Facharbeit in Physik Bau und Variation von Eigenschaften eines ...

Sebastian-Münster-Gymnasium Ingelheim
2011
Facharbeit in Physik
Bau und Variation von Eigenschaften eines
personentragfähigen Luftkissengleiters
von Marian Borchert
12-PH May

Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung ...........................................................................................................................3
2. Das Luftkissenfahrzeug ......................................................................................................4
2.1. Erfindung ..................................................................................................................... 4
2.2. Funktionsweise ............................................................................................................ 4
2.3. Unfälle ......................................................................................................................... 4
3. Der Luftkissengleiter ..........................................................................................................5
3.1. Funktionsweise ............................................................................................................ 5
3.2. Bau des Gleiters ........................................................................................................... 5
3.2.1. Baumaterial ........................................................................................................... 5
3.2.2. Werkzeug .............................................................................................................. 5
3.2.3. Beschaffung der Materialien .................................................................................. 5
3.2.4. Vorgehensweise ..................................................................................................... 6
3.3. Funktionstest ................................................................................................................ 7
4. Verbesserungen des Gleiters ...............................................................................................7
4.1. Bau der Sitzfläche ........................................................................................................ 7
5. Versuche ............................................................................................................................8
5.1. Maximale Last ............................................................................................................ 8
5.2. Fahrt auf Wasser .......................................................................................................... 9
5.3. Variation der Teichfolie ............................................................................................... 9
6. Bau eines zweiten Gleiters ................................................................................................ 11
7. Versuche mit dem Styrodurgleiter..................................................................................... 11
7.1. Maximale Last (Styrodurgleiter)................................................................................. 11
7.2. Styrodurgleiter mit vier Pumpen ................................................................................. 12
7.3. Styrodurgleiter mit einer Pumpe ................................................................................. 13
7.4. Fahrt auf Wasser (Styrodurgleiter) ............................................................................. 13
8. Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................................... 14
9. Anhang ............................................................................................................................. 15
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1. Einleitung
Luftkissenboote (engl.: Hovercraft) sind faszinierende Fahrzeuge, die sowohl auf Wasser, als
auch auf Land fahren können. Durch den fehlenden Reibungswiderstand können
Luftkissenboote Geschwindigkeiten von bis zu 150km/h erreichen. Ein sehr bekanntes
Beispiel für den Gebrauch von Luftkissenbooten war die Verbindung zwischen Dover und
Calais. Drei Jahrzehnte beförderten Luftkissenboote Personen und Güter von Frankreich nach
Groß-Britannien. Leider wurde, wegen der vielen Nachteile, der Betrieb der Boote eingestellt.
Durch den Antrieb, der durch riesige Propeller erfolgt, lässt das Luftkissenboot nicht so gut
lenken, wie ein Boot mit einem Ruder. In Häfen sind Hovercrafts, durch ihre schlechte
Wendigkeit und ihrer starken Winderzeugung, nicht gern gesehen. Auch der Verbrauch ist
gegenüber normalen Booten, durch die Motoren, die das Hovercraft anheben, wesentlich
höher. Ein großer Vorteil der Luftkissenboote ist, dass sie sich viel schneller fortbewegen
können, als die üblichen Boote. Die Strecke über den Ärmelkanal bewältigten die
Luftkissenboote innerhalb von 30 Minuten, wesentlich kürzer als herkömmliche Boote, die
ca. 90 Minuten benötigen. Ein weiterer, schon angesprochener Vorteil ist die Fahrt auf allen
Oberflächen, wie z.B. auf Wasser, ebenem Erdboden, Eis und Matsch. Dies macht die
Luftkissengleiter vor allem für das Militär oder für den Sport interessant. Auch in Gebieten
des Amazonas oder in den Everglades in Florida werden vermehrt Hovercrafts eingesetzt 1) .
Mein Stammkurslehrer Herr May brachte mich auf die Idee eine Facharbeit über einen
personentragfähigen Luftkissengleiter zu schreiben und schlug vor, einen Gleiter selbst zu
bauen mit dem ich Versuche durchführen kann. Ich begrüßte die Idee und sagte zu.
Herr Dr. Frank Fiedler, ein Dozent an der Universität Mainz und Bekannter von Herrn May,
gab mir eine Anleitung für einen personentragfähigen Luftkissengleiter (s. Anhang).
In meiner Facharbeit baute ich einen eigenen Luftkissengleiter und untersuchte die
verschiedenen Eigenschaften. Ich versuchte durch das Variieren von Bauteilen die Werte des
Gleiters zu verbessern. Um Vergleiche durchführen zu können, baute ich noch einen zweiten
Gleiter, der leicht abgewandelte Eigenschaften besaß, als mein erster Gleiter.
