PDF, 2,54 MB - Fachhochschule Düsseldorf
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FH D<br />
<strong>Fachhochschule</strong> <strong>Düsseldorf</strong><br />
University of Applied Sciences<br />
Freihandversuche<br />
zur<br />
Kinderfachhochschule<br />
Eine Sammlung naturwissenschaftlicher Experimente<br />
• für Kinder zu verstehen •<br />
• für Kinder durchzuführen •<br />
Ergänzungsmaterial zum Workshop „Physik zum Fahrrad“
Freihandversuche<br />
zur<br />
Kinderfachhochschule<br />
Akustik<br />
Mechanik<br />
Strömungsmechanik<br />
Thermodynamik<br />
Optik<br />
Mathematik<br />
Lötanleitung<br />
Formelsalat<br />
Gesammelt von<br />
Frank Kameier<br />
Philipp Mikikis<br />
Stefanie Thiele<br />
Umut Yaya<br />
Eine Zusammenstellung von<br />
Experimenten<br />
Ergänzungsmaterial zum Workshop „Physik zum Fahrrad“<br />
© FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/
Mit den Quellenangaben wurde sorgfältig verfahren. Sofern keine Quelle genannt ist, hat<br />
das Erstsemesterprojekt „Physik zum Fahrrad“, Fachbereich Maschinenbau und<br />
Verfahrenstechnik, Wintersemester 2010/11, das Experiment formuliert.<br />
Die Vervielfältigung der Unterlagen wurde unterstützt von<br />
der Stiftung Begabtenförderung <strong>Düsseldorf</strong>,<br />
der Landeshauptstadt <strong>Düsseldorf</strong>, Competence Center Begabtenförderung (CCB),<br />
sowie der <strong>Fachhochschule</strong> <strong>Düsseldorf</strong>, University of Applied Sciences<br />
<strong>Düsseldorf</strong>, im April 2011<br />
verantwortlich<br />
Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier<br />
<strong>Fachhochschule</strong> <strong>Düsseldorf</strong><br />
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik<br />
Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik<br />
Kompetenzplattform „Sound and Vibration Engineering (SAVE)“<br />
Josef-Gockeln-Str. 9<br />
40474 <strong>Düsseldorf</strong><br />
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de<br />
frank.kameier@fh-duesseldorf.de<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
2
Akustik - Schallwellen - Ausbreitung mit 340 m/s<br />
Material<br />
Luftballon und Mehl oder Kreidestaub, Nadel<br />
Durchführung<br />
Man füllt einen Luftballon mit Mehl und bläst ihn auf. Die Beobachter stehen mindestens 30<br />
m entfernt, wenn der Luftballon mit einer Nadel zum Platzen gebracht wird.<br />
Erklärung<br />
Der Schall braucht mehr Zeit, um sich auszubreiten als das Licht, daher sieht man die<br />
Mehlwolke bevor man das Geräusch hört.<br />
Die Ausbreitung in Luft erfolgt mit etwa 340 m/s Schallgeschwindigkeit.<br />
Licht breitet sich mit 300.000 km/s aus.<br />
Akustik - Schallwellen – Reflexion – Sprachrohr (Megaphon)<br />
Material<br />
Bogen Pappe<br />
Durchführung<br />
Man rollt den Bochen Pappe zu einem Trichter und spricht zu einer entfernten Person.<br />
Erklärung<br />
Im Sprachrohr wird der Schall an den Wänden reflektiert und so zur großen Öffnung<br />
geleitet, dass es zu einer wirkungsvollen Schallabstrahlung nach vorne kommt, die auch als<br />
Verstärkung wahrgenommen wird.<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
3
Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Bechertelefon<br />
Material<br />
2 Plastikbecher Schnur (5m), mind. 2 Personen<br />
Durchführung<br />
Man bohrt in die Böden der zwei Becher kleine Löcher. Die Enden der Schnur werden<br />
durch diese Löcher geschoben und verknotet, sodass sie nicht durch rutschen können.<br />
Dann wird die Schnur straff gespannt. Die eine Person spricht in den einen Becher, die<br />
zweite auf der anderen Seite hält den Becher an das Ohr.<br />
Erklärung<br />
Die Schallschwingungen der menschlichen Stimme bringen auch den Boden des Bechers<br />
zum Schwingen. Diese Schwingung überträgt sich auf die Schnur und geht so auf den<br />
zweiten Becher über. Damit ist die Stimme zu hören. Dieses „Telefon“ funktioniert nur,<br />
wenn die Schnur gerade und straff gespannt ist.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
4
Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Um die Ecke hören<br />
Material<br />
Eieruhr, der Akustikkoffer<br />
Durchführung<br />
Man stellt eine Eieruhr hinter den aufgestellten Koffer. Wenn der Wecker hinter dem Koffer<br />
abgeht, hört man das Geräusch trotzdem, obwohl es keinen direkten Kontakt gibt.<br />
Erklärung<br />
Dadurch, dass die Hindernisse in unserem Alltag im Meterbereich liegen und die<br />
Wellenlänge des Schalls auch, kann der Schall gebeugt werden. Somit können wir um die<br />
Ecke hören.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
5
Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Richtungshören<br />
Material<br />
Schlauch, Versuchspartner<br />
Durchführung<br />
Man hält einen Schlauch mit dem einen Ende an das eine Ohr und mit dem zweiten Ende<br />
an das andere Ohr. Dann klopft ein Versuchspartner mit dem Finger auf den Schlauch und<br />
man muss raten, aus welcher Richtung das Geräusch kommt. Idealerweise markiert man<br />
vorher die Mitte des Schlauches (z.B. mit einem Stück Schnur).<br />
Erklärung<br />
Man hört das Geräusch zuerst links bzw. rechts, weil der Schall weniger Weg zum<br />
entsprechenden Ohr zurücklegen muss.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
6
Akustik - Schwingungen – Wellenlänge - Flöte unter Wasser<br />
Material<br />
Flöte, Becher oder Weinglas, Wasser<br />
Durchführung<br />
Alle Löcher der Flöte werden mit den Fingern verschlossen. Dann wird sanft in die Flöte<br />
hinein geblasen, ein einfacher tiefer Ton ist zu hören. Nun atmet man tief ein und bläst in<br />
die Blockflöte, während man sie immer tiefer in das Wasser taucht. Wie verändert sich die<br />
Tonhöhe? Dann atmet man nochmals tief ein und bläst während man die Flöte wieder<br />
langsam aus dem Wasser zieht. Wie verändert sich nun der Ton?<br />
Erklärung<br />
Wenn man in die Blockflöte bläst, schwingt die darin befindliche Luft und erzeugt einen<br />
