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Gleitend zur Impulserhaltung - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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PdN-PhiS 1/58. Jg. 2009

Gleitend zur Impulserhaltung

Versuche mit dem Luftkissengleiter

A. Sperber, F. Fiedler, W. Heuper u. Th. Trefzger

1 ❙ Wie macht man

die Impulserhaltung erlebbar?

● Dies war eine Kernfrage bei der Entwicklung

eines Schülerlabors zur vektoriellen

Mechanik im Rahmen einer Staatsexamensarbeit

[1]. Meist wird die Impulserhaltung

über Stöße auf der Luftkissenfahrbahn

oder mehrdimensional mit Stößen auf dem

Luftkissentisch veranschaulicht.

Auf der Luftkissenfahrbahn können sowohl

elastische als auch inelastische Stöße zwischen

Gleitern unterschiedlicher Masse

durchgeführt werden. Die Geschwindigkeit

der Gleiter vor und nach dem Stoß wird

zum Beispiel mit Cassy 1 und zwei Lichtschranken

bestimmt. Über den Zusammenhang

p = mv wird mithilfe der gewogenen

Masse des Gleiters der Impuls bestimmt.

Diese Experimentieranordnung erlaubt,

ein für Schulverhältnisse sehr genaues

Nachmessen der Impulserhaltung, hat

aber den Nachteil, dass der Vektorcharakter

des Impulses nur durch das Vorzeichen

der Komponente parallel zur Fahrbahn repräsentiert

wird.

Veranschaulicht man den Impuls durch Stöße

auf dem Luftkissentisch, so wird zwar

der Vektorcharakter berücksichtigt, dafür

ist aber die Auswertung des Versuches erschwert.

Eine Möglichkeit der Auswertung

besteht darin, zunächst einen Stoß zwischen

zwei Pucks, deren Masse zuvor bestimmt

wurde, auf Video aufzunehmen

und dann mit einem entsprechenden Auswertungsprogramm

(im Schülerlabor wurde

VIMPS [2,1] verwendet) die Messwerte

zu ermitteln. Der Vorteil des etwas komplexeren

Versuches besteht darin, dass an

einem Stoß sowohl die einzelnen Impulskomponenten

sowie der Gesamtimpuls

untersucht werden können.

1 Cassy steht für Computer Assisted Science SYstem und ist eine

kaskadierbare Messwerterfassung von Leybold für den USB-

Port oder die serielle Schnittstelle. [5]

Abb. 1: Luftkissengleiter

Bei den bisher beschriebenen Versuchen

können die Schülerinnen und Schüler die

Stoßphysik nicht „am eigenen Leibe“ erfahren.

Um dies zu ermöglichen, wurden zwei

Luftkissengleiter gebaut und im Schülerlabor

auf ihre Einsatzfähigkeit hin getestet.

Unter Luftkissengleitern werden hierbei

nicht die kleinen Gleiter für die Luftkissenfahrbahn

verstanden, sondern große Gleiter,

auf denen jeweils eine Person sitzen

kann (siehe Abb. 1). Es wurden zwei Gleiter

gebaut, so dass sich die Möglichkeit des

physikalischen „Autoscooterspielens“ ergibt

und die Schülerinnen und Schüler die Impulserhaltung

unmittelbar spüren können.

Eine Bauanleitung für solche Luftkissengleiter

befindet sich in Kasten 1. Der Gleiter

funktioniert so, dass durch zwei Gebläse ein

Überdruck zwischen der Grundplatte und

der mit entsprechenden Löchern versehenen

Teichfolie erzeugt wird. Wie bei den

oben beschriebenen Versuchen auf Luftkis-

Praxis-Magazin 33

senfahrbahn und Luftkissentisch kann die

Reibung aufgrund der strömenden Luft vernachlässigt

werden.

2 ❙ Einsatz im Unterricht

● Luftkissengleiter sind vielseitig im Unterricht

einsetzbar. Im Folgenden werden Versuche

zu verschiedenen Themenbereichen

vorgestellt:

• Trägheit

Zurückgreifend auf eine Idee von Heuper

[3] werden die Schülerinnen und

Schüler zur Illustration der Trägheit angehalten,

unterschiedlich stark beladene

Gleiter mit den Füßen zu stoppen.