1) vgl. http://www.spiegel.de/reise/aktuell/0,1518,95671,00.html
3

2. Das Luftkissenfahrzeug
1. Propeller zur Fortbewegung
2. Luftstrom
3. Turbine, die Luft in das Luftkissen befördert
4. Biegsame Schürze
2)
2.1. Erfindung
Im Jahre 1875 meldete John Isaac Thornscroft das erste Patent für eine Luftkissentechnik an,
setzte dies aber nie praktisch um. Erst am 2.9.1915 wurde das erste funktionsfähige
Luftkissenboot, von Dagobert Müller von Thomamühl entwickelt, zu Wasser gelassen 3) .
2.2. Funktionsweise
Das Luftkissenfahrzeug wird durch ein Luftkissen oder Luftpolster getragen. Es wird meist
für Fahrten über Wasser genutzt, kann aber, da es reibungslos über den Untergrund gleitet,
auch auf ebenen Landstrecken genutzt werden. Mit einem Luftkissenboot können sowohl
Lasten, als auch Personen transportiert werden. Mit Turbinen (3) wird Luft in das Luftkissen
unter dem Fahrzeug befördert. Die Luft kann an der Unterseite entweichen und bildet so einen
Luftstrom zwischen dem Luftkissenfahrzeug und dem Boden. Dieser Luftstrom lässt das
Fahrzeug knapp über dem Boden schweben. Die flexiblen Schürzen (4) rund um das Fahrzeug
schützen es bei Unebenheiten und gleichen diese aus. Durch Propeller (1) kann das
Luftkissenboot sich fortbewegen und gelenkt werden 4) .
2.3. Unfälle
Im Laufe der Geschichte kam es erst zu zwei bedeutenden Unfällen. Bei einem wurde die
Schürze aufgeschlitzt. Dies führte dazu, dass die Luft nicht nach unten abgeleitet wurde,
sondern durch den Schlitz austrat. Dadurch bildete sich kein Luftstrom zwischen dem
Luftkissenfahrzeug und der Wasseroberfläche was das Fahrzeug sinken ließ. Bei dem zweiten
Unfall kenterte das Luftkissenfahrzeug bei zu hohem Wellengang 4) .
2) http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Hovercraft_-_scheme.svg&filetimestamp=20070407173251
3) vgl. http://www.doppeladler.com/kuk/gleitboot.htm
4) vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Luftkissenfahrzeug
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3. Der Luftkissengleiter
3.1. Funktionsweise
Der von mir gebaute Luftkissengleiter funktioniert auf die gleiche Weise wie ein
Luftkissenboot. Der Gleiter wird auch durch ein Luftkissen getragen.
Statt Turbinen, die die Luft in das Luftkissen befördern, besitzt mein Luftkissengleiter zwei
Luftmatratzenpumpen, welche von einer 12V-Autobatterie betrieben werden. Das Luftkissen,
das bei Luftkissenbooten aus großen flexiblen Schürzen besteht, wird bei mir durch eine
Teichfolie ersetzt. Damit die Luft, die den Gleiter anhebt, entweichen kann, schnitt ich in die
Teichfolie Löcher.
3.2. Bau des Gleiters
Ich bekam eine Bauanleitung (s. Anhang) für einen Luftkissengleiter von Herrn Dr. Fiedler,
den ich am Tag der offenen Tür an der Universität Mainz traf. Nach dieser Anleitung habe ich
meinen Luftkissengleiter gebaut.
Benötigt habe ich dafür:
3.2.1. Baumaterial
8mm-Spanplatte (1m x 1m); 0,5mm Teichfolie (1,2m x 4m); 2mm-Plastikscheibe
(30cm x 30cm); 12V-Autobatterie; 2 elektrische Luftmatratzenpumpe; Silicon; Tackernadeln;
Klebeband
3.2.2. Werkzeug
Stichsäge; Bohrmaschine; Tacker; Schleifpapier; Siliconspritze; Cutter; Filzstift; Papier;
Zollstock
3.2.3. Beschaffung der Materialien
Einige Baumaterialien hatte ich leider nicht zu Hause. Darunter fielen die 8mm-Spanplatte,
die 0,5mm-Teichfolie, die 12V-Autobatterie und die zwei elektrischen Luftmatratzenpumpen.