Ton. Die Höhe hängt von der Länge der Luftsäule im Inneren der Flöte ab. Wenn man<br />
diese nun in das Wasser eintaucht, steigt das Wasser im Inneren auf und verkürzt die<br />
Luftsäule. Der Ton wird damit höher. Entsprechend wird der Ton wieder tiefer, wenn sich<br />
die Luftsäule verlängert, weil die Flöte wieder aus dem Wasser gezogen wird.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
7
Akustik - Schwingungen – Ausbreitungsrichtung - Eieruhr–Trick<br />
Material<br />
2 Kunststofftrichter, Plastikschlauch, Eieruhr<br />
Durchführung<br />
Die Trichter werden auf die Schlauchenden gesteckt, die Uhr wird in ca. 2m Entfernung auf<br />
den Boden gelegt. Eine Person hält den einen Trichter über die Uhr, während die andere<br />
Person den anderen Trichter an das Ohr hält. Das „Tick –Tack“ der Uhr ist deutlich zu<br />
hören, der Schall wird durch den Schlauch weitergeleitet.<br />
Erklärung<br />
Normalerweise breiten sich Schallwellen in alle Richtungen aus, dabei gehen leise<br />
Geräusche schnell verloren. Wenn aber alle Schallwellen in eine bestimmte Richtung<br />
gelenkt werden, wie es beim Trichter und dem Schlauch der Fall ist, sind auch diese leisen<br />
Töne zu hören.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
8
Akustik - Geräuscherzeugung – Die Papierpistole<br />
Material<br />
1 Blatt Papier<br />
Durchführung<br />
Zuerst faltet man das Papier der Länge nach in der Mitte und öffnet es wieder. Danach<br />
faltet man alle 4 Ecken nach innen, sodass eine Seite davon an der ersten Falzlinie anliegt.<br />
Man faltet das Papier der Länge nach in der Mitte, dann in der Breite und schließlich öffnet<br />
man es wieder. Man faltet die am weitesten entfernte Ecke dem Mittelfalz entlang nach<br />
unten. Man falzt das Papier der bereits bestehenden Mittellinie entlang, aber in der anderen<br />
Knickrichtung. Man hält die beiden spitzen Enden zwischen 2 Fingern und bewegt die<br />
„Pistole“ scharf nach unten, sodass der Innenteil unter einem heftigen Knall nach außen<br />
schießt.<br />
Erklärung<br />
Durch den schnellen Luftzug wird das Papier nach außen gedrückt, die Schalldruckwelle<br />
breitet sich rasch aus und die in Schwingung versetzte Luft erzeugt ein Geräusch (Knall).<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
9
Akustik - Geräuscherzeugung – Schwirrholz<br />
Material<br />
1 Holzlineal, 1 Stück Schnur 1,5m<br />
Durchführung<br />
In das Loch am einen Ende des Lineals, wird das Stück Schnur gesteckt und verknotet.<br />
Das freie Ende der Schnur wird festgehalten und das Holz um den Kopf gewirbelt.<br />
Erklärung<br />
Ab einer gewissen Geschwindigkeit wird das Holzstück derart angeströmt, dass sich<br />
periodische Wirbel ablösen und damit ein merkwürdiger dröhnender Laut erzeugt wird.<br />
Dieser wird umso lauter, je schneller das Holz gedreht wird, auch die Tonhöhe verändert<br />
sich.<br />
Anströmung Zylinder Wirbelstraße erzeugt<br />
oder Rechteckprofil Druckschwankung<br />
Alternativ kann man auch ein Kabel von einem elektrischen Gerät verwenden, an dem man<br />
nichts verändern muss und schwingt dieses rotierend durch die Luft – Vorsicht:<br />
Sicherheitsabstand halten.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
10
Akustik - Geräuscherzeugung – Visualisierung von Schallwellen<br />
Material<br />
5 Murmeln<br />
Durchführung<br />
Man ordnet vier Murmeln in einer Reihe an und stößt die Fünfte so an, dass sie auf das<br />
hintere Ende der Reihe stößt. Jede Murmel gibt den Stoß weiter. Wenn die letzte Kugel den<br />
Stoß erhält, rollt sie weg.<br />
Erklärung<br />
Bei einem Ton oder Geräusch stoßen winzige Luftteilchen aneinander. Die angeregten<br />
Teilchen geben dabei einen Teil ihres Impulses an ihre Nachbarn weiter. Auf diese Weise<br />
können sich Schallwellen fortpflanzen, ohne dass die Teilchen selbst über große Strecken<br />
bewegt werden. Sie schwingen beim Schall um ihre Ruhelage nur leicht hin und her,<br />
bleiben aber eigentlich an Ort und Stelle.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
11
Akustik – Schallausbreitung – Körperschall - Töne in unserem Kopf<br />
Material<br />
2 Löffel, Schnur<br />
Durchführung<br />
Die Löffel werden in der Mitte einer längeren Schnur verknüpft und leicht aneinander<br />
geschlagen. Man hört dabei ein helles Klingeln. Wenn nun die beiden Enden der Schnur<br />
fest an die Ohren gepresst und die Löffel nochmals angeschlagen werden, verändert sich<br />
der Klang.<br />
Erklärung<br />
Da die Schallwellen nicht den Umweg über die Luft nehmen müssen, werden sie viel lauter<br />
und anhaltender gehört. Die Ausbreitung über die Schnur (Körperschall) ist schneller und<br />
die Dämpfung ist daher geringer.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
12
Akustik – Schallausbreitung – Körperschall - Kleiderbügelglocke<br />
Material<br />
1 Kleiderbügel, 2 Stück Zwirn<br />
Durchführung<br />
Um die Enden des Kleiderbügels werden die Zwirnstücke gewickelt, die Endstücke des<br />
Zwirns werden um die Zeigefinger gewickelt. Mit den Zeigefingern hält man sich die Ohren<br />
zu. Dann schlägt man den Kleiderbügel an einen festen Gegenstand (Tisch etc.) und hört<br />
einen glockenähnlichen Ton.<br />
Erklärung<br />
Die Schwingungen übertragen sich vom Kleiderbügel auf den Zwirn, weiter auf die Knochen<br />
der Finger, den Schädelknochen und von dort auf das Innenohr – ein glockenähnlicher Ton<br />
ist zu hören. Der Grund dafür ist, dass sich der Schall in festen Materialien wesentlich<br />
schneller ausbreitet als in Luft. (Vergleiche auch Versuch „Töne in unserem Kopf“).<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
13
Akustik – Schallerzeugung – das Trinkhalm–Rohrblatt<br />
Material<br />
1 Strohhalm<br />
Durchführung & Erklärung (1)<br />
Ein Ende des Halmes wird abgeflacht und die beiden Ecken werden abgeschnitten. Wenn<br />
man nun das abgeschnittene Ende zwischen die Lippen hält und leicht bläst, bringt die Luft<br />
