Nachdem Sie nun im Besitz eines LEVITRON sind und (so wollen wir mal annehmen) es verstehen den Kreisel zu drehen und in Lagestabilität zu versetzen, beginnen Sie vielleicht auch, etwas von der Verwunderung zu spüren, die der LEVITRON bei vielen Menschen hervorruft. Wir erhalten zahlreiche Anfragen von Besitzern des LEVITRON, die wissen möchten, wie der LEVITRON funktioniert. Viele sind verwundert, daß er überhaupt funktioniert und zitierten dabei einen Grundsatz von Earnshaw (1,2) der beweisen soll, daß der LEVITRON eigentlich gar nicht funktionieren kann. Das Interesse der Wissenschaftler am LEVITRON ist schon immer groß gewesen. Kürzlich haben Wissenschaftler, die auf dem faszinierenden Forschungsgebiet arbeiten, in dem Materie manipuliert und untersucht wird, Analogien zwischen dem LEVITRON und Fallen für mikroskopische Partikel (z.B. Elektronen, Neutronen) erkannt. Der erste, der diese Analogie erkannte, war Michael V. Berry von der Universität in Bristol. Dr. Berry hat sich in einer Studie, die bald veröffentlicht werden soll, eingehend mit der Physik des LEVITRON befaßt. Dr. Berry's Studie stellt die zur Zeit beste Erklärung des LEVITRON dar und er hat uns freundlicherweise eine Kurzfassung zusammengestellt, die wir nachstehend präsentieren. Sollten Sie die gesamte Fassung lesen wollen, so bitten Sie Dr. Berry um eine Kopie seiner Studie. (c/o the H.H. Wills Physics Laboratory, Royal Fort, Tyndal Ave, Bristol (BS 81 TL) Großbritannien).

Was hält den Kreisel in der Luft?  

Die "Anti-Schwerkraft", die den Kreisel von der Grundplatte abstößt, ist die Magnetkraft. Sowohl der Kreisel, als auch der Gegenstand in der Grundplatte sind magnetisiert, aber gegenpolig. Denken Sie sich die Grundplatte als einen Magneten, dessen Nordpol nach oben zeigt (Abb. 1). Es folgt dem Prinzip, daß sich zwei gleiche Pole (z.B. zwei nördliche) abstoßen während sich zwei entgegengesetzte Pole anziehen, wobei die Anziehungskraft zunimmt, je näher die Pole aneinanderrücken. Der Kreisel hat vier Magnetkräfte: an seinem Nordpol die Abstoßkraft von dem Nordpol der Grundplatte und die Anziehungskraft von dem Südpol der Grundplatte und an seinem Südpol die Anziehungskraft von dem Nordpol der Grundplatte und die Abstoßkraft von dem Südpol der Grundplatte. Da die Kräfte von ihrem Abstand zueinander abhängig sind, dominiert die Nord-Nord-Abstoßkraft und der Kreisel wird so magnetisch abgestoßen. Er schwebt an der Stelle, wo sich diese nach oben gerichtete Abstoßkraft mit der nach unten gerichteten Schwerkraft ausgleicht, also auf dem Gleichgewichtspunkt, wo die Gesamtkraft "Null" beträgt.

Warum muß sich der Kreisel drehen?  

Um zu verhindern das sich der Kreisel umdreht. Das Magnetfeld der Grundplatte gibt dem Kreisel nicht nur eine Kraft als Ganzes sondern auch eine Umdrehungskraft, die die Drehachse dahin tendieren läßt umzukippen. Wenn der Kreisel sich nicht drehen würde, würde diese magnetische Umdrehungskraft ihn umkippen lassen. Dann wäre sein Südpol nach unten gerichtet und die Kraft die von der Grundplatte ausgeht würde ihn anziehen, d.h. in dieselbe Richtung wie die Schwerkraft ziehen und somit würde der Kreisel runterfallen. Wenn der Kreisel sich dreht, wirkt die Umdrehungskraft gyroskopisch, d.h. die Achse dreht sich nicht um, sondern rotiert um die (fast vertikale) Richtung des Magnetfeldes. Diese Reaktion nennt man "Precession" (Abb. 2). Beim LEVITRON ist die Achse fast vertikal und die Precession macht sich als ein Zittern bemerkbar, das um so stärker wird, je mehr sich der Kreisel verlangsamt.

Warum rutscht der Kreisel nicht seitlich weg?

