6.Klasse - JKU

Protokoll
Luftdruck
6.Klasse
Michael Aichinger
9855264
Inhaltsangabe:
S2. Lernziele und Voraussetzungen
S2. Allgemeiner Stoff
S4. Versuche
S14. Projekt Papierflieger
S19 Literaturverzeichnis
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1. Lernziele und Voraussetzungen
Im Gebiet des Luftdrucks soll der Schüler
• den Begriff Luftdruck kennen lernen und ihn erklären können
• erfahren, was der Gewichtsdruck und der Auftrieb ist
• Luftdruckmessung über Barometer kennen lernen
Folgende Voraussetzungen werden getroffen:
• Gase, ideale Gase, Gasgesetze
• Der Begriff Druck und die Druckkraft (Mechanik) bzw. die Einheit des Drucks
• Hydromechanik
• Der Begriff Schweredruck ist bereits im Zusammenhang mit Flüssigkeiten eingeführt
worden (in den Lehrbüchern wird zuerst die Hydromechanik und dann erst die
Aeromechanik durchgenommen)
2. Allgemeiner Stoff (didaktisch aufbereitet):
Bevor wir jetzt einige allgemeine Dinge über den Luftdruck kennen lernen, wollen wir noch
einmal ganz kurz den bereits bei den idealen Gasen durchgenommenen Stoff wiederholen:
Unter Druck versteht man den Quotienten aus Kraft und Fläche. Im gesetzlichen
Einheitensystem ist daher die SI-Einheit des Drucks gleich 1N*1m -2 = 1 Pascal = 1Pa. Dies ist
ein sehr kleiner Druck, deshalb verwendet man auch die Druckeinheit 1 bar:
1 bar = 1000 mbar = 10 5 Pa
Ebenso wie eine Flüssigkeit erzeugt auch die Erdatmosphäre durch ihre Gewichtskraft einen
Schweredruck, den Luftdruck. Er schwankt von Ort zu Ort und auch mit der Zeit, wie man
den Wetterkarten im Fernsehen oder in der Zeitung entnehmen kann und beträgt auf
Meereshöhe im Durchschnitt 1013hPa = 1,013 bar (Normdruck in der Physik).
Für Wettervorhersagen misst man an vielen Orten ständig den Luftdruck. Orte mit gleichem
Luftdruck werden auf Wetterkarten durch Linien sogenannte Isobaren verbunden. So erkennt
man Hoch- und Tiefdruckgebiete, die im wesentlichen unser Wetter mitbestimmen.
Die zur Luftdruckmessung verwendeten Geräte heißen Barometer, auf einen Typ davon,
nämlich auf den Dosenbarometer wollen wir genauer eingehen. Das Dosenbarometer (Abb.
Siehe unten) besteht aus einer luftleer gepumpten Metalldose mit einem welligen, leicht
biegsamen Deckel. Steigt der Luftdruck, so biegt sich der Deckel stärker, was über ein
Zeigerwerk sichtbar gemacht wird.
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Da die Luft aber wie jedes andere Gas komprimierbar ist, nimmt mit zunehmender Tiefe auch
die Dichte zu. Das bedeutet, dass der Druck mit der Höhe nicht linear abnimmt (vgl. dazu die
lineare Druckzunahme des Wassers mit der Tiefe). Da die Druckabnahme mit der Höhe
grundsätzlich bekannt ist, kann durch Messung des Luftdrucks die Höhe des Ortes über dem
Meeresspiegel berechnet werden. Allerdings muss die Wetterlage bei solch einer
barometrischen Höhenmessung berücksichtigt werden.
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3. Versuche
3.1 Versuche mit der Vakuumpumpe:
Allgemeines: Bevor man Versuche mit der Vakuumpumpe durchführt sollte man sich mit der
Betriebsanleitung (liegt dem Protokoll bei und ist eingescannt worden) vertraut machen.
Besonders wichtig ist, dass bei allen Versuchen, an denen Flüssigkeiten beteiligt sind, die
Vakuumpumpe nach Beendigung des Versuchs noch eine Weile mit Gasballast betrieben
wird. Dies verhindert, dass die Pumpe durch den Wasserdampf korrodiert.