die „Zungen“ des Strohhalms zum Schwingen. Diese Schwingung setzt sich durch den<br />
Halm fort und erzeugt einen Ton. Dieser verändert sich mit der Länge des Halms.<br />
Durchführung & Erklärung (2)<br />
In der Mitte des Strohhalms wird ein Einschnitt gemacht. Damit kann der Halm auf und<br />
nieder gebogen werden. Somit verändern sich die Länge der Luftsäule und die Tonhöhe.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
14
Akustik – Schallerzeugung – Gartenschlauchposaune<br />
Material<br />
Schlauch<br />
Durchführung<br />
Man spitzt die Lippen und bringt sie nahe am Schlauchende zum Vibrieren. Die Luft wird<br />
durch den Schlauch geblasen, es entstehen Schwingungen und nicht sehr „musikalische“<br />
Töne, deren Höhe sich ändert, wenn man die Lippen mehr oder weniger fest<br />
zusammenpresst.<br />
Erklärung<br />
Die durch das Blasen in Schwingung versetzte Luft verursacht verschiede Töne.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
15
Akustik – Schallerzeugung – Was ist in der Schachtel?<br />
Material<br />
mehrere kleine Filmdosen, Reiskörner, Knöpfe, Murmeln etc.<br />
Durchführung<br />
Jeweils eine Gruppe von Gegenständen wird in eine Dose gegeben und diese dann<br />
verschlossen. Man schüttelt die Schachteln und soll dann den Inhalt der Schachteln<br />
erraten.<br />
Erklärung<br />
Jedes Material verursacht ein anderes Geräusch in der Dose (wegen unterschiedlicher<br />
Masse, Dichte, Oberfläche, etc.)<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
16
Akustik – Schallerzeugung – Plastikflaschenmusik<br />
Material<br />
1 Plastikflasche (0,5l)<br />
Durchführung<br />
Man befüllt eine Plastikflasche mit Wasser (ca. halb voll). Dann bläst man in die Flasche,<br />
sodass ein Ton entsteht. Leert man dann etwas Wasser aus, und bläst wiederum in die<br />
Flasche, ergibt sich ein anderer Ton.<br />
Erklärung<br />
An der Flaschenöffnung bilden sich beim Überblasen Wirbel (breitbandiges Rauschen), ein<br />
Teil dieses Geräusch wird durch das Resonanzvolumen (Luft in der Flasche) verstärkt.<br />
Ändert man die Füllmenge in der Flasche, so ändert sich das Volumen des Resonators<br />
(Helmholtz-Resonator).<br />
Helmholtz-Resonator<br />
f<br />
�<br />
a<br />
2�<br />
V<br />
�r<br />
2<br />
�l��r/ 2�<br />
c Anström.<br />
c Anström.<br />
tiefe Frequenz<br />
hohe Frequenz<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
17
Akustik – Schwingungen – Visualisierung - Tanzende Reiskörner<br />
Material<br />
Reiskörner, Tamburin<br />
Durchführung<br />
Variante 1:<br />
Man legt ein paar Reiskörner auf die Tamburinbespannung und schlägt das Tamburin leicht<br />
an.<br />
Variante 2:<br />
Man richtet den Gartenschlauch auf die Membran (das Trommelfell). Ein Versuchspartner<br />
bläst in das andere Schlauchende und versucht die Luftsäule so zum Schwingen<br />
anzuregen, dass die Reiskörner auf der Membran springen.<br />
Erklärung<br />
Die Schwingungen des Trommelfells bewirken, dass die Reiskörner „zu tanzen“ beginnen.<br />
Wenn die Eigenfrequenz der Reiskörner durch die Tamburinschwingungen getroffen wird,<br />
kommt es zur Maximierung der Schwingungsamplitude – man spricht von Resonanz.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
18
Akustik – Schallausbreitung – Gehörtest (1)<br />
Material<br />
1 Reiskorn, 1 Lineal, Versuchspartner, ruhige Umgebung<br />
Durchführung<br />
Man stellt sich mit dem Rücken zum Tisch, der Versuchspartner lässt das Reiskorn immer<br />
aus einer Höhe von ca. 10cm auf den Tisch fallen (mit Lineal überprüfen). Man gibt<br />
Bescheid, wenn man das Reiskorn auf den Tisch fallen gehört hat. Dann entfernt man sich<br />
2m und der Partner lässt das Reiskorn wieder fallen. Das wiederholt man so lange, bis man<br />
das Reiskorn nicht mehr hört. Wechselt man sich ab, wird man eine unterschiedliche<br />
Empfindlichkeit des Gehörs feststellen.<br />
Erklärung<br />
Die Ausbreitung des Schalls bzw. das „Hörerlebnis“ genügt dem quadratischen<br />
Zusammenhang von Fläche und Radius einer Kugel, da sich Schall normalerweise auf<br />
Kugeloberflächen ausbreitet. Bei doppelter Entfernung ist nur noch ein Viertel der<br />
Schallintensität vorhanden.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
19
Akustik – Schallausbreitung – Gehörtest (2)<br />
Material<br />
1 Stimmgabel<br />
Durchführung & Erklärung<br />
Setzt man den Griff einer schwingenden Stimmgabel auf die Mitte des Kopfes, lokalisiert<br />
ein Mensch mit einseitiger Luftleitungsschwerhörigkeit (z.B. durch eine<br />
Mittelohrerkrankung) die Stimmgabel zur kranken Seite hin. Man kann dies als Gesunder<br />
simulieren, indem man ein Ohr zuhält und den Versuch durchführt. Bei Innenohrschwerhörigkeit<br />
wird der Ton zur gesunden Seite hin lokalisiert, weil das kranke Ohr den<br />
Ton leiser hört.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
20
Akustik – Schwingungen – Visualisierung<br />
Material<br />
1 Weinglas, Zwirn, 1 Knopf, Schlagzeugstick<br />
Durchführung<br />
Den Knopf mit dem Zwirn so an den Stiel des Glases binden, dass er am Rand des Glases<br />
hängt. Mit den Fingerspitzen der einen Hand das Glas am Boden halten und mit einem<br />
Schlagzeugstick an die äußere Wand des Glases schlagen, so dass es einen Ton von sich<br />
gibt. Solange der Ton anhält, wird der Knopf an der Glaswand herumspringen.<br />
Erklärung<br />
Die Schwingungen des Glases werden auf den Knopf übertragen.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
21
Akustik – Schallausbreitung – Schwingende Gläserresonanz<br />
Material<br />
2 Weingläser, 1 Stück Draht, Wasser<br />
Durchführung<br />
Die beiden Weingläser werden auf genau die gleiche Höhe zu ¾ mit Wasser gefüllt und in<br />
geringem Abstand zueinander aufgestellt. Auf das eine Glas wird das Drahtstück gelegt.<br />
Das Glas ohne Draht wird mit einem feuchten Finger in Schwingung versetzt. Der Draht auf<br />
dem anderen Glas beginnt zu vibrieren.<br />
Erklärung<br />