 Gleichgewicht allein reicht nicht aus um den Kreisel in der Luft zu halten. Das Gleichgewicht muß auch stabil sein, so daß eine geringfügige horizontale oder vertikale Verschiebung des Kreisels eine Kraft erzeugt, die den Kreisel wieder zum Gleichgewichtspunkt zurück bringt. Für den LEVITRON ist es schwer diese Stabilität zu erreichen. Sie ist abhängig von der Tatsache, daß das magnetische Feld der Grundlage, in dem sich die Achse des Kreisels bewegt, leicht von der Vertikalen abweicht, wenn sich der Kreisel zur Seite bewegt, also weg von der Achse des Basismagneten (Abb. 2). Wenn sich der Kreisel genau um die Vertikale drehen würde, würden die Grundsätze des magnetischen Feldes das Gleichgewicht zerstören. Da das magnetische Feld aber so nahe an der Vertikalen liegt, ist das Gleichgewicht nur in einem kleinen Höhenraum stabil: zwischen 3,2 und 4,4 cm. Der Grundsatz Earnshaws wird dadurch nicht in Frage gestellt. Der Grundsatz besagt, daß kein statisches Arrangement von magnetischen Gegenständen stabil sein kann; dies bezieht sich nicht auf den LEVITRON, da sich der Magnet im Kreisel dreht und somit dynamisch auf das magnetische Feld der Grundplatte reagiert.

Warum ist das Gewicht so wichtig und warum muß es so oft neu angeglichen werden ?  

Das Gewicht des Kreisels und die Stärke der Anziehungskraft zwischen Kreisel und Grundplatte bestimmen die Gleichgewichtshöhe, in der sich Anziehungskraft und Schwerkraft ausgleichen. Diese Höhe muß innerhalb des stabilen Feldes liegen. Leichte Temperaturschwankungen verändern die Anziehungskraft zwischen Kreisel und Grundplatte (bei ansteigender Temperatur laufen die Atommagnete in ihren Richtungen durcheinander und schwächen damit das Magnetfeld). Wenn das Gewicht nicht angepaßt wird, um das zu kompensieren, bewegt sich das Gleichgewicht aus dem stabilen Raum heraus und der Kreisel fällt herunter. Da der stabile Raum so klein ist, ist diese Anpassung sehr feinfühlig: der leichteste Gummiring wiegt nur 0,3% vom Gewicht des Kreisels.

Warum sind die Magneten aus Keramik und nicht aus Metall ?  

Das Magnetfeld der Grundplatte übt auf die Elektronen im Kreisel einen seitlichen Druck aus, während sie sich im Feld bewegen. In einem Metallkreisel, der Elektrizität leitet, würden die Elektronen fließen. Ein Widerstand im Metall würde diese Strömungen verlangsamen (abdämpfen) und die Drehkraft des Kreisels behindern, so daß dieser sich verlangsamen und schließlich herunterfallen würde. Der Keramikkreisel dient als Insulator, so daß diese Strömungen nicht fließen können.

Warum fällt der Kreisel schließlich doch herunter ?  

Bei ca. 20 bis 26 Umdrehungen pro Sekunde (rps) dreht sich der Kreisel in stabiler Lage. Bei mehr als 30 rps oder weniger als 18 rps ist er vollkommen instabil. Wenn der Kreisel gedreht und angehoben wird, verlangsamt er sich aufgrund des Luft- und Reibungswiderstandes. Nach einigen Minuten erreicht er die niedrigste Stabilitätsgrenze (18 rps) und fällt herunter. Man kann die Drehzeit des LEVITRON verlängern, indem man ihn in ein Vakuum stellt. In manchen Vakuum Experimenten fällt der Kreisel nach 30 Minuten. Warum er das tut, ist nicht klar; vielleicht ändert sich die Temperatur und bringt damit das Gleichgewicht aus dem stabilen Feld heraus; vielleicht gibt es eine winzige langfristige Instabilität, weil sich der Kreisel nicht schnell genug dreht; oder vielleicht rütteln Vibrationen in der Vakuumanlage das Feld und bewegen somit die Precession - Achse langsam von der Richtung des Feldes weg. Die Levitation kann entscheidend verlängert werden, indem man gegen einen, an dem Kreisel befestigten, gezackten Kragen Luft bläst, und somit die Umdrehungsfrequenz innerhalb des stabilen Feldes hält. Kürzlich hat man einen LEVITRON-Kreisel auf diese Art mehrere Tage in der Luft gehalten.

Wird das LEVITRON - Prinzip auch anderswo benutzt ?  

In den vergangenen Jahrzehnten hat man mikroskopische Partikel untersucht, indem man sie mit magnetischen und/oder elektrischen Feldern gefangen hat. Es gibt verschiedene Fallen. So können z.B. Neutronen in einem magnetischen Feld gehalten werden, daß durch ein System von Spiralen erzeugt wird. Neutronen sind sich drehende magnetische Partikel; daher ist die Analogie zwischen einer solchen Neutronenfalle und dem LEVITRON sehr eng.

Literatur :
1. S. Earnshaw, On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminiferous ether, Trans. Cambridge Phil. Soc. 7, 97-112, 1842. 2. L. Page and N. I. Adams, Jr., Principles of Electricity, 3rd edition p. 24, D. Van Nostrand Co., New York, 1958. 3. M. V. Berry, The LEVITRON ® and adiabatic trap for spins, Proc. Roy Soc. Lond., A (1996) 452, 1207-1220. 4. R. M. Harrigan, Levitation device, U.S. Patent $,382245, May 3, 1983.