Außerdem muss unbedingt beachtet werden, dass die Materialien unter dem Glassturz nicht
auf die Ansaugöffnung kommen können.
Materialien:
Gasballastpumpe D2 von Leybold
Schwedenbombe
Runzeliger Apfel
Seifenwasser
Luftballons
Klebeband
• Luftballon:
Der nicht prall aufgeblasene Luftballon wird mit einem Klebestreifen an der Glaskuppel
der Vakuumpumpe befestigt, damit er nicht die Ansaugöffnung verdeckt. Anschließend
wird mit der Vakuumpumpe die Luft abgesaugt, dadurch vergrößert sich der Luftballon,
da sich die in ihm befindliche Luft ausdehnt und der Luftdruck außerhalb des Luftballons
abnimmt.
• Schwedenbombe
Die Schwedenbombe wird in einem Glas in die Vakuumpumpe gestellt. Dann wird die
Luft aus dem Glassturz gesaugt. Die sich im Schaum befindliche Luft dehnt sich aus und
sprengt dadurch den Schokomantel. Lässt man wieder Luft in die Glasglocke fällt der
Schaum in sich zusammen und es bleibt nur ein klein wenig davon über.
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• Runzeliger Apfel
Man legt einen runzeligen Apfel in die Vakuumpumpe. Hat man keinen runzeligen
Apfel zu Verfügung legt man ihn einige Male in die Vakuumpumpe und evakuiert und
durch das Abpumpen der Luft wird der Apfel wieder prall, da sich die im Apfel
befindliche Luft ausdehnt. Die Haut des Apfels muss hierfür natürlich makellos sein.
Der runzelige Apfel nach der „Behandlung“
Der Apfel in der Vakuumpumpe
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• Seifenschaum
In einem Glas wird warmes (Löslichkeit) Wasser mit Seifenflocken oder Spülmittel
vermischt und mit einem Strohhalm durch hineinblasen zum Schäumen gebracht.
Anschließend stellt man das Glas in ein Überglas und stellt diese Anordnung unter die
Vakuumpumpe. Wenn man evakuiert dehnt sich die Luft in den Seifenblasen aus und
es schäumt über. Hier ist besondere Vorsicht geboten. Die Pumpe muss unbedingt
rechtzeitig abgestellt werden, bevor der Inhalt des Glases auch noch über das Überglas
schäumt. Beim Hineinlassen der Luft fällt der Schaum wieder zusammen.
Achtung: Lassen sie die Vakuumpumpe nach diesem Versuch noch einige Zeit unter
Gasballast weiter laufen.
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• Vakuumverpackung:
Wir legen eine Packung vakuumverpackter Erdnüsse unter die Vakuumpumpe. (auch
Vakuumverpackter Kaffee ist möglich – platzt jedoch die Packung auf, saugt die
Vakuumpumpe den ganzen Staub ein, dies führt zu starker Verschmutzung)
Mit der Pumpe wird die Luft abgesaugt, dadurch dehnt sich die Restluft, die in der
Vakuumverpackung enthalten ist aus und der Eindruck, dass die Vakuumverpackung
aufgeblasen wird entsteht.
Achtung: Pumpen sie nicht zuviel Luft ab, da sonst die Vakuumverpackung aufplatzt.
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• Schallausbreitung im Vakuum – Die Klingel
Die Klingel wird mit einem Klebeband an der Glaskuppel befestigt und zwar so, dass
sie die Glaskuppel nicht berührt. Für die Klingel, die im Praktikumraum vorhanden ist
benötigen wir eine 9V Batterie. Testen sie die Klingel bevor sie sie unter die
Glaskuppel hängen. Anschließend wird evakuiert und der Klingelton wird immer
leiser. Lassen wir die Luft wieder in die Glaskuppel wird der Klingelton wieder lauter.
Didaktische Aufbereitung:
Alle Versuche bis auf den letzten beruhen auf der Tatsache, dass die im Objekt (Luftballon,
Schwedenbombe, Vakuumverpackung, runzeliger Apfel) gefangene Luft sich ausdehnt.
Beim letzten Versuch stützen wir uns auf die Tatsache, dass Schallwellen zur Ausbreitung ein
Medium verlangen. Wird das Trägermaterial, in diesem Fall die Luft verdünnt, so verringert
sich die Amplitude der Schallwellen und die Klingel erscheint leiser.