Durch die Schallwellen der Luft werden die Schwingungen des ersten Glases auf das<br />
zweite übertragen.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
22
Akustik – Schallausbreitung – Stimmgabelversuch<br />
Material<br />
Stimmgabel, 1 Glas Wasser<br />
Durchführung<br />
Auch die Schwingungen einer Stimmgabel kann man sichtbar machen, zum Beispiel mit<br />
einem Glas Wasser. Man hält die angeschlagene Stimmgabel mit den Fingern fest und<br />
nähert sie dem Wasser. Die Schwingungen pflanzen sich auch auf der Wasseroberfläche<br />
fort. Wenn man die Stimmgabel eintaucht, spritzt das Wasser richtig auf.<br />
Erklärung<br />
Das Wasser wird von den Schwingungen der Stimmgabel bewegt.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
23
Akustik – Schallerzeugung – Linealmusik<br />
Material<br />
1 Plastiklineal<br />
Durchführung<br />
Man legt das Lineal auf einen Tisch und hält es dabei so fest, dass es zur Hälfte über die<br />
Tischkante hinausreicht. Nun lässt man das freie Ende des Lineals schwingen, indem man<br />
es anschlägt. Dann verschiebt man es zur Tischmitte hin, sodass nur noch ein kurzes Stück<br />
über die Tischkante hinausragt. Dann wird es wieder angeschlagen. Dasselbe macht man,<br />
wenn ¾ des Lineals über die Tischkante reichen.<br />
Erklärung<br />
Durch das Anschlagen versetzt man das Lineal in Schwingung, die schwingende Luft und<br />
das aufprallende Lineal auf dem Tisch, lassen „Musik“ ertönen. Je kürzer das frei<br />
bewegliche Linealstück ist, desto höher ist der erzeugt Ton.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
24
Akustik – Schallerzeugung – Gläserxylophon<br />
Material<br />
2 Weingläser, Wasser, 1 Löffel<br />
Durchführung<br />
Zwei Gläser werden unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt. (Wenn mehr Gläser zur<br />
Verfügung stehen, kann eines der Gläser leer bleiben). Nun schlägt man mit einem Löffel<br />
sachte an die Seite der Gläser. Wenn das Glas angeschlagen wird, wird dabei das darin<br />
befindliche Wasser in Schwingung versetzt. Je mehr Wasser vorhanden ist, desto tiefer ist<br />
der Ton.<br />
Erklärung<br />
Durch die verschieden hohen Wasserstände hat jedes Glas seine eigene Tonhöhe.<br />
Dadurch lassen sich sogar Melodien spielen. Mehr Wassermasse bedeutet niedrigere<br />
Schwingungsfrequenzen und damit tiefere Töne.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
25
Akustik – Schallerzeugung – singendes Weinglas<br />
Material<br />
1 Weinglas, Wasser<br />
Durchführung<br />
In ein Weinglas wird ca. 1cm Wasser eingefüllt, den Fuß des Glases hält man mit der einen<br />
Hand, mit dem befeuchteten Zeigefinger der anderen Hand streicht man vorsichtig über<br />
den Rand des Glases. Durch stärkeres oder schwächeres Aufdrücken kann man das Glas<br />
irgendwann zum „Singen“ bringen – ein klarer Ton ist zu hören. Durch verschiedene<br />
Wassermengen lässt sich die Tonhöhe im Glas variieren.<br />
Erklärung<br />
Durch die verschieden hohen Wasserstände hat jedes Glas seine eigene Tonhöhe. Dies<br />
wird durch Resonanz erreicht (man „erwischt“ durch die Handbewegung die Eigenfrequenz<br />
des Glases).<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
26
Akustik – Strömungsgeräusche<br />
Material<br />
1 Schnecke, alternativ funktioniert auch eine Tasse, das zweite Ohr muss man sich dann<br />
aber zuhalten<br />
Durchführung<br />
Man hält sich die Schnecke ans Ohr und hört das Meer bzw. sein Blut rauschen.<br />
Erklärung<br />
Durch die besonders gute Schallübertragung im Körper ist das Rauschen des Blutes zu<br />
hören.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
27
Akustik – Schallerzeugung – Stimmgabelresonanz<br />
Material<br />
Zwei Stimmgabeln und eine Kachel<br />
Durchführung<br />
Wir bringen zwei gleiche Stimmgabeln zum Schwingen. Eine davon setzen wir auf eine<br />
Kachel.<br />
Erklärung<br />
Durch die Resonanz hören wir den Ton der Stimmgabel relativ laut, weil die Kachel<br />
mitschwingt.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
28
Akustik – Schallerzeugung – Körperschall<br />
Material<br />
Stimmgabel<br />
Durchführung<br />
Variante 1<br />
Man nimmt die Stimmgabel, schlägt sie an und hält sie gegen das Ellbogengelenk, wobei<br />
die Hand ein Ohr berührt. Der Klang der Stimmgabel ist deutlich zu hören.<br />
Variante 2<br />
Man hält die schwingende Stimmgabel gegen die Ferse und hält sein Knie gegen das Ohr<br />
(siehe Foto). Der Klang der Stimmgabel ist deutlich zu hören.<br />
Erklärung<br />
Der Klang der Stimmgabel wird über den Körper (Knochen) sehr gut zum Ohr übertragen,<br />
die Schallgeschwindigkeit in den Knochen ist deutlich höher als in Luft.<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
29
Akustik – Leistung der Ohrmuschel<br />
Material<br />
Reis, zwei Pappstreifen<br />
Durchführung<br />
Streue einige Reiskörner auf den Tisch und versuche diese mit einer rechteckigen<br />
Pappröhre zusammen zu schieben („einzufangen“). Streue erneut einige Reiskörner auf<br />
den Tisch und schiebe die Körner mit einem Pappstreifentrichter zusammen („fange die<br />
Körner“).<br />
Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006<br />
Erklärung<br />
Schall muss gebündelt oder „eingefangen“ werden. Mit einer großen Eintrittsfläche lassen<br />
sich die Schallwellen besser „einfangen“. Gebündelt treten die Schallwellen ins Innenohr<br />
ein.<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
30
Akustik – Schwingungen spüren<br />
Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006<br />
Material<br />
Kamm, Papier (Seidenpapier oder Butterbrotpapier)<br />
Durchführung<br />
Falte ein Stück Papier über die Zähne eines Kamms. Halt dann deine Lippen gegen die so<br />
verdeckten Zähne des Kamms. Summe nun einen Ton, pass aber auf, dass das Papier<br />
nicht feucht wird. Was spürst du? Kannst du das erklären?<br />
Erklärung<br />
Man spürt ein Kribbeln an den Lippen. Durch das Summen, also durch strömende Luft,<br />