Aus der Beobachtung, dass es wesentlich

schwerer ist, einen stärker beladenen

Gleiter zu stoppen, können die Experimentierenden

leicht Rückschlüsse

auf die Trägheit ziehen. Ferner besteht

die Möglichkeit, an dieser Stelle, wie


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Praxis-Magazin PdN-PhiS 1/58. Jg. 2009

Abb. 2: Tauziehen

vom Karlsruher Physikkurs [4] gefordert,

den Impuls als Wucht zu veranschaulichen

und darzustellen, da er sowohl

mit der Masse als auch mit der Geschwindigkeit

des Gleiters zunimmt.

• Reibung

Ein sehr einfacher Versuch widmet sich

der Reibungsthematik, indem ein Schüler

oder eine Schülerin gebeten wird,

den Gleiter einmal unangeschaltet und

einmal angeschaltet zu bewegen. Weil

die Batterie sehr schwer ist, wird hierbei

schnell deutlich, dass der Gleiter ohne

angeschaltetes Gebläse kaum bewegt

werden kann. Dies kann leicht auf die

Reibung zurück geführt werden.

• Rückstoßprinzip

Bei diesem Versuch sitzt ein Schüler auf

dem Gleiter, und ein anderer wirft ihm

einen Ball zu, dessen Fangen nach dem

Rückstoßprinzip eine Bewegung des

Gleiters nach sich zieht. Diesen Versuch

entwickelten die Schülerinnen und

Schüler eigenständig in der Pause des

Schülerlabors mit Bällen, die für einen

anderen Versuch vor Ort waren. Als besonders

gut geeignet erwiesen sich

Volleybälle.

• Tauziehen

Eine weitere Experimentengruppe ist

das Tauziehen. Hierzu werden zwei

Gleiter benötigt, auf denen je eine Person

Platz nimmt. Die beiden Gleitenden

halten jeweils ein Tauende fest (siehe

Abbildung 2) und ziehen zunächst beide

am Tau. Dies hat zur Folge, dass sich

beide aufeinander zu bewegen. Zieht

hingegen nur eine Person am Tau, hat

dies den gleichen Effekt. Sehr schön veranschaulicht

wird das Grundprinzip actio

gleich reactio, wenn man statt eines

Taus eine lange Feder verwendet, die

dann im Versuch gleichmäßig gedehnt

wird. Der kritische Punkt am Versuch ist

die Belastbarkeit der Feder, da leicht

vergleichsweise große Kräfte auftreten.

• Stöße

Das Ziel beim Durchführen von Stößen

ist, die Impulserhaltung zu veranschaulichen.

Der Impuls vor dem Stoß ist der

des fahrenden Gleiters, nach dem Stoß

die Summe der Impulse der beiden

Gleiter, da nur selten ein Gleiter nach

dem Stoß ruht. Wiederum tritt der Vektorcharakter

des Impulses zu Tage.

Wenn ein Gleiter nach dem Stoß „zurück“

fährt, kann dies als negative Impulskomponente

gedeutet werden.

Beim Durchführen von Stößen kann das

Problem auftreten, dass sich die beiden

Gleiter ineinander verhaken. Dies kann

zwei Ursachen haben: Entweder ist die

Massendifferenz zwischen den beiden

Gleitern so groß, so dass die Gleiterplatten

einen unterschiedlichen Abstand

zum Boden haben. Alternativ kann das

daran liegen, dass die stoßenden Gleiter

eine zu hohe Relativgeschwindigkeit haben.

Arbeitet man also mit langsamen

Gleitern und signifikanter, aber nicht zu

großer Beladungsdifferenz, so kann

man gut Stöße beobachten.