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3.2. Implodierende Dose
Material:
Leere Öldose 2l
Gefäß mit kaltem Wasser
Bunsenbrenner
Achtung: Die leere Öldose sollte gut gereinigt sein!
Durchführung:
Geben sie etwas Wasser in die Öldose und erhitzen sie
anschließend die Dose bis das Wasser kocht. Gibt man die Dose schnell mit dem Loch nach
unten in kaltes Wasser, implodiert diese mit einem Knall.
Erklärung und didaktische Aufbereitung:
Durch das kalte Wasser kühlt die erhitzte Luft in der Dose blitzartig ab und der Druck in der
Dose nimmt ebenso blitzartig ab. Bedingt durch die Trägheit kann das Wasser nicht schnell
genug nachströmen und so geben die Wände der Dose nach und sie zieht sich zusammen.
Dieser Versuch stellt eine schöne Methode dar die Kraft des Luftdrucks zu demonstrieren.
3.3 Gewicht der Luft
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Materialien:
Balkenwaage
Gewichtssatz
Kolben zum auspumpen der Luft
Vakuumpumpe
Durchführung und didaktische Aufbereitung:
Zuerst wird der Kolben auf eine Seite der Balkenwaage gelegt und mit den vorhandenen
Gewichten wird die Balkenwaage ausgeglichen. Dann pumpen wir die Luft aus dem Kolben
und legen ihn zurück auf die Waage. Wir sehen, dass die Waage in Richtung der Gewichte
ausschlägt, der Grund dafür liegt im Gewicht der Luft. Also Luft besitzt eine wägbare Masse.
Öffnen wir das Ventil des Kolbens geht die Waage zurück ins Gleichgewicht.
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3.4. Zusatzinfo
Pumpen entfernen Gas aus dem zu evakuierenden Gefäß, indem sie das Gas entweder in einen
anderen Raum oder in die freie Atmosphäre pumpen. Eine andere Möglichkeit ist das Binden
des Gases innerhalb der Vakuumanlage. Mechanische Pumpen haben einen bestimmten
Schöpfraum, den sie abwechselnd vergrößern oder verkleinern. Auch kann er konstant sein
und abwechselnd oder kontinuierlich an der Niederdruckseite aufgefüllt werden und an der
Hochdruckseite entleert werden.
Eine wesentliche Kenngröße einer Pumpe ist das Saugvermögen. Das Saugvermögen gibt
jene Menge an Luft an, die pro Sekunde geschöpft wird. Bei mechanischen Pumpen ist dies
das Schöpfvolumen mal die Drehfrequenz, weil eben pro Umdrehung das Schöpfvolumen
genau einmal ausgeschöpft wird. Im Gegensatz dazu gibt die Saugleistung den geförderten
Gasmassenstrom an (geschöpfte Masse pro Volumen).
Enddruck: Jener Druck, den die Pumpe am Ansaugstutzen erreicht
Anfangsdruck: Druck mit dem die Pumpe das geförderte Gas ausstößt
Bei Vorpumpen ist der Anfangsdruck gleich dem Atmosphärendruck, Vorpumpen werden bei
Pumpen am Ausgang angehängt, die einen sehr viel kleineren Anfangsdruck brauchen.
Mehrere Pumpen können dann hintereinander gehängt werden.
Das Abpumpen kondensierbarer Dämpfe stellte lange Zeit ein Problem dar, dies wird durch
den Gasballast überwunden. Damit das Auspuffventil öffnet, muss die Pumpe ja das Gas im
verkleinerten Schöpfraum auf etwas mehr als Atmosphärendruck komprimiert haben.
Außerdem kann Emulgierung des Wassers mit dem Schmieröl das Funktionieren der Pumpe
beeinträchtigen. Daher lassen wir durch ein Ventil eine kleine Menge an Luft ein, damit das
Auspuffventil schon bei geringerer Kompression öffnet, so dass der Dampf gerade nicht
kondensiert. Diese Gasballastpumpe richtet sich nach dem Verhältnis von
Sättigungsdampfdruck und dem Atmosphärendruck, also auch der Gastemperatur in der
Pumpe, und muss zu Anfang des Pumpbetriebs größer sein, da die Pumpe zu diesem
Zeitpunkt kalt ist.
