Ag-Bericht - Adolfinum

Die Physik – AG am Gymnasium Adolfinum Moers
April 2002
Im ersten Halbjahr des Schuljahres 2001/2002 beschäftigten sich im Rahmen einer Physik –
AG rund zehn Schüler aus den Klassen 6 und 7, unterstützt von einem Schüler der Jgst. 12
und einem Physiklehrer, mit der Physik der Ballonfahrt. Die Arbeit dieser Gruppe bestand aus
einem theoretischen und einem praktischen Teil.
Im theoretischen Teil wurde erarbeitet, aus welchen physikalischen Gründen ein
Heißluftballon schwebt. Zur Erarbeitung der wesentlichen physikalischen Begriffe lernten die
Kleinen von den Großen. Das Problem des Ballons in der Luft wurde durch einen Gegenstand
im Wasser simuliert. Hier konnte an die Erfahrungen der jüngeren Schülerinnen und Schüler
angeknüpft werden, weil alle Kinder den für das Schweben des Ballons verantwortlichen
Auftrieb bereits am eigenen Körper erfahren haben. Jeder kennt das Gefühl, im Wasser
leichter zu sein als außerhalb des Wassers. Den Tiefendruck haben die Kinder beim Tauchen
kennen gelernt.
Wirft man nun zwei Gegenstände gleicher Größe und Form, jedoch unterschiedlichen
Materials, ins Wasser, so beobachtet man bei geeigneter Wahl der Materialien, dass der eine
Gegenstand am Boden liegt, während der andere Gegenstand schwimmt. Ebenso steht der mit
kalter Luft gefüllte Ballon am Boden und der Heißluftballon schwebt. Aus diesen Kenntnissen
wuchs der praktische Teil der AG. Es entstand der Wunsch, einen eigenen flugfähigen Ballon
zu bauen. Dabei stieß man auf eine Fülle von mathematischen und weiteren physikalischen
Problemen. Jeder hatte das Gefühl, der Ballon müsse möglichst leicht sein, also sollte er aus
Papier hergestellt werden, und zwar aufgrund der hohen Temperaturen aus Backpapier.
Wie sollte man aber nun aus ebenem Backpapier einen kugelähnlichen Ballon formen? Um
den Übergang von der Ebene in den Raum möglichst leicht zu gestalten, entschied man sich
für den Bau von quaderförmigen oder pyramidenförmigen Luftschiffen, weil man die Netze
dieser Körper bereits aus dem Mathematikunterricht der Klasse 5 kannte. Jedoch ließ sich das
beschichtete Backpapier nicht stabil zusammenkleben, und die riesigen Papierkörper fielen in
sich zusammen. Diese Versuche blieben also erfolglos. Im Folgenden entschied man sich für
die übliche Ballonform, die aus speziell geformten Streifen aus Butterbrotpapier
zusammengesetzt werden sollte. Jedoch blieben diese Modelle am Boden, obwohl in ihrem
Inneren - geheizt durch eine Gasflamme - Temperaturen bis zu 185 o C herrschten. Dies zwang
die Gruppe zur theoretischen Aufarbeitung weiterer physikalischer Zusammenhänge und
Begriffe. Es wurde das Zusammenspiel zwischen Auftriebskraft und Gewichtskraft
untersucht, bis man feststellte, dass der Ballon leichter und der Auftrieb durch größeres
Volumen gesteigert werden sollte. Schließlich baute man einen Ballon aus Seidenpapier, der
neben seinem Eigengewicht noch 50g heben konnte.