• Zerfallsprozesse

Das Rückstoßprinzip kann unter Nutzung

zweier Gleiter dazu dienen, Zerfallsprozesse

zu simulieren. Beispielsweise

kann man einen ruhenden Kern

mit einem beladenen und das stoßende

Teilchen mit einem leichteren Gleiter

identifizieren. Der Kern emittiert

dann beispielsweise einen Volleyball.

Diese Versuchsreihe wurde an einem

Gymnasium durchgeführt und fand

dort ebenfalls regen Zuspruch.

• Wechselwirkung durch Teilchenaustausch

In der Teilchenphysik werden Wechselwirkungen

durch den Austausch virtueller

Teilchen beschrieben. Dieses

Prinzip kann erfahrbar gemacht werden,

wenn sich zwei Personen, die jeweils

auf einem Gleiter sitzen, einen

Ball hin und her zuwerfen und sich dadurch

voneinander entfernen. Dieser

Versuch wurde in einem Physik-Leistungskurs

und im Rahmen eines Vortrags

für Oberstufenschüler zur Veranschaulichung

durchgeführt und war bei

den Schülern sehr beliebt.

3 ❙ Erfahrungen

● Es muss bei allen Versuchen darauf geachtet

werden, relativ mittig auf dem (auf

der Batterie liegenden) Brett zu sitzen, damit

das Gewicht ungefähr im Zentrum des

Gleiters liegt, ansonsten droht die Person

mit dem Brett umzukippen. Das Gewicht

des Fahrenden kann bis zu 100 kg betragen,

stärker beladene Tests wurden nicht durchgeführt.

Generell sollte man vor den eigentlichen

Versuchen etwas Zeit einplanen,

in der die Schülerinnen und Schüler ihre Balance

beim Gleiten finden können.

Im Schülerlabor war die Begeisterung über

die Luftkissengleiter so groß, dass jede Pause

zum Gleiten genutzt wurde. Auch bei anderen

Veranstaltungen wurden die Gleiter

vom Publikum stark frequentiert, so dass

ein Nachbau dieser Gleiter zur Motivation

der Schülerinnen und Schüler empfehlenswert

erscheint.

Literatur

[1] A. Sperber: Entwicklung und Aufbau eines Schülerlabors

zur vektoriellen Mechanik. Staatsexamensarbeit,

Johannes Gutenberg-Universität

Mainz, 2007.

[2] L.-P. May: Analyse realer Bewegungsvorgänge

im Physikunterricht: Zum Einsatz eines Videomessund

-präsentationssystems mit Anwendungsbeispielen

aus Physik und Sport. Examensarbeit, Johannes

Gutenberg-Universität Mainz, 2001.

[3] W. Heuper: Bauanleitung für einen Luftkissengleiter

(Tragfähigkeit über 100 kg), in A. Sperber:

Entwicklung und Aufbau eines Schülerlabors zur

vektoriellen Mechanik. Staatsexamensarbeit, Johannes

Gutenberg-Universität Mainz, 2007. S.137.

[4] F. Herrmann: Der Karlsruher Physikkurs Teil 1:

Energie, Impuls, Entropie, Aulis 2006.

[5] M. Hund: CASSY Lab-Handbuch, Leybold, 2002.

[6] E. Valadares: Spaß mit Physik - Kreative Experimente

für Schule und Freizeit, Aulis, Köln 2006.

Anschrift der Verfasserin

Anke Sperber, Am Gonsenheimer Spieß 19,

55122 Mainz, E-Mail: anke_sperber@gmx.de


PdN-PhiS 1/58. Jg. 2009

Bauanleitung für einen Luftkissengleiter

Die Grundidee zum Bau der Luftkissengleiter ist Valadares [6] entnommen.

In abgewandelter Form von Heuper [3] diente sie als Vorlage für die im Rahmen

einer Examensarbeit [1] entstandenen Gleiter. Allerdings wurden die Luftkissengleiter

gezielt etwas robuster gebaut um später Stöße damit durchführen

zu können.