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3.5. Experiment zu einem Flügel
Die Didaktik:
Das Fliegen war schon immer ein Traum der Menschen. Es gab zu früheren Zeiten eine große
Anzahl von Turmspringern, die ihr Leben selbstgebauten Flügeln anvertrauten. Sie mussten
aber scheitern, da sie von der Größe des Auftriebs der nötig ist, um einen menschlichen
Körper zu heben, nichts wussten.
Lange bevor sich das erste Flugzeug in die Luft erhob unternahm man Ballonflüge. Der
Auftrieb von Ballons beruht auf dem Satz von Archimedes.(wird in der Hydrostatik
durchgenommen) Dies ist der sogenannte aerostatische Auftrieb.
Ballons können jedoch verglichen mit ihrer Größe nur geringe Nutzlasten befördern, da der
Auftrieb relativ gering und der Luftwiderstand sehr groß ist. Flugzeuge bieten hier die
besseren Möglichkeiten und sind außerdem wesentlich schneller.
Der Auftrieb wird durch den Luftstrom um die Tragflächen erzeugt. Wegen der besonderen
Form der Tragflächen umströmt die Luft die Oberseite schneller als die Unterseite, da der
Weg oben länger ist. Deshalb ist oberhalb der Tragfläche ein geringerer Druck als unterhalb.
Dadurch entsteht der dynamische Auftrieb.
Um dies zu zeigen wollen wir selber einen Flügel basteln:
Material:
Papier (5cm*11cm)
Nadel
Zwirn
Bleistift
Klammermaschine
Wir falten das Papier in zwei Abschnitte von 6 und 5 cm. Den längeren Abschnitt rollen wir
auf dem Bleistift auf und befestigen anschließend den nun gewölbten Teil auf dem anderen
Abschnitt mithilfe der Klammermaschine. Etwa in einem drittel Entfernung vom
Flügelvorderteil stoßen wir mit der Nadel durch und ziehen den Bindfaden durch.
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Der Flügel wird gehalten und anschleißend wird von vorne hineingeblasen. Durch die oben
beschriebenen Phänomene steigt der Flügel am Faden auf.
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4. Projekt: Papierflieger
Meinem Praktikumspartner und mir erschien es reizvoll zum Abschluss des Praktikums eine
Anregung für ein Projekt zu geben, wie es im Wahlpflichtfach Physik oder in einer
außertürlichen physikalischen Übung (Projekttage) durchgeführt werden kann. Die folgenden
Inhalte sind aus dem Internet gesucht worden.
Papierflieger und richtige Flugzeuge fliegen im Prinzip nach denselben physikalischen
Gesetzen, bei beiden geht es um Größen wie Auftrieb, Luftwiderstand oder Stabilität.
Natürlich gibt es auch Unterschiede in der Aerodynamik, die großen Unterschiede im
Aussehen und in der Form lassen sich aber eher auf praktische Gründe zurückführen.
Warum Papierflieger anders aussehen als Flugzeuge:
Die meisten Flugzeuge haben Tragflächen, einen Heckteil und einen Rumpf, der Passagiere
und Gepäck aufnimmt. Die meisten Papierflieger haben nur eine Tragfläche und vielleicht
eine Falte, um sie zu halten.
Gründe für diese Unterschiede:
Papierflieger sollen schnell und einfach gefaltet werden. Einen Rumpf zu bauen würde den
Aufwand stark erhöhen. Das Heck und der Rumpf sind aerodynamisch nicht notwendig. Die
Heckklappen beim Flugzeug dienen dazu, die Nase zu senken (Beschleunigung) oder zu
heben (Bremsung). Die gleiche Funktion erfüllen Klappen an der Hinterkante eines
Papierfliegers. Es gibt auch einige Nur-Flügler unter den Flugzeugen, z.B. die Stealth-Bomber
B2.