Die 8mm-Spanplatte und die 0,5mm-Teichfolie kaufte ich bei Struth Baumarkt GmbH in
Ingelheim (Konrad-Adenauer-Straße 12). Die Spanplatte wurde mir auf eine Größe von
1m x 1m zurechtgeschnitten. Die Teichfolie war auf eine Breite von 4m festgelegt, so kaufte
ich eine Folie mit den Maßen 1,2m x 4m.
Die Autobatterie bekam ich vom Autohaus W. Weis in Gau-Algesheim (Max-Planck-
Straße 36) gespendet (s. Anhang, Abb. 4).
Zu guter Letzt bestellte ich mir die beiden elektrischen Luftmatratzenpumpen bei dem
Onlineshop Amazon (s. Anhang, Abb. 6).
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3.2.4. Vorgehensweise
Nachdem ich die Anleitung nochmals studiert hatte, ging es an den Bau des Gleiters.
Als erstes zeichnete ich zwei konzentrische Kreise auf die Spanplatte, einen mit einem
Durchmesser d=1m und einen mit d=50cm. Danach sägte ich mit der Stichsäge den Kreis
d=1m aus. Auf dem inneren Kreis bohrte ich zwei gegenüberliegende Löcher, in die später die
elektrischen Pumpen reingesteckt werden. Die Löcher müssen den gleichen Durchmesser
besitzen, wie die Mundstücke der elektrischen Pumpen. Da das Mundstück bei mir einen
Durchmesser von 18mm betrug, bohrte ich die Löcher in entsprechender Größe. Im
Mittelpunkt der kreisförmigen Holzplatte bohrte ich ein Loch (d=8mm). Danach schliff ich
alle Kanten glatt (s. Anhang, Abb. 2).
Nachdem ich mit der Spanplatte vorerst fertig war widmete ich mich der Teichfolie. Ich
zeichnete mit einem Stift einen Kreis (d=1,2m) auf die Teichfolie und schnitt diesen mit dem
Cutter aus. Am Mittelpunkt machte ich ein kleines Loch, um später eine Schraube hindurch
zu stecken. Für die Löcher auf der Folie, aus denen später die Luft entweichen und den
Gleiter schweben lassen soll, bastelte ich mir zwei kreisförmige Schablonen. Eine mit 3cm
Durchmesser und eine mit 7cm Durchmesser. Mit diesen Schablonen und einem Zollstock
abmessend, konnte ich die Löcher mit dem Cutter ausschneiden.
Auf die Plastikscheibe, die dafür sorgen soll, dass sich ein Luftwulst und keine Lufthaube
bildet, habe ich einen Kreis (d=25cm) gezeichnet und diesen ausgeschnitten. Im Mittelpunkt
bohrte ich, wie schon bei der Spanplatte, ein Loch (d=8mm) (s. Anhang, Abb. 5).
Um nun alle drei Bauteile zu verbinden, steckte ich eine Schraube durch das Mittelloch, der
Plastikscheibe, der Teichfolie und der Spanplatte, um beim Zusammenbauen der Bauteile
alles mittig und symmetrisch zu haben. Desweiteren achtete ich darauf, die Spanplatte so zu
drehen, dass die Löcher für die beiden elektrischen Pumpen nicht genau über Löcher in der
Teichfolie liegen. Um die Teichfolie an der Spanplatte zu fixieren und am oberen Rand
luftdicht abzuschließen, habe ich zuerst Silicon auf den äußeren Rand der Spanplatte
gespritzt. Danach habe ich den überstehenden Rand der Folie umgeschlagen und an der Stelle,
wo das Silicon zwischen Spanplatte und Teichfolie ist, festgetackert. Um wirklich Luftdicht
abzuschließen, habe ich den überstehenden Teichfolienrand mit Klebeband rundum an die
Spanplatte geklebt. Danach habe ich eine Mutter auf die mittig, nach oben stehende Schraube
geschraubt, um die Plastikscheibe an der Teichfolie und an der Spanplatte zu befestigen.
Um die Matratzenpumpen an die Autobatterie anschließen zu können, musste ich die Stecker
für den Zigarettenanzünder entfernen. Die beiden Kabel habe ich dann jeweils an einen Pol
der Batterie angeschlossen.
Als letzten Schritt stellte ich die Autobatterie mittig auf den Gleiter und steckte die Gebläse in
die dafür vorgesehenen Löcher.
Fertig ist der selbstgebaute Luftkissengleiter (s. Anhang, Abb. 13).