werden das Papier und die Zähne des Kamms in Schwingungen versetzt. Mit dem Kamm<br />
lassen sich so auch Töne erzeugen.<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
31
Akustik – Schwingungen visualisieren<br />
Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006<br />
Material<br />
Stuhl, Springseil<br />
Durchführung<br />
Befestige das Seil an der Rückenlehne eines Stuhls. Gehe mit dem anderen Ende des<br />
Seils etwas zurück, halte es fest und schwinge das Seil auf und ab. Wie nennt man die<br />
Schwingungsform?<br />
Erklärung<br />
Man sieht die Seilwellen als „Sinus-Wellen“ (periodische, gleichmäßig wiederkehrende<br />
Form) entlang des Seiles wandern. Bei Schallwellen schwingen Luftteilchen hin und her.<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
32
Mechanik – Punktmechanik, freier Fall von Kartonkarten<br />
Material<br />
2 Kartonkarten DIN A5 (Ansichtskarten)<br />
Durchführung<br />
Zwei Karten werden gleichzeitig, aus gleicher Höhe losgelassen, während die eine<br />
horizontal zum Boden, die andere vertikal zum Boden gehalten wird.<br />
Beobachtung<br />
Die horizontal zum Boden gehaltene Karte braucht länger als die senkrechte.<br />
Bemerkung<br />
Den Einfluss des Luftwiderstandes kann man noch deutlicher zeigen, indem man die<br />
beiden Karten präpariert. Man klebt eine Münze in die Mitte der ersten Karte und eine<br />
Münze in die Nähe der kürzeren Kante der zweiten Karte.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
33
Mechanik - Messung der menschlichen Reaktionszeit<br />
Material<br />
Langes Lineal, Maßstab, Versuchsperson<br />
Durchführung<br />
Die Versuchsperson hält eine Hand nach vorne. Nun wird das Lineal so gehalten, dass die<br />
Nullmarkierung mit dem Zwischenraum Daumen – Zeigefinger abschließt. Jetzt lässt man<br />
das Lineal plötzlich los. Man liest die Fallhöhe (die zurückgelegte Strecke) am Lineal ab,<br />
trägt das Ergebnis in eine Tabelle ein und bestimmt daraus die Reaktionszeit.<br />
Beobachtung<br />
Das Lineal fällt nach unten, der Versuchsperson gelingt es erst nach ungefähr 20 bis 30 cm<br />
das Lineal zu fassen. Die Zeit, die dabei vergeht, wird Reaktionszeit genannt.<br />
(Reaktionszeiten können in der Tabelle abgelesen werden.)<br />
Erklärung<br />
Im freien Fall bewegt sich das Lineal mit einer konstanten Beschleunigung, die der<br />
Erdbeschleunigung entspricht. Aus dem Weg-Zeitgesetz s=1/2 g * t² kann man nach t<br />
aufgelöst die Reaktionszeit berechnen. Dabei verwenden wir für g = 9,81 ms -2<br />
Weg [cm] 8 9 10 11 12 13 14<br />
Zeit [sec.] 0,128 0,135 0,143 0,150 0,156 0,163 0,169<br />
Weg [cm] 15 16 17 18 19 20 21<br />
Zeit [sec.] 0,175 0,181 0,186 0,192 0,197 0,202 0,207<br />
Weg [cm] 22 23 24 25 26 27 28<br />
Zeit [sec.] 0,212 0,217 0,221 0,226 0,230 0,235 0,239<br />
Weg [cm] 29 30 31 32 33 34 35<br />
Zeit [sec.] 0,243 0,247 0,251 0,255 0,259 0,263 0,267<br />
Bemerkung<br />
Dieses Experiment würde sich hervorragend als Einstiegsexperiment eignen, da es<br />
Wettbewerbscharakter hat: Wer hat die kürzeste Reaktionszeit? Spielregeln sollten aber<br />
vorher festgesetzt werden, um eventuelle Streitigkeiten zu verhindern. Eine Möglichkeit<br />
wäre auch anstatt des Lineals einen Geldschein zu nehmen mit der Behauptung, dass ein<br />
Fangen des Geldscheins, wenn der Versuchsaufbau der gleiche bleibt und die<br />
Versuchsperson den Daumen in der Mitte positioniert, unmöglich ist. Weiters sollten<br />
SchülerInnen darauf hingewiesen werden, dass sich die Reaktionszeit im Straßenverkehr<br />
auf Grund der äußeren Einflüsse, wie verschiedene Medikamente, Drogen und Alkohol<br />
verlängert.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät,<br />
Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität<br />
Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
34
Mechanik- Vergleich: waagrechter Wurf – waagrechte gleichförmige Bewegung<br />
Material<br />
2 gleiche Kugeln, Brett, Tisch, Wand<br />
Durchführung<br />
Beide Kugeln werden gleichzeitig in Bewegung gesetzt. Kugel K1 beschreibt eine<br />
waagrechte gleichförmige Bewegung, Kugel K2 führt eine waagrechte Wurfbewegung aus.<br />
Beobachtung<br />
Beide Kugeln treffen gleichzeitig auf die Wand.<br />
Erklärung<br />
Beide Kugeln haben wieder dieselbe Anfangsgeschwindigkeit in horizontaler Richtung.<br />
Nach dem Satz der Unabhängigkeit der Bewegungen beeinflusst die vertikale Komponente<br />
der Bewegung von Kugel K2 die horizontale nicht.<br />
Bemerkung<br />
Die beiden vorangegangenen Versuche sollen die Unabhängigkeit der Bewegungen<br />
verdeutlichen. Da die theoretische Betrachtung vielen SchülernInnen Schwierigkeiten<br />
bereitet, sind diese einfachen Versuche ideal zum besseren Verständnis geeignet.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
35
Mechanik - Haft- und Gleitreibung<br />
Material<br />
Tisch, Schwerer Gegenstand, Seife<br />
Durchführung<br />
Der schwere Gegenstand wird auf den Tisch gestellt und wie im Bild hochgehoben. Der<br />
Versuch wird wiederholt, jetzt jedoch mit eingeseiften Händen.<br />
Beobachtung<br />
Der Gegenstand lässt sich mit eingeseiften Händen nicht wie vorgegeben hochheben.<br />
Erklärung<br />
Hebt man den Gegenstand mit „trockenen“ Händen hoch, bleibt dieser an den Händen<br />
haften. Die Seife bildet jedoch eine Gleitschicht, deshalb kann der Gegenstand auf diese<br />
Weise nicht gehoben werden. Er rutscht durch.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
36
Mechanik - der fliegende Tischtennisball<br />
Material<br />
Tischtennisball, Pappbecher, Wasser<br />
Durchführung<br />
Der Becher wird zu 2/3 mit Wasser gefüllt. Den Tischtennisball legt man ins Wasser. Nun<br />
lässt man den Becher samt Inhalt fallen.<br />
Beobachtung<br />
Während des Falles bleibt der Tischtennisball im Wasser. Trifft der Becher am Boden auf,<br />
wird der Ball aus dem Becher geschleudert.<br />
Erklärung<br />
Der Ball fällt im Windschatten des Bechers. Becher, Wasser und Ball werden gleich stark<br />
