikel über die Idee der 👉 Kausalität

Motivationstechnik


Ich bekam den Kreisel als give away 2024 auf einer Veranstaltung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Bad Honnef geschenkt. Vorher hatte ich von dem Gerät noch nie etwas gehört. Doch zurück in der Lernwerkstatt gelang es mir zunächst überhaupt nicht, Kinder oder Jugendliche damit zu begeistern. Selbst Leute aus einem Leistungskurs Physik zündeten überhaupt nicht. Die Wende kam, als ich als Motto ausgab, was die größte Anzahl von Sekunden sein könnte, mit der sich der Kreisel noch stehend weiter dreht, nachdem er sich einmal erfolgreich aufgerichtet hat. Der Reiz, etwas optimieren zu können, scheint viele Menschen für längere Zeit motivieren zu können. Siehe dazu mehr im Artikel 👉 Verbesserungsdrang (Didaktik)

Fußnoten


  • [2] Unter den Bezeichnungen "Umkehr-" und "Stehaufkreisel" bot die Spangler Holzwaren GmbH aus Hohenfels in der Oberpfalz im Jahr 2026 ab einem Preis von 9 Euro entsprechende Kreisel als Holzspielzeug an.
  • [3] Im Jahr 1891/1892 erhielt ein Fräulein Helene Sperl aus München unter der Patent Nr. 63261 ein Patent auf einen sogenannten "Wendekreisel". Die in der Patentschrift maßstäblich gezeichneten Kreisel mit halbkugelförmigen Kreiselkörpern funktionierten bei Nachbauten jedoch nicht.
  • [4] Das größte Problem beim Bau eines Stehaufkreisels nach dieser Anleitung dürfte es sein, ohne Drehbank die Bohrung für den Stift wirklich senkrecht zur Schnittfläche des Kugelsegments hin zu kriegen. Wenn es nur um die physikalischen Effekte geht, sollte man immer erwägen, fertige Kreisel aus Holz zu kaufen und diese nachträglich zu bearbeiten.
  • [5] Eine Liste mit Beispielen zu ungekärten aber möglicherweise lösbaren Problemen steht unter 👉 Forschungsfragen
  • [7] In einem Gespräch mit einem Kind (original auf Französisch) wurde ein 6 Jahre altes Kind danach befragt, ob der Mond mit einem mitgehen, wenn man spaziert: "Does it move on purpose to go out with you or because it has to go?" Das Kind antwortete animistisch, als sei der Mond ein willentlich handelndes Wesen: "It comes so as to give us light." Ein Kurzdialog mit einem anderem 6 Jahre alten Kind: The moon comes at night "because there are people who want to work" In: Jean Piaget: The Child's Conception of the World. Vom Französischen ins Englische übersetzt von: Joan and Andrew Tomlinson. Routledge Verlag, 1929. Dort speziell: Chapter VII. The Origins of Child Animism, Moral Necessity and Physical Determinism. § 2: The Sun and Moon Follow us. Seite 216.


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