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3.3. Funktionstest
Ich war sehr gespannt, ob mein selbstgebauter Gleiter fliegen würde. Ich schaltete beide
Pumpen an. Es dauerte eine kurze Zeit und dann hob sich der Gleiter ein wenig vom Boden
ab. Ich schubste ihn an und er glitt über den Boden. Der Gleiter funktionierte. Ich fühlte mit
der Hand an den beiden Luftpumpenlöchern und am getackerten Rand des Gleiters, ob
irgendwo Luft entweicht, doch ich konnte keine Stelle finden. Damit war sichergestellt, dass
der Gleiter gut funktioniert und ich konnte an ihm Verbesserungen vornehmen und Versuche
durchführen.
4. Verbesserungen des Gleiters
Schon beim Bauen des Gleiters habe ich mich nicht immer hundertprozentig an die Anleitung
gehalten.
In dieser steht, dass die Spanplatte etwa 16mm stark sein soll. Ich habe mich für eine
8mm-Platte entschieden, um Gewicht zu sparen. Mir ist kein Nachteil aufgefallen, den ich
durch das Verbauen der dünneren Platte habe.
Desweiteren habe ich die Teichfolie auf der Oberseite nicht mit Karosserieband und
Tackernadel befestigt, wie in der Anleitung beschrieben, sondern durch Silicon, Tackernadeln
und Klebeband eine luftdichten Abschluss geschaffen.
Als nachträgliche Verbesserung des Gleiters entfernte ich die Plastikscheibe an der Unterseite
des Gleiters. Damit sich trotzdem ein Luftwulst und keine Lufthaube bildet, habe ich in einem
Radius von 12,5cm, vom Mittelpunkt aus, die Teichfolie an die Holzplatte getackert. Um die
Löcher der Schraube zu verschließen, und somit die Luft an den dafür vorgesehenen Stellen
entweichen zu lassen, klebte ich Klebeband auf das Loch in der Spanplatte und auf das Loch
in der Teichfolie. Durch diese Verbesserung sparte ich ein wenig Gewicht ein. Der wichtigere
Punkt ist aber, dass bei schwerer Zuladung und dadurch folgender tieferer Lage des Gleiters
über dem Boden, nun keine Reibungsfläche mehr vorhanden ist.
4.1. Bau der Sitzfläche
Um Versuche über die Tragkraft des Gleiters, mithilfe von Personen, durchführen zu können,
benötigt es eine Fläche, worauf sich die Person setzten kann. Ich baute einen Sitz für die, zu
befördernde Person. Um den Gleiter stabil zu halten ist es notwendig den Masseschwerpunkt
(Person) mittig auf den Gleiter zu setzten. Ich habe deswegen die Sitzfläche auf die
Autobatterie gebaut. Auch in der Anleitung ist dies der Platz für die Sitzfläche.
Ich nahm eine Sitzfläche eines alten Stuhles und schraubte an die Unterseite dieser Sitzfläche
zwei Holzstücke an, um diese auf die Autobatterie fixieren zu können. Es empfiehlt sich die
Schrauben von oben, und nicht von unten, durch die Sitzfläche in die Holzstücke zu bohren,
um keine Verletzungen durch Schraubenspitzen zu riskieren. Den Sitz habe ich danach auf die
Autobatterie gelegt und fertig war der Gleiter für den ersten Probelauf (s. Anhang, Abb. 3).
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5. Versuche
5.1. Maximale Last
Um diesen Versuch durchzuführen, setzten sich nacheinander verschieden schwere Personen
auf die Sitzfläche des Gleiters. Durch das Anstoßen des Gleiters habe ich untersucht, ob der
Gleiter bei einer bestimmten Last auf dem Boden schleift oder nicht. Um die Gesamtlast zu
messen, die der Gleiter trägt, muss sein Eigengewicht mitgerechnet werden.
Objekt
Luftkissengleiter
Autobatterie
2 elektrische
Luftpumpen
Sitzfläche
Gesamt
Gewicht
3,3kg
10,8kg
0,6kg
2,0kg
16,7kg
Die mit einer digitalen Personenwaage gemessenen Werte ergeben, dass der Gleiter ein
Eigengewicht von 16,7kg besitzt. Das Gewicht der Person, die auf dem Gleiter sitzt, plus das
Eigengewicht des Gleiters ergibt das Gesamtgewicht, welches dieser bewältigen muss.
Gewicht der Person Gesamtgewicht Bewegungszustand
25,0kg 41,7kg gleitet
68,2kg 84,9kg gleitet
93,8kg 110,5kg gleitet
112,1kg 128,8kg reibt
Der Versuch zeigt, dass der Gleiter ein Gewicht von bis zu 110kg tragen kann ohne über den
Boden zu schleifen. Bei einer Zuladung von 112kg besitzt der Gleiter kein vollständiges
Luftpolster unter sich, sondern schleift auf dem Boden und lässt sich nur durch kräftiges
Anschieben bewegen.