Die Theorie:
Durch den Schweredruck der Luft erfährt
der Ballon eine Auftriebskraft, die der
Gewichtskraft entgegen gerichtet ist.
Das Prinzip des Archimedes
Die Auftriebskraft eines Körpers ist
ebenso groß, wie die Gewichtskraft des
von ihm verdrängten Gases (bzw.
Wassers).
Ziele für den Ballon
große kleine
Auftriebskraft Gewichtskraft
Also:
großes Volumen bei kleiner Masse
Der Ballon wird mit heißer Luft, die eine geringere Dichte als kalte Luft hat,
gefüllt. So überwiegt durch das große Ballonvolumen die Auftriebskraft
gegenüber der Gewichtskraft und der Ballon steigt.
Schweredruck und Auftriebskraft:
Zur Verdeutlichung der Auftriebskraft betrachteten wir einen quaderförmigen Gegenstand im
Wasser. Bekanntlich nimmt der Druck im Wasser mit der Tiefe zu.
Aus diesem Grund ist der Druck p (oben) kleiner als der Druck p
(unten). Da Deckel- und Bodenfläche (A) gleich groß sind, ist die
Kraft, mit der das Wasser von unten gegen den Gegenstand drückt,
größer als die Kraft des Wassers von oben. Resultierend erfährt der
Gegenstand eine Kraft nach oben. Die Größe dieser resultierenden
Kraft Fr entspricht der Differenz zwischen F (oben) und F (unten).
Ist Fr nun größer als die Gewichtskraft FG des Körpers, so bewegt
sich der Körper zur Wasseroberfläche. Ist Fr jedoch kleiner als FG,
so sinkt der Körper auf den Boden und der Auftrieb erzeugt nur die
scheinbare Reduktion der Gewichtskraft – der Gegenstand
erscheint leichter.
A
A
F (oben)
Gegenstand
F (unten)
Ersetzt man das Wasser gegen Luft und den Gegenstand gegen den Ballon, so hat man das
Prinzip des Auftriebs auf die Ballonfahrt übertragen.
Wasser
Wasser
p (oben)
p (unten)

Das Prinzip des Archimedes:
Zum Nachweis der Aussage des Archimedes wurde der Auftrieb im Wasser betrachtet, weil
die Gewichtskraft von Wasser leichter gemessen werden kann als die von Luft. Wir
verwendeten folgenden Aufbau:
„Wir stellten eine Waage auf. Auf die eine
Seite der Waage stellten wir ein Stativ und
einen Becher. Auf die andere Seite wurden
Gewichte gelegt, so dass die Waage sich im
Gleichgewicht befand. Am Stativ hing ein
Gegenstand. Darunter (neben die Waage)
stellten wir ein Glasgefäß, das bis zum
Überlauf mit Wasser gefüllt war. Dann
haben wir den Gegenstand ins Wasser gelassen. Die Waage kam ins Schwanken und der
kleine Becher auf der Waage wurde (durch den Überlauf) mit Wasser gefüllt. Nach kurzer Zeit
herrschte wieder Gleichgewicht“.
(Zeichnung und Text: Florian Romih Klasse 6c)
Die auf die Waagschalen wirkenden Kräfte wurden nicht verändert, obwohl das Wasser in
den Becher auf der linken Waagschale geflossen ist. Der Gegenstand befand sich am Stativ
hängend im Wasser. Seine Gewichtskraft muss sich also um die Gewichtskraft des
übergelaufenen (vom Gegenstand verdrängten) Wassers verringert haben. Dies entspricht dem
Prinzip des Archimedes.
Die Bauanleitung:
Unser Ballonmodell wurde
aus 13 Seidenpapierstreifen
zusammengeklebt.
13cm
Dazu fertigten wir zunächst eine Schablone aus stabiler Pappe in obiger Form an. Diese
Schablone diente als Vorlage für die 13 Seidenpapierstreifen. Die Papierstreifen wurden
folgendermaßen verklebt:
Der erste Streifen wurde auf einer Seite entlang eines etwa 1cm breiten Streifens (vgl. Bild)
mit flüssigem Kleber bestrichen. Nun legten wir den zweiten Streifen über den ersten Streifen,
bestrichen den zweiten Streifen auf der gegenüberliegenden Seite mit Kleber, um den dritten
Streifen am Zweiten zu befestigen, usw. Wenn die 13 Streifen verklebt aufeinander liegen,
drückt man die Nähte nach außen und erzeugt die Ballonform. Schließlich wird der erste
Streifen mit dem 13. Streifen verklebt und ein rundes Stück Seidenpapier auf die höchste
Stelle des Ballons geklebt.
26 cm
135 cm