Warum fliegen Raketen?
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<strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong>?<br />
Jürgen Schnack<br />
Fakultät für Physik – Universität Bielefeld<br />
http://obelix.physik.uni-bielefeld.de/∼schnack/<br />
Kinderuni, 5. März 2010
➠<br />
➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker I<br />
Physiker I<br />
Ich bin Physiker.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 1/39
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker II<br />
Physiker II<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 2/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker III<br />
Physiker III<br />
Physiker untersuchen die<br />
grundlegenden Kräfte der Natur<br />
und fragen sich, was man damit<br />
machen kann.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 3/39
➠<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker IV<br />
Physiker IV<br />
1. Die Gravitation (Schwerkraft)<br />
• Alle Massen ziehen sich an.<br />
• Die Erde zieht uns an; wir fallen nicht herunter (auch<br />
nicht in Australien).<br />
• Galileo Galilei (1564 - 1642) hat die Auswirkungen<br />
der Schwerkraft in Fallexperimenten<br />
untersucht.<br />
• Sterne und Planeten bleiben durch die Gravitation<br />
beieinander und bewegen sich umeinander.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 4/39
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker V<br />
(aus wikipedia.de)<br />
Physiker V<br />
2. Die starke Kraft<br />
• Die starke Kraft hält die Atomkerne zusammen.<br />
• Sie ist die stärkste Kraft, aber wir können sie<br />
nicht spüren, da sie nicht über den Atomkern<br />
hinausreicht!<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker VI<br />
(aus wikipedia.de)<br />
Physiker VI<br />
3. Die schwache Kraft<br />
• Die schwache Kraft lässt manche Atomkerne<br />
zerfallen.<br />
• Der radioaktive β-Zerfall wird durch die<br />
schwache Kraft verursacht.<br />
• Auch die schwache Kraft können wir nicht<br />
spüren.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 6/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Physiker VII<br />
(aus wikipedia.de)<br />
Physiker VII<br />
4. Die elektromagnetische Kraft<br />
• Die elektromagnetische Kraft wirkt auf<br />
elektrische Ladungen.<br />
• Sie ist für den elektrischen Strom (Elektronen im<br />
Draht) verantwortlich.<br />
• Die elektromagnetische Kraft macht auch das<br />
Licht und die Radiowellen und den Blitz.<br />
• Die elektromagnetische Kraft ist auch für chemische<br />
Reaktionen wie das Verbrennen von <strong>Raketen</strong>treibstoff<br />
verantwortlich.<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Heute<br />
Heute:<br />
<strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong>?<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Film<br />
Film: Start des Space Shuttle<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Film<br />
Film: Start des Space Shuttle<br />
<strong>Warum</strong> fliegt die Rakete?<br />
Was treibt sie an?<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment 1<br />
Experiment 1<br />
Was passiert?<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 11/39
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment 1<br />
Experiment 1<br />
Der Skateboardfahrer erfährt<br />
einen Rückstoß!<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment 2<br />
Experiment 2<br />
Was ist der Unterschied?<br />
(Gibt es hier Zwillinge?)<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment 3<br />
Experiment 3<br />
Was ist der Unterschied?<br />
(Gibt es hier jemanden, der ganz stark ist?)<br />
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➠<br />
➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ 1. Zusammenfassung<br />
1. Zusammenfassung<br />
!•Wenn man etwas wegstößt, zum Beispiel einen Medizinball,<br />
erfährt man einen Rückstoß.<br />
• Der Rückstoß ist größer, wenn die weggestoßenen Masse<br />
größer ist.<br />
• Der Rückstoß ist größer, wenn die weggestoßenen Masse<br />
schneller weggestoßen wird.<br />
• Genauso ist das bei <strong>Raketen</strong>. <strong>Raketen</strong> erfahren eine<br />
Rückstoß durch die ausgestoßenen Gase.<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Theorie<br />
Wir machen uns eine Theorie!<br />
Mehr Schmackes<br />
=<br />
mehr Rückstoß!<br />
(Hier wird nicht gelacht! Das ist eine seriöse Theorie!)<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 16/39
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Theorie<br />
Wir machen uns eine Theorie!<br />
Geht es genauer?<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Theorie<br />
Wir machen uns eine Theorie!<br />
Schmackes heißt in der Physik<br />
Impuls<br />
p = m · v<br />
Impuls = Masse mal Geschwindigkeit<br />
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➠<br />
➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Impulserhaltung<br />
p 1<br />
Impulserhaltung<br />
Impulserhaltung: p1 = p2<br />
(aber in die entgegengesetzte Richtung)<br />
p<br />
2<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Impulserhaltung<br />
p 1<br />
Impulserhaltung<br />
p<br />
2<br />
m1 · v1 = m2 · v2<br />
3 kg · 10 m/s = 30 kg · ? m/s<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Impulserhaltung<br />
p 1<br />
Impulserhaltung<br />
p<br />
2<br />
m1 · v1 = m2 · v2<br />