Bei dem Versuch kann es leicht zu Messfehlern kommen. Es ist wichtig, dass die Person ihr
Gewicht genau mittig auf dem Gleiter hält. Falls der Schwerpunkt nicht mittig ist, kann es zu
Schräglage und daraus folgender Reibung kommen, obwohl der Gleiter das Gewicht tragen
könnte. Perfekt wäre es, das Gewicht auf die komplette Holzplatte zu verteilen. Dies würde
eine Schräglage und ein Verformen der Holzplatte verhindern. Bei verteilter Masse lässt sich
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somit noch mehr Gewicht tragen. Als zweiten Messfehler lässt sich die Leistung der
Autobatterie bestimmen. Ist sie voll aufgeladen, können die Pumpen eine größere Leistung
bringen, als eine Batterie, die nur noch 10V oder weniger besitzt.
Letztendlich lässt sich sagen, dass der Gleiter eine größere Zuladung tragen könnte, wenn die
Masse nicht punktuell sondern auf dem ganzen Gleiter verteilt angebracht wäre. Allerdings ist
dies nicht mit Personen durchführbar.
5.2. Fahrt auf Wasser
Der große Vorteil der Luftkissenboote, zu anderen Fortbewegungsmitteln, ist die Fähigkeit,
auch auf Wasser fahren zu können. Diese Eigenschaft untersuchte ich an meinem Gleiter und
fuhr nach Bingen-Gaulsheim, um dort den Gleiter auf dem Rhein fahren zu lassen. Bei
Rheinkilometer 524 ließ ich ihn an einer seichten Stelle ins Wasser. Ich startete die Pumpen
und setzte ihn, ohne Sitzfläche und zusätzlichen Ballast, sanft auf der Wasseroberfläche auf.
Der Gleiter hatte arge Probleme sich über Wasser zu halten. Ich musste ihn nach wenigen
Sekunden schon wieder herausheben, da er drohte unterzugehen.
5.3. Variation der Teichfolie
Trotz großer Mühe konnte ich nicht in Erfahrung bringen, ob die Anordnung und die Größe
der Löcher in der Teichfolie, in der Bauanleitung von Herrn Dr. Frank Fiedler, rechnerisch
oder durch Versuche ermittelt wurden. Somit entschloss ich mich für eine selbst entworfene
Anordnung der Löcher und testete wiederum die Tragkraft dieser zweiten Variante.
Ich schnitt einen zweiten Kreis (d=1,2m) aus der Teichfolie aus und schnitt dieses Mal nicht
die Löcher nach Anleitung aus, sondern entwarf ein eigenes Muster, von dem ich mindestens
die gleiche Tragkraft erhoffte, wie von dem Original. Da der Gleiter sehr gut mit der
Anordnung und Größe der Löcher aus der Anleitung glitt, behielt ich die Durchflussfläche der
Luft bei.
Berechnung der Gesamtlochfläche:
Gegeben: r Groß = 3,5cm; r Klein = 1,5cm
Gesucht: A Ges
Rechnung:
6 · (π · r G ²) + 6 · (π · r K ²) = A Ges
6 · (π · (3,5cm)²) + 6 · (π · (1,5cm)²) = A Ges
230,907cm² + 42,412cm² = 273,319cm²
Als Variante dachte ich mir ein Design mit vielen kleinen Löchern aus, um ein gleichmäßiges
Luftpolster zu bekommen. Diese Löcher sollten einen Durchmesser von einem Zentimeter
besitzen.
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Rechnung:
Gegeben: A Ges = 273,319cm²; r = 0,5cm
Gesucht: n
Rechnung: A Ges = n · (π · r²) => n = A Ges / (π · r²)
n = 273,319cm² / (π · (0,5cm)²)
n ≈ 348
Ich zeichnete ein Muster auf die Teichfolie, welches 348 Löcher besaß.
Für die Anordnung dachte ich mir, dass ich vermehrt Löcher in den Bereich schneide, der, bei
aufgeblasenem Luftwulst, senkrecht zum Boden steht (ein Ring d ≈ 30cm). Löcher, die zu
weit außerhalb, oder innerhalb dieses Ringes sind, blasen die Luft in einem zu spitzen Winkel
auf den Boden, was einen zu geringen Abtrieb verursacht (s. Anhang, Abb. 1).