von der Erde angezogen. Wenn der Becher auf den Boden trifft, wird sein Inhalt stark<br />
verzögert. Das Wasser bewegt sich und der Impuls schleudert den Tischtennisball aus dem<br />
Becher.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
37
Mechanik - das Loch in der Flasche<br />
Material<br />
Petflasche, Wasser, Bohrer<br />
Durchführung<br />
Die Petflasche wird mit Wasser befüllt. Nun bohrt man ein Loch ins untere Drittel der<br />
Flasche. Die Flasche wird möglichst hoch gehalten und fallen gelassen.<br />
Beobachtung<br />
Während des Falls spritzt kein Wasser aus dem Loch in der Flasche.<br />
Erklärung<br />
Da frei fallende Körper schwerelos sind, wirkt auch auf Wasser keine Gewichtskraft.<br />
Befindet sich die Flasche jedoch in Ruhe, wird aufgrund des Eigengewichts das Wasser<br />
aus der Flasche gedrückt.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
38
Mechanik - Vollbremsung<br />
Material<br />
Streichholzschachtel, Blatt Papier<br />
Durchführung<br />
Die Streichholzschachtel wird mit der Öffnung nach unten auf ein Blatt Papier gestellt. Das<br />
Papier zieht man schnell an der Schmalseite über den Tisch und hält es dann ruckartig,<br />
aber ohne Gegenbewegung an.<br />
Beobachtung<br />
Die Streichholzschachtel fällt in Bewegungsrichtung um.<br />
Erklärung<br />
Die Eigenschaft eines Körpers, auf den keine äußeren Kräfte wirken, in seinem<br />
Bewegungszustand zu verharren, nennt man Trägheit. Da die für die Änderung des<br />
Bewegungszustandes nötige Kraft proportional zur Masse des Körpers ist, kann man die<br />
Masse als Grund für die Trägheit ansehen.<br />
Bemerkung<br />
Denselben Effekt kann man beim Straßenbahn- oder Zugfahren erleben. Steht man, wenn<br />
losgefahren wird, muss man sich festhalten, um nicht nach hinten zu fallen. Umgekehrt gilt,<br />
dass wir beim plötzlichen Bremsen nach vorne kippen, da unser Körper seine Bewegung<br />
beibehalten will. Für das Auto- und Busfahren gilt natürlich das Gleiche.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
39
Mechanik - Zentripetalkraft – Zentrifugalkraft<br />
Material<br />
Schnur, Gewichtstück<br />
Durchführung<br />
Das Gewichtstück wird an einem Ende der Schnur befestigt. Das andere Ende wird nun<br />
festgehalten und das Gewichtstück wird auf einer Kreisbahn gleichmäßig bewegt.<br />
Beobachtung<br />
Wird das Ende der Schnur plötzlich losgelassen, fliegt das Gewichtstück tangential weg.<br />
Achtung!!<br />
Erklärung<br />
Die Bewegung eines Massenpunktes auf einem Kreis mit konstanter Bahngeschwindigkeit<br />
kann betrachtet werden als Bahnbewegung mit konstanter Geschwindigkeit v=const., die<br />
jedoch ständig ihre Richtung ändert; oder als Gleichförmige Bewegung um einen<br />
Mittelpunkt mit konstanter Winkelgeschwindigkeit �. Sei r der Radius des Kreises, dann gilt<br />
die Beziehung v=� r . Nun bewegt man das Gewichtstück wie oben angegeben. Nach dem<br />
Newtonschen Trägheitsprinzip sollte das Gewichtstück stets in Tangentialrichtung<br />
davonfliegen; die Zugkraft des Fadens zwingt es aber auf die Kreisbahn. Dadurch kommt<br />
es zur ständigen Änderung der Richtung der Geschwindigkeit. Die zum Mittelpunkt<br />
gerichtete Kraft nennt man Zentripetalkraft. Solange auf einen rotierenden Körper eine<br />
Zentripetalkraft wirkt, äußert sich seine Trägheit in Form einer vom Zentrum aus radial nach<br />
außen wirkenden Kraft, der Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Die Fliehkraft ist eine passive Kraft,<br />
die keine Bewegung erzeugen, jedoch eine Bewegung verhindern kann. Gibt es keine<br />
Zentripetalkraft mehr, das heißt, wird der Faden losgelassen oder reißt die Schnur, so<br />
existiert nach dem Newtonschen Axiom actio = reactio auch keine Zentrifugalkraft mehr.<br />
Die Richtung der Geschwindigkeit wird nicht mehr verändert. Das Gewichtstück fliegt<br />
tangential davon.<br />
Bemerkung<br />
Denselben Effekt kann man bei Verwendung eines Winkelschleifers (Flex) beobachten. Die<br />
glühenden Teilchen fliegen vom Auflagepunkt des Metalls an der Trennscheibe ebenfalls<br />
tangential weg.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
40
Mechanik - Eimerschleudern<br />
Material<br />
Eimer, Wasser<br />
Durchführung<br />
Der Eimer wird mit Wasser gefüllt. Nun nimmt man den Eimer am Henkel und kreist damit<br />
schnell die Arme. Die Öffnung des Eimers soll dabei immer in die Mitte zeigen.<br />
Beobachtung<br />
Kreist man die Arme schnell genug, bleibt das Wasser im Eimer.<br />
Erklärung<br />
Die Wasserteilchen werden aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft in den Eimer gedrückt.<br />
Variante<br />
Mit etwas Übung ist es auch möglich ein volles Trinkglas herumzudrehen. Dabei ist jedoch<br />
zu beachten, dass man das Handgelenk ebenfalls drehen muss.<br />
Bemerkung<br />
Derselbe Effekt wird auch bei diversen Geräten in Vergnügungsparks angewendet. So<br />
kann man in schnell rotierenden Ringelspielen fast senkrecht zum Boden fahren, ohne sich<br />
angurten zu müssen.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
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41
Mechanik - Kräfte bei der Drehbewegung<br />
Material<br />
Drehschemel oder Plattenspieler, Glas, Kerze, Feuerzeug, Klebestreifen<br />
Durchführung<br />
Die Kerze wird mit einem Tropfen Wachs im Glas befestigt. Anschließend klebt man das<br />
Glas mit Hilfe des Klebestreifens auf den äußeren Rand des Drehschemels und lässt<br />
diesen rotieren.<br />
Beobachtung<br />
Die Flamme neigt sich nach innen, wird aber leicht abgelenkt.<br />
Erklärung<br />
Da kalte Luft spezifisch schwerer ist als warme Luft, wird diese durch die Rotation nach<br />
außen gedrängt. Die Flamme neigt sich nach innen, weicht jedoch infolge der auftretenden<br />
Corioliskräfte von der radialen Richtung ab.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
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42