3 kg · 10 m/s = 30 kg · 1 m/s<br />
3 kg · 20 m/s = 30 kg · ? m/s<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Impulserhaltung<br />
p 1<br />
Impulserhaltung<br />
p<br />
2<br />
m1 · v1 = m2 · v2<br />
3 kg · 10 m/s = 30 kg · 1 m/s<br />
3 kg · 20 m/s = 30 kg · 2 m/s<br />
1 kg · 10 m/s = 30 kg · ? m/s<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 22/39
➠<br />
➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Impulserhaltung<br />
p 1<br />
Impulserhaltung<br />
p<br />
2<br />
m1 · v1 = m2 · v2<br />
3 kg · 10 m/s = 30 kg · 1 m/s<br />
3 kg · 20 m/s = 30 kg · 2 m/s<br />
1 kg · 10 m/s = 30 kg · 1<br />
3 m/s<br />
(Ihr seid super!)<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete<br />
<strong>Warum</strong> fliegt die Rakete?<br />
Könnt Ihr das jetzt erklären?<br />
Was treibt die Rakete an?<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete<br />
<strong>Warum</strong> fliegt die Rakete?<br />
Treibstoff verbrennt<br />
Gase (Teilchen) werden ganz<br />
schnell weggestoßen<br />
Impulserhaltung!<br />
Rakete bekommt Rückstoß<br />
Man braucht viel Treibstoff, weil die<br />
Gasteilchen nur eine ganz kleine Masse<br />
haben und die Rakete eine so große Masse<br />
hat.<br />
Außerdem: Erdanziehung, Reibung.<br />
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment<br />
Film und Experiment: Schub<br />
<strong>Raketen</strong>ingeneure rechnen<br />
nicht nur,<br />
sondern messen auch.<br />
Schub ist der Gesamteffekt<br />
der ausgestoßenen Teilchen.<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Experiment<br />
Film und Experiment: Schub<br />
Kraft eines Triebwerks<br />
kann durch<br />
Zusammendrücken einer<br />
Feder gemessen werden.<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ 2. Zusammenfassung<br />
2. Zusammenfassung<br />
!•Physiker haben den Impuls erfunden. ∗<br />
• p = m · v<br />
• Wenn zwei Teile sich voneinander abstoßen, ist ihr Impuls<br />
gleich groß und zeigt in entgegengesetzte Richtung.<br />
• Damit kann man ausrechnen, welchen Rückstoß zum Beispiel<br />
eine Rakete erhält.<br />
• Wer kennt noch andere Dinge, die so ähnlich funktionieren?<br />
( ∗ Physiker sind einfach großartig.)<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 28/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete lenken<br />
Rakete lenken<br />
Was passiert?<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete lenken<br />
Rakete lenken<br />
Genau! Immer an den Rückstoß<br />
denken.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 30/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete lenken<br />
Rakete lenken<br />
Habt Ihr das auch wirklich<br />
verstanden?<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 31/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Rakete lenken<br />
Rakete lenken<br />
O.k., ich frag nicht weiter.<br />
Wir probieren das jetzt aus.<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Hausaufgabe<br />
Hausaufgabe: Backpulverrakete<br />
Testet die Backpulverrakete<br />
Aber vorsicht!<br />
Beachtet die Anleitung!<br />
Die <strong>Raketen</strong> bekommt Ihr von einem Kinderzeitschriftenverlag – Blue Ocean<br />
Entertainment AG – geschenkt. Ich hatte sie in der Zeitschrift Frag doch mal die<br />
Maus entdeckt.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 33/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Ionenantrieb<br />
Andere Antribe: Ionenantrieb<br />
Die Ionen sind allerdings leider klein und langsam.<br />
Ionenantriebe verbrennen<br />
nichts, sie beschleunigen<br />
stattdessen elektrisch geladene<br />
Teilchen (Ionen).<br />
Dazu gibt es auch ein<br />
Experiment.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 34/39
➠<br />
➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Photonenantrieb<br />
Photonenantrieb<br />
Licht besteht auch aus Teilchen (Photonen) und hat einen Impuls.<br />
(Albert Einstein)<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 35/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Warp<br />
Warp-Antrieb<br />
Das erklär ich Euch jetzt nicht. Irgendetwas müsst Ihr ja auch noch im Studium<br />
machen.<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 36/39
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➡<br />
➡ ➠ ❐ ? ✖ Dank<br />
Fakultät für Physik<br />
Vielen Dank an meine Mitstreiter<br />
• Arbeitsgruppe: H. Litschewsky, M. Höck, S. Leiding,<br />
R. Schnalle, J. Ummethum, O. Wendland, . . .<br />
• Alke Rabow, Hans Bartels<br />
• Service Center Medien<br />
• SchülerInnen-Büro<br />
• Frag doch mal die Maus, www.blue-ocean-ag.de<br />
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Vielen Dank für die Aufmerksamkeit<br />
Und Euch allen:<br />
Vielen Dank für Eure<br />
Aufmerksamkeit<br />
(Ihr habt’s geschafft!)<br />
Jürgen Schnack, <strong>Warum</strong> <strong>fliegen</strong> <strong>Raketen</strong> 38/39
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➡ ➠ ❐ ? ✖ Links und Literatur<br />
Links und Literatur<br />
• Homepage Jürgen Schnack<br />
http://obelix.physik.uni-bielefeld.de/∼schnack/<br />
• Teutolab Bielfeld<br />
http://www.teutolab.de/<br />
• Wikipedia<br />
http://www.wikipedia.de/<br />
• Was ist was, Band 16, Planeten und Raumfahrt<br />
• Webseiten der NASA<br />
http://www.nasa.gov/<br />
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