Nachdem ich die theoretischen Arbeitsschritte beendet hatte, startete ich mit dem praktischen
Teil und schnitt die Teichfolie zurecht (s. Anhang, Abb. 9).
Um die neue Teichfolie anzubringen, musste ich zuerst die alte Teichfolie entfernen, um die
Neue anzubringen. Die Teichfolie wird so an die Holzplatte angebracht, dass die beiden
Pumpenlöcher genau über den Aussparungen der Löcher liegen. Wie schon die erste
Teichfolie dichtete ich diese wieder mit Silicon, Tackernadeln und Klebeband ab.
Somit war ein etwas anderer Gleiter gebaut, mit dem ich wiederum den Versuch der
maximalen Traglast durchführte.
Gewicht der Person Gesamtgewicht Bewegungszustand
25,0kg 41,7kg gleitet
68,2kg 84,9kg gleitet, minimale Reibung
93,8kg 110,5kg reibt stark
Die Teichfolie, die ich entwarf, kann nicht die Auftriebskraft aufweisen, wie die Teichfolie
aus der Anleitung. Da beide Teichfolien die gleiche Gesamtlochfläche besitzen, kann es nur
an der Position der Löcher liegen, oder daran, dass viele kleine Löcher nicht die gleiche Kraft
aufweisen können wie wenig große Löcher.
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6. Bau eines zweiten Gleiters
Der zweite Gleiter sollte andere Eigenschaften besitzen, als der erste Gleiter. Somit lässt sich
durch Versuche herausfinden, welche Eigenschaft besser ist und mehr Gewicht tragen kann.
Die Änderungen die ich vornahm, waren die Größe des Gleiters, und dessen Gewicht. Ich
reduzierte die Größe des Gleiters von 1m Durchmesser auf 60cm. Dadurch wollte ich
herausfinden, ob ein kleinerer Gleiter ein höheres Gewicht tragen kann. Um einen leichteren
Gleiter zu bauen, benutzte ich diesmal keine Holzplatte, wie bei meinem ersten Gleiter,
sondern eine Styrodurplatte. Diese ist wesentlich leichter als Holz, besitzt aber eine relativ
gute Stabilität.
Für den Bau des zweiten Gleiters verbaute ich eine 3cm dicke Styrodurplatte. Die Dicke ist
nötig, um eine ähnliche Stabilität wie Holz zu gewährleisten (s. Anhang, Abb. 10). Da der
zweite Gleiter einen Maßstab von 60% zu meinem ersten Gleiter besitzen sollte, baute ich den
Styrodur-Gleiter gleich dem Holz-Gleiter, allerdings alle Maße in 60% der Originalgröße.
Die Verbesserung (Weglassen der Plasikscheibe), die ich bei dem Holzgleiter getroffen habe,
übertrug ich direkt beim Bau auf den Styrodurgleiter.
Die getackerten Stellen (Ersatz der Plastikscheibe und den umgeschlagenen Rand der
Teichfolie) verstärkte ich zusätzlich noch mit Schrauben, da die Tackernadel nicht optimal in
Styrodur halten.
Somit hatte ich einen zweiten Gleiter, der wesentlich leichter und auch kleiner war, als mein
erster, aus Holz gebauter Gleiter (s. Anhang, Abb. 11).
Objekt
Gleiter aus Holz
Gleiter aus Styrodur
Gewicht
3,3kg
0,6kg
7. Versuche mit dem Styrodurgleiter
7.1. Maximale Last (Styrodurgleiter)
Mit dem Gleiter aus Styrodur habe ich einen Gleiter gebaut, der nur 0,6kg wiegt, also 2,7kg
leichter ist als der Holzgleiter. Mit dem Styrodurgleiter habe ich auch den Versuch der
maximalen Ladung durchgeführt, um zu untersuchen, ob es einen Unterschied in der
Belastbarkeit gibt.
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Gewicht der Person Gesamtgewicht Bewegungszustand
25,0kg 25,6kg gleitet
68,2kg 68,8kg gleitet, minimale Reibung
93,8kg 94,4kg reibt stark
Bei dem Versuch lässt sich sehen, dass ein kleiner Gleiter, nicht so viel Ballast tragen kann,
obwohl er leichter ist, wie ein großer Gleiter.
Das lässt sich mit der physikalische Formel Druck (p) = Kraft (F) / Fläche (A) bestätigen.
Die benötigte Kraft des Auftriebs errechnet sich aus Druck (p) * Fläche (A). Bei kleiner
werdenden Fläche (A) müsste der Druck erhöht werden, um die gleiche Kraft aufzubringen.