Mechanik - Flaschenzug mit Besenstielen<br />
Material<br />
2 Besenstiele oder Stativstangen; stabiles, gut gleitendes Seil (Länge: mindestens 4 m)<br />
Durchführung<br />
Man bittet zwei SchülerInnen den Besen wie in der Abbildung zu halten. Der Abstand<br />
zwischen den Besenstielen sollte mindestens ein halber Meter sein. An einem der beiden<br />
Besenstiele wird das Seil festgeknotet und nach der Abbildung um die Besen gewickelt.<br />
Nun zieht ein Dritter am freien Ende des Seils, die beiden anderen versuchen mit aller Kraft<br />
ein Zusammengehen der Besen zu verhindern.<br />
Beobachtung<br />
Den beiden wird es trotz Einsatzes ihrer ganzen Kraft kaum gelingen die Besen auf Distanz<br />
zu halten. Je öfter das Seil um die Besenstiele gewickelt wird, umso weniger Kraft muss die<br />
am Seil ziehende Person aufwenden.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
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43
Mechanik - das Münzenkatapult<br />
Material<br />
Holzleiste/ Lineal,Stift, 2 gleiche Münzen<br />
Durchführung<br />
Eine etwa 30 cm lange Holzleiste wird quer auf einen Stift gelegt, sodass auf einer Seite<br />
des Stiftes ca. 10 cm der Leiste überstehen. Auf die andere Seite legt man in 10 cm und<br />
20 cm Abstand vom Stift je ein Geldstück auf die Leiste. Nun schlägt man mit der Hand<br />
kräftig auf das kurze Ende der Leiste.<br />
Beobachtung<br />
Die beiden Geldstücke werden in die Luft geschleudert. Die Münze, die 20 cm vom Stift<br />
entfernt war, fliegt dabei ungefähr viermal so hoch wie die andere.<br />
Erklärung<br />
Die beiden Münzen verlassen die Leiste in dem Augenblick, in dem die Leiste auf der<br />
anderen Seite des Stiftes die Unterlage berührt. Die Zeitdauer der Beschleunigung ist<br />
daher für beide Münzen gleich lang. In dieser Zeit legt die Münze, die doppelt so weit vom<br />
Stift entfernt ist, eine doppelt so lange Wegstrecke zurück, als das näher gelegene<br />
Geldstück. Dadurch besitzt die weiter entfernte Münze beim Verlassen der Holzleiste eine<br />
doppelt so hohe Geschwindigkeit. Die kinetische Energie, die eine Münze beim Verlassen<br />
der Holzleiste besitzt, wird dabei in potentielle Energie umgewandelt.<br />
Bemerkung<br />
Mit Hilfe dieses Versuchs lässt sich die Proportionalität zwischen kinetischer Energie und<br />
dem Quadrat der Geschwindigkeit demonstrieren.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
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44
Mechanik - Streichholzschachtel und Schlüsselbund<br />
Material<br />
Ein leichter und ein schwerer Gegenstand (z.B. eine Streichholzschachtel und ein<br />
Schlüsselbund), ein Stab (z.B. ein langer Stift, ein Rohr, ein Kochlöffel etc.), Faden von ca.<br />
1 m Länge<br />
Durchführung<br />
Als Erstes bindet man die beiden Gegenstände an den Enden des Fadens gut fest. Dann<br />
hält man die Stange in Augenhöhe waagrecht vor sich und legt den Faden darüber. Dabei<br />
hält man den leichteren Gegenstand mit der zweiten Hand fest und zieht den schwereren<br />
Gegenstand bis knapp unter den Stab hoch. Der leichte Gegenstand sollte ganz flach<br />
gehalten werden, so wie man es auf dem Bild sieht. Dabei muss man allerdings darauf<br />
achten, dass besonders leichte Gegenstände nie über den Stab gehalten werden sollten.<br />
Nun lässt man den leichteren Gegenstand einfach los und schaut was passiert.<br />
Beobachtung<br />
Viele würden meinen, dass der schwere Gegenstand nach unten fällt und auch den leichten<br />
mitzieht und beide auf den Boden knallen. Der schwere Gegenstand fällt zwar zu Boden,<br />
aber der leichtere wickelt den Faden um den Stab und das Ganze kommt zum Stehen.<br />
Erklärung<br />
Der leichte Gegenstand funktioniert vorerst wie ein Pendel. Wäre der Faden einfach am<br />
Stab befestigt, würde der Gegenstand einfach hin und her schwingen, dabei würde er<br />
annähernd dieselbe Höhe wieder erreichen. Die Geschwindigkeit, mit der er schwingt,<br />
hängt jedoch von der Länge des Fadens ab. Die Länge wird jedoch durch den Fall des<br />
schweren Gegenstands verkürzt, sodass die Zündholzschachtel schneller zu schwingen<br />
beginnt. Das heißt, der Faden, an dem der leichte Gegenstand pendelt, wird immer kürzer<br />
und in der Folge auch immer schneller. Deshalb gewinnt er ebenfalls an Höhe. Er fliegt<br />
über den Stab hinüber bis auf die andere Seite, wo er nun wieder Schwung holt und wieder<br />
schwingt. Der Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Kraft mit der der schwerere Körper<br />
am Faden zieht nicht mehr ausreicht, um den anderen Gegenstand weiter zu ziehen.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
45
Mechanik – Impulserhaltung<br />
Material<br />
Spielzeugauto mit aufziehbarem Federantrieb, Brett, runde Gegenstände mit gleichem<br />
Durchmesser<br />
Durchführung<br />
Die Stifte werden so am Tisch verteilt, dass das Brett darauf eine gewisse Strecke rollen<br />
kann. Danach legt man das Brett auf die Stifte und setzt das aufgezogene Auto auf das<br />
Brett.<br />
Beobachtung<br />
Das Auto und das Brett bewegen sich in entgegen gesetzten Richtungen.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik,<br />
Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao.<br />
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-<br />
Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
46
Mechanik - die Kartoffelschleuder<br />
Material<br />
Holzbrett (ca. 10x10 cm), Gummiring, Kartoffel, Nägel, runde Gegenstände mit gleichem<br />
Durchmesser (Stifte), Hammer, Zwirn, Feuerzeug<br />
Durchführung<br />
Mit dem Hammer werden drei Nägel in das Brett geschlagen, sodass sie die Form eines<br />
“Vs“ bilden. Über die beiden vorderen Nägel wird nun ein Gummiring gespannt. Nun zieht<br />
man den Gummiring in die Richtung des hinteren Nagels und befestigt ihn mit Hilfe eines<br />
Zwirns am Nagel. Der Gummiring sollte dabei gut gespannt sein. Die runden Stifte legt man<br />