Materialien

Siebdruckplatte/ Spanplatte Durchmesser 1 m, etwa 16 mm stark

Teichfolie Durchmesser etwa 1,20 m

Plastikscheibe (Durchmesser etwa 25 cm) (z. B. Plastikteller, flach, ca. 25 cm

Durchmesser, oder ausgeschnittener Boden eines Plastikeimers; es geht aber

auch ein Holzbrett, das man mit der Stichsäge rund schneidet und dessen

Kanten man etwas abrundet)

Schlossschraube M6 mit großer Unterlegscheibe und passender Mutter

Karosserieband/ Gewebeband

2 Gebläse für 12 Volt (zum Beispiel Campingartikel zum Aufpumpen von Luftmatratzen)

Autobatterie

Tacker mit Nadeln (nicht unbedingt nötig)

kleine Holzstücke zum Befestigen der Autobatterie

Bauanleitung

In die Siebdruckplatte werden drei Löcher gebohrt: In der Mitte eines für die

Schlossschraube (Durchmesser 6,5 mm) und daneben in einem Abstand von

etwa 25 cm gemessen von der Mitte des Gleiters zwei für die Gebläse (Lochdurchmesser

entsprechend der Größe des Gebläseluftaustrittes).

Die Teichfolie muss so geschnitten werden, dass sie möglichst gleichmäßig

etwa 2 cm übersteht, damit sie später mit dem Karosserieband und den Tackernadeln

an der Oberseite des Gleiters befestigt werden kann. In der Mitte

der Teichfolie wird die Plastikscheibe befestigt. Diese sorgt dafür, dass sich

beim Einblasen ein ringförmiger Wulst bildet; sie muss gut befestigt sein, damit

die Folie in der Mitte nicht ausreißt. In die Teichfolie werden Löcher in zwei

konzentrischen Kreisen geschnitten. Der erste Lochkreis im Abstand von etwa

5 cm von der Plastikscheibe besteht aus Löchern mit 3 cm Durchmesser, der

zweite im Abstand von 12 cm aus 7 cm großen Löchern. Für eine schematische

Darstellung der Anordnung siehe Abb. A. Die Folie wird nun so befestigt,

dass die Austrittslöcher der Gebläse mittig zwischen zwei Löchern der Folie

liegen. Die Folie wird auf der Oberseite umgeschlagen, mit dem Karosserieband

an der Oberseite fest geklebt und zusätzlich noch an der Holzplatte angetackert.

Nun wird die Plastikscheibe durchbohrt und mit der Schlossschraube

in der Mitte der Unterseite (Folienseite) angebracht. Die Batterie

wird mittig auf die Oberseite gestellt und mit den Gebläsen verbunden. Hierzu

werden die Kontakte an die beiden Metallklammern gelötet und diese mit

der Batterie verbunden. Nun wird die eine Holzplatte mittig auf dem Gleiter

befestigt. Damit die Batterie bei Stößen nicht verrutscht, werden kleine Holzstücke

als Umgrenzung und Stütze angebracht. Zusätzlich wird ein Brett auf

die Batterie gelegt, auf dem die gleitende Person sitzen kann.

Kasten 1: Bauanleitung für den Luftkissengleiter

19 cm

Plastikscheibe

r = 12,5 cm

Abb. A: Gleiter von unten schematisch

Abb. B: Gleiter ohne Batterie

Abb. C: Gleiter von unten

28 cm

Praxis-Magazin 35

Bauanleitung


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Praxis-Magazin PdN-PhiS 1/58. Jg. 2009

Gleitend zur Impulserhaltung – Versuche mit dem Luftkissengleiter

A. Sperber, F. Fiedler, W. Heuper u. Th. Trefzger

Im Artikel wird eine Bauanleitung für Luftkissengleiter gegeben, auf denen

eine Person sitzen kann. Mit ihnen können Schülerinnen und Schüler selbst

Stöße durchführen und damit die Impulserhaltung nachvollziehen. Darüber

hinaus werden Anwendungsmöglichkeiten der Luftkissengleiter zu den

Themen Reibung, Trägheit, Zerfallsprozesse, Rückstoßprinzip und Tauziehen

präsentiert sowie Erfahrungen hierzu aus dem Schülerlabor.

PdN-PhiS x/58, S. xx

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