Da die Pumpen aber nicht mehr Druck (p) aufbauen können, fehlt die Kraft (F), die den
Gleiter gleiten lässt. Daraus folgt, dass er auf dem Boden bleibt.
Auch bei diesem Versuch kann es zu Messfehlern kommen. Durch die kleinere Auflagefläche
ist es noch schwieriger das Gleichgewicht zu halten und den Masseschwerpunkt mittig zu
halten. Bei minimalen Bewegungen kann es sein, dass der Gleiter aufsetzt und auf dem Boden
reibt.
7.2. Styrodurgleiter mit vier Pumpen
Um den Styrodurgleiter auch bei einer Zuladung von knapp 70kg einwandfrei gleiten zu
lassen, wollte ich zwei weitere Pumpen an den Gleiter bauen.
Dr. Frank Fiedler stellte mir zwei weitere elektrische Luftmatratzenpumpen zur Verfügung
und ich begann mit der Umrüstung (s. Anhang, Abb. 7).
In einem Radius von 15cm, von dem Mittelpunkt der Styrodurplatte aus, bohrte ich zwei
weiter Löcher, in die ich dann die beiden zusätzlichen Pumpen stecke. Die Löcher müssen
wieder die gleiche Größe besitzen, wie das Mundstück der Pumpe. Beim Bohren ist darauf zu
achten, dass die schon angebrachte Teichfolie auf der Rückseite nicht beschädigt wird. Eine
zweite Person kann während des Bohrens die Teichfolie ein wenig, vom Styrodur, weghalten,
um sie zu schützen.
Nachdem die Löcher fertig waren steckte ich die beiden zusätzlichen Pumpen in die Löcher
und schloss sie ebenfalls an der Autobatterie an. Ich wiederholte den Versuch der maximalen
Zuladung (s. Anhang, Abb. 12).
Versuchsergebnis siehe: 7.1. Maximale Last (Styrodurgleiter)
Der Styrodurgleiter hat mit vier Pumpen genauso viel Gewicht tragen können, wie mit zwei
Pumpen.
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Dies liegt daran, dass vier Pumpen, keinen größeren Druck aufbauen können, als zwei
Pumpen. Es nutzt also nichts, bei zu geringem Auftrieb zusätzliche Pumpen einzubauen. Um
den Gleiter dennoch anzuheben, müsste man Pumpen benutzten, die einen höheren Druck
aufbauen können. Diese Beobachtung lässt sich mit einer physikalischen Formel, die den
Rahmen einer Facharbeit jedoch übersteigt, belegen.
Mit dieser Erkenntnis, fragte ich mich, ob ein Gleiter auch nur mit einer Pumpe gleiten kann.
7.3. Styrodurgleiter mit einer Pumpe
Für diesen Versuch startete ich nur eine Luftpumpe auf dem Gleiter, statt Beide. Der Gleiter
hob sich und glitt, als wären beide Pumpen an. Ich führte den Belastungsversuch durch, und
stellte fest, dass der Gleiter schon bei einem Gewicht von 25kg auf dem Boden schleift.
Eine Pumpe alleine schafft, wie schon im Versuch zuvor festgestellt (Styrodurgleiter mit vier
Pumpen), den gleichen Druck, wie zwei Pumpen. Allerdings kann eine Pumpe allein nicht
genug Luft befördern, um den Gleiter bei Zuladung ständig auf einem Luftfilm zu halten.
Der perfekte Antrieb für einen Luftkissengleiter sind also zwei Pumpen, da diese genug Luft
fördern und auch genug Druck für den Auftrieb aufbauen können.
7.4. Fahrt auf Wasser (Styrodurgleiter)
Auch den Styrodurgleiter ließ ich auf dem Rhein fahren, doch leider bot sich mir der gleiche
unerfreuliche Anblick wie bei dem Holzgleiter. Ich startete die beiden Pumpen, setzte ihn auf
das Wasser auf, doch nach wenigen Sekunden musste ich den Styrodurgleiter vor dem
Ertrinken retten.
Die Luft, die durch die Unterseite der Gleiter hinausströmt, drückt den Gleiter bei einem
harten, festen Boden nach oben. Bei Wasser allerdings, wird der Gleiter durch die Luft nicht
nach oben gedrückt, sondern das Wasser, welches sich leichter von der Luft verdrängen lässt,
wird weggedrückt. Dies erkennt man durch das unter dem Gleiter herausspritzende Wasser.