Hecktragfläche und -klappen eines Flugzeugs erlauben Gewichtsverlagerungen während des
Fluges - durch Bewegungen von Passagieren oder Verbrauch von Treibstoff - bei
gleichbleibender Flugstabilität. Der Schwerpunkt kann sich innerhalb eines gewissen Bereichs
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ewegen. Jedes Flugzeug besitzt aber einen neutralen Punkt - gelangt der Schwerpunkt hinter
diesen, so wird die Fluglage unstabil. Je weiter vor dem neutralen Punkt der Schwerpunkt ist,
desto stabiler wird das Flugzeug, muss aber seine Heckklappen weiter aufstellen um die Nase
wieder zu heben. Papierflieger haben keine Schwerpunktverlagerungen, brauchen also keine
Heckflügel.
Weiters würde der Einsatz der Landeklappen die Flugzeugspitze kippen, auch hier wirken die
Heckklappen gegensteuernd. Ein Papierflieger besitzt jedoch keine Landeklappen.
Die Richtungsstabilität eines Flugzeugs kommt von der vertikalen Heckflosse und von seinem
Rumpf. Beim Papierflieger erhöht sich die Stabilität durch eine rumpfähnliche Falte (dient
auch zum Halten) und durch aufgeklappte seitliche Tragflächenteile.
Tragflächenform
Papierflieger haben normalerweise kurze Flügel. Das Verhältnis von Spannweite zur Länge
Vorderkante-Hinterkante (mittlere Tiefe) eines Flügels wird als Streckung bezeichnet und ist
eine wichtige Charakteristik für Tragflächen. Für Unterschallgeschwindigkeit verringert sich
der Tragflächenwiderstand durch Erhöhen der Streckung, also etwa Vergrößern der
Spannweite oder Verringern der Tiefe. Segelflugzeuge haben zum Beispiel sehr lange,
schmale Flügel, was hohen Auftrieb bei geringem Luftwiderstand bedeutet. Papierflieger
haben Tragflächen mit kleiner Streckung. Gründe dafür:
• Papier ist kein gutes Baumaterial. Es ist schwer, damit Tragflächen hoher Streckung
herzustellen.
• Flieger mit kurzen Flügeln sind leichter zu falten
• Das Gleitverhalten eines Papierfliegers ist nicht so entscheidend wichtig wie jenes
eines Flugzeugs - macht man diese Flieger doch hauptsächlich zur Unterhaltung, zum
Spiel
• Kurze Tragflächen schauen schnell aus, besonders wenn ihre Vorderkante nach hinten
gewinkelt ist ("positive Pfeilung"). Man verbindet solche Tragflächen mit
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Hochgeschwindigkeitsflugzeugen, z.b. Kampfflugzeugen. Unter 1000 km/h haben
jedoch lange schmale Tragflächen den geringeren Luftwiderstand - daher sehen auch
alle Verkehrsflugzeuge so aus. Erst für Überschallflugzeuge gilt: Kleiner
Luftwiderstand durch Tragflächen geringer Streckung.
Fliegen bei kleinen und mittleren Reynolds-Zahlen
Papierflieger sind kleiner und langsamer als die meisten anderen Fluggeräte. Wie bei jedem
umströmten Objekt hängt die Aerodynamik zuerst von der Grenzschicht (boundary layer) ab -
die vorbeiströmende Luft wird dort von der Oberfläche gebremst. Die Strömung in der
Grenzschicht ist am vorderen Teil des Flügels laminar (=ohne Wirbelbildung), wird dann aber
turbulent.
Die R e y n o l d s - Z a h l gibt das Verhältnis zwischen Trägheitswiderstand (Luftwiderstand, nach
Newton) und Zähigkeitswiderstand (nach Stokes). Je größer sie ist, desto geringer ist der
Einfluss der Zähigkeit des Mediums.
Rho: Dichte des Mediums (Luft: 1,33 kg/m 3 )
l: Länge des Objekts
v: Geschwindigkeit des Objekts
Eta: Zähigkeit des Mediums (Luft: 1,7.10 -5 Ns/m 2 )
Zum Beispiel haben Pilzsporen einen Durchmesser von 0,005 mm, eine Fallgeschwindigkeit
von 4,5 mm/s und damit eine Reynoldszahl von etwa 0,0016. Für sie wirkt die Luft wie ein
klebriges Medium (1)
Für Papierflieger ergibt sich mit l=0,2 m und v=2 m/s eine Reynolds-Zahl von über 30.000.