Dadurch erhält der Gleiter keinen Auftrieb und sinkt ab. Durch dieses Absinken kann Wasser
auf die Oberseite des Gleiters gelangen, was ihn immer weiter absinken lässt.
Eine weitere Schwierigkeit auf Wasser sind die Wellen. Ein minimaler Wellengang führt, wie
bei unebenem Erdboden, zu unmöglichem Gleiten. Auf Erdboden bedeutet dies Schleifen, auf
Wasser Absinken.
Der Gleiter ist, obwohl er auf einem Luftkissen schwebt, für den Gebrauch auf Wasser nicht
geeignet. Mit einer Tragkraft von über 100kg auf Land, schafft der Luftkissengleiter es nicht
einmal, auf Wasser sein Eigengewicht zu halten.
Um den Gleiter auch auf Wasser fahren zu lassen, könnte man einen erhöhten Rand an den
Gleiter bauen, um zu verhindern, dass Wasser auf den Gleiter schwappt. Das verwendete
Prinzip würde allerdings dann stark an den Auftriebseffekt eines Bootes erinnern und nicht
mehr an das eines Luftkissengleiters. Eine weitere Verbesserung währe, die großen
vereinzelten Löcher auf der Unterseite durch viele kleine Löcher zu ersetzten. Dies könnte
dazu führen, dass das Wasser nicht so leicht verdrängt werden kann und somit der Auftrieb
des Gleiters erhöht wird.
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8. Zusammenfassung und Ausblick
Die Versuche, die ich in meiner Facharbeit durchgeführt habe zeigten, dass mit der Anleitung
ein gut funktionierender Gleiter gebaut werden kann. Die Größe des Gleiters von einem Meter
ist ein guter Mittelwert, zwischen einem zu kleinem Gleiter, der nicht die nötige Kraft
aufbringt schwere Zuladung zutragen und einem zu großem Gleiter, der unhandlich, sperrig
ist und ein zu großes Eigengewicht besitzt.
Durch kleine Verbesserungen lässt sich der Gleiter noch optimieren um noch größere
Gewichte tragen zu können und bessere Gleiteigenschaften zu erzielen.
Leider haben mich die finanziellen Mittel daran gehindert, weiter Versuche zu machen. Ich
könnte mir vorstellen, statt der Autobatterie, die mit Abstand das schwerste Teil des Gleiters
ist, eine leichtere Energiequelle zu verbauen. Optimal wäre es, wenn diese neue Energiequelle
keinen Leistungsverlust aufwiese, um konstant mit dem gleichen Druck zu gleiten. Auch die
Anordnung der Löcher in der Teichfolie konnte ich noch nicht perfekt lösen. Wenn es eine
perfekte Anordnung gäbe, könnte man diese durch Ausprobieren jeglicher Anordnungen
herausfinden, oder man versucht rechnerisch an die Sache heran zu gehen. Für den Gebrauch
auf Wasser müsste man eine eigene Teichfolie entwerfen, um dann wieder neue Versuche
starten zu können.
Für die Zukunft lässt sich sagen, dass dieser Luftkissengleiter kein Modell ohne Aussicht ist.
Ein Luftkissengleiter ist ein wichtiges Fahrzeug für die Menschheit und ist an vielen Stellen
der Erde das einzig verwendbare Fortbewegungsmittel (z.B. Everglades in Florida).
Das alles lässt hoffen, dass auch in Zukunft an Luftkissengleitern geforscht und
experimentiert wird, um sie noch effektiver zu machen.
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9. Anhang
r = 29cm
r = 27cm
r = 32cm
r = 25cm
r = 35cm
Abb. 1: Entworfenes Lochmuster für Teichfolie
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Abb.2: Zugeschnittene Holzplatte für
Holzgleiter (d=1m)
Abb. 3: Sitzfläche
Abb. 4: 12V-Autobatterie
Abb.5: Plastikscheibe (d=25cm)
Abb. 6: Elektrische Luftmatratzenpumpen
(12V / blau)
Abb. 7: Elektrische Luftmatratzenpumpen
(12V / gelb)
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Abb. 8: Teichfolie für Styrodurgleiter
(Anordnug nach Anleitung)
Abb. 9: Teichfolie für Holzgleiter
(Anordnung der Löcher nach eigenem
Entwurf)
Abb. 10: Styrodurplatte für Styrodurgleiter
(d=60cm)
Abb. 11: Styrodurgleiter (von unten)
Abb. 12: Fertiggebauter Styrodurgleiter (mit
vier Pumpen)
Abb. 13: Fertiggebauter Holzgleiter
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