Tragflächen von Verkehrsflugzeugen haben Reynolds-Zahlen um die 6.000.000. Der
Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt aber schon bei Reynolds-Zahlen von
10.000, also zwischen dem Viertel und der Hälfte des Flügels. Natürlich ist für Papierflieger
die Viskosität viel stärker spürbar als für Flugzeuge, das heißt: mehr Luftwiderstand und
weniger Auftrieb.
Die niedrige Reynolds-Zahl bedeutet auch, dass dünne Flügel am besten sind. Bei dicken
Blättern löst sich die laminare Strömung etwa bei der Hälfte des Flügels ab, was hohen
Luftwiderstand und geringen Auftrieb bedeutet.
Die Flügel sollten nicht dicker als 3 bis 5% der Tiefe sein.
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Den Unterschied in den Reynolds-Zahlen erkennt man auch im Tierreich: Vögel fliegen
schneller als Papierflieger, sie haben dickere Flügel, die langsameren Insekten dagegen flache
(z.B. Schmetterlinge).
Praktische Hinweise
V-Stellung (Dihedral)
Einer der häufigsten Fehler bei Papierfliegern sind herabhängende Flügel. Diese vermindern
die seitliche Stabilität des Fliegers. Entweder dreht er sich auf den Rücken oder er beginnt
eine spiralförmige Drehbewegung um seine Längsachse - beides führt zum raschen Absturz.
Die Enden der Flügel sollten die höchsten Punkte sein (V-Form)
Schwerpunkt:
Befindet sich der Schwerpunkt im sogenannten neutralen Punkt, hat der Flieger eine neutrale
Stabilität im waagrechten Flug. Je weiter der Schwerpunkt vor dem neutralen Punkt liegt,
desto stabiler wird der Flug, liegt er dahinter, ist der Flug nicht stabil.
Für rechteckige Flügel liegt der neutrale Punkt bei etwa 1/4 der Länge des Fliegers im
vorderen Teil, für Delta-Flügel etwa bei der Hälfte.
Stabilität heißt, dass der Flieger unempfindlich gegen Störungen ist und wieder in seine
normale Fluglage zurückkehrt, oft nach einigen Auf- und Abschwingungen. Ein unstabiler
Flieger taucht entweder mit seiner Nase ab oder steigt mit ihr auf, nimmt aber keine Lage
dazwischen ein.
Liegt der Schwerpunkt weit vorne, wird der Flieger stabiler, tendiert aber zu immer größeren
Geschwindigkeiten. Zum Ausgleich müssen die Heckklappen aufgestellt werden - ein
klassisches Papierfliegerdesign: Schwere Nase, aufgestellte Heckklappen.
Flügelquerschnitt
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Flugzeuge haben die bekannten Tragflächenquerschnitte mit gerundeter Ober- und eher
flacher Unterseite. Die Flügel von Papierfliegern müssen dagegen dünn sein (niedrige
Reynolds-Zahl) und dürfen nur eine geringe Krümmung aufweisen - und diese nur im
vorderen Teil des Flügels. Stärkere Krümmungen lassen die Nase abtauchen und benötigen
ein Heck als Ausgleich. Papierflieger können ohne Nachteile glatte Flügel ohne Krümmung
haben, mit schmalen Vorderkanten - diese begünstigen sogar etwas die auftriebsfördernde
Wirbelbildung, die allerdings bei den niedrigen Geschwindigkeiten keine allzu große Rolle
spielt.
Flugprobleme und Lösungen
• Der Flieger fliegt Rechts- oder Linkskurven: Die vertikalen Teile (Mittelteil,
hochgeklappte Flügelenden ...) werden hinten vorsichtig in die Gegenrichtung
gebogen
• Der Flieger fliegt geradewegs nach unten: Der Auftrieb muss erhöht werden.
Entweder werden die Enden beider Flügel aufgebogen oder der V-Winkel wird flacher
gemacht.
• Steiler Aufstieg, dann Absturz: Zuviel Auftrieb, das Gegenteil von vorhin. Entweder
die Flügelenden nach unten biegen oder die V-Form verstärken.
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5. Literaturverzeichnis
Von der Physik 2
Basiswissen 2
Verblüffende physikalische Experimente
Internetseite des BRG Kepler
Internetseite ZUM
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