im Abstand einiger Millimeter auf den Tisch und gibt das Holzbrett drauf. In das vom<br />
Gummiring gebildete Dreieck legt man nun die Kartoffel. Der Zwirn wird mit dem Feuerzeug<br />
durchgebrannt.<br />
Beobachtung<br />
Die Kartoffel wird nach vorne geschleudert, während das Brett nach hinten rollt.<br />
Erklärung<br />
Alle Kräfte treten paarweise auf, es gilt actio = reactio. Die Kräfte sind gleich groß aber<br />
entgegengesetzt gerichtet. Ähnlich wie bei einem Boot erfährt das Brett einen Rückstoß. Da<br />
es sich um ein abgeschlossenes System handelt, gilt hier die Impulserhaltung. Die Kartoffel<br />
erfährt einen Impuls nach vorne. Um den Impuls des Systems konstant zu halten weicht<br />
das Brett nach hinten aus.<br />
Bemerkung<br />
Die Kartoffel hält besser in der Schleuder, wenn man vorher mit einem Messer einige<br />
Kerben in die Kartoffel schnitzt.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
47
Mechanik – Hupfbälle<br />
Material<br />
zwei verschieden schwere Bälle<br />
Durchführung<br />
Zwei verschieden schwere Bälle werden so aufeinander gelegt, dass der Leichtere<br />
oberhalb des Schwereren und die beiden Schwerpunkte in etwa senkrecht übereinander<br />
liegen. Nun werden die Bälle aufgehoben und fallen gelassen.<br />
Beobachtung<br />
Während der untere Ball nur eine geringe Höhe erreicht, wird der obere Ball hoch in die Luft<br />
geschleudert.<br />
Erklärung<br />
Der untere Ball schlägt vor dem oberen am Boden auf und wird im Idealfall reibungslos<br />
reflektiert. Danach stoßen sich die beiden Bälle elastisch. Ist der untere Ball dreimal<br />
schwerer als der obere Ball, so erreicht der obere Ball etwa das Vierfache der<br />
Ausgangshöhe. Zur Erklärung dieses Sachverhaltes sind sowohl Impulserhaltung und<br />
Energieerhaltung notwendig.<br />
Bemerkung<br />
Tatsächlich wandelt der untere Ball durch Reibung beim Aufprall am Boden und beim Stoß<br />
mit dem anderen Ball einen Teil der kinetischen Energie in innere Energie und Wärme um,<br />
deshalb ist der Stoß.<br />
Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.<br />
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
48
Mechanik - Festigkeit – Materialeigenschaften - der biegsame Hühnerknochen<br />
Material<br />
1 Hühnerknochen (ohne Fleischreste)<br />
1 Schale mit Deckel<br />
Essigessenz aus dem Supermarkt<br />
Durchführung<br />
Den Hühnerknochen in die mit Essig gefüllte Schale legen, so dass der Knochen<br />
vollständig bedeckt ist. Die Schale mit dem Deckel verschließen. Täglich den Essig<br />
erneuern.<br />
Beobachtung<br />
Nach einigen Tagen wird der Knochen weich.<br />
Erklärung<br />
Der Essig löst ach und nach den Kalk im Knochen. Kalk ist aber für die Härt und Stabilität<br />
der Knochen wesentlich<br />
http://www.zirp.de/images/stories/Wissenschaft/experimente_mit_aha_effekt.pdf<br />
modifiziert von Kameier 2011<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
49
Mechanik - Festigkeit – stabile Papierröhre – Bambusrohr - Fahrradfelge<br />
Material<br />
Papier<br />
Schere<br />
Klebstoff<br />
Durchführung<br />
Aus einem Stück Papier wird ein Zylinderrohr zusammengeklebt. Die Röhre ist stabil, wenn<br />
man sie hochkant auf den Tisch stellt. Man kann sogar ein Buch darauf stellen. Legt man<br />
die Röhre flach auf den Tisch, ist sie instabil. Schneidet man nun ein paar Papierstreifen<br />
aus und klebt sie an die Ende der Röhre, wird die Röhre immer stabiler ohne dass die<br />
Röhre wesentlich schwerer wird.<br />
Erklärung<br />
Vergleichen kann man diese „Leichtbaukonstruktion“ mit einem Bambusstock und einer<br />
Hohlwandfelge am Fahrrad.<br />
http://www.fahrradmonteur.de/formelsammlung.php<br />
Sigrid Belzer: Die genialsten Erfindungen der Natur, Bionik für Kinder, Frankfurt a.M. 2010<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
50
Mechanik – Hebelarm - Moment<br />
Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005<br />
Mechanik – Kraftmessung<br />
Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
51
Mechanik – der Druck mit einem Bleistift<br />
Material<br />
Bleistift<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man nimmt den Bleistift stehend zwischen Daumen und Zeigefinger. Dann erhöht man den<br />
Druck indem man die Finger immer kräftiger zusammenpresst. An jenem Finger, wo man<br />
die Bleistiftspitze hält, wird man einen wesentlich größeren Schmerz verspüren als am<br />
zweiten.<br />
Erklärung<br />
Druck ist gleich Kraft pro Fläche p=F / A [Pa] = [N] / [m 2 ] Pascal=Newton/Quadratmeter<br />
Weil man mit beiden Fingern gegen den Bleistift drückt, wirkt auch auf beide dieselbe Kraft.<br />
Da die Auflagefläche der Bleistiftspitze aber viel kleiner als die des anderen Endes und der<br />
Druck indirekt proportional zur Auflagefläche ist, wirkt auf den Finger, wo die Bleistiftspitze<br />
angreift, ein viel größerer Druck. Deshalb ist hier das Schmerzempfinden auch viel größer.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
52
Mechanik – Druck, das Fakir-Experiment<br />
Material<br />
kleines Holzbrett<br />
einige gleich lange, spitze Nägel (ca. 10 Stück)<br />
Tomate (Apfel, Kartoffel,…)<br />
Hammer<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Mit dem Hammer, den Nägeln und dem Holzbrettchen fertigt man sich ein Fakirbrett an.<br />
Dabei schlägt man einen einzigen Nagel am einen Ende des Brettes hindurch und alle<br />
anderen Nägel am anderen Ende des Brettes. Dann nimmt man in jede Hand eine Tomate<br />
(Apfel) und lässt sie aus einer bestimmten Höhe h auf den einzelnen und auf die mehreren<br />
Nägel fallen. Bei einer Fallhöhe von z.B. 30 cm versinkt sie beim einzelnen Nagel, bis sie<br />
beim Brettchen ansteht. Die mehreren Nägel dringen bei gleicher Fallhöhe aber nicht<br />
einmal bis zur Hälfte in die Tomate ein. Führt man den Versuch mit einem Äpfel oder einer<br />
Kartoffel durch, so verkleinern sich die Eindringtiefen.<br />
Erklärung<br />
Druck ist gleich Kraft pro Fläche p=F / A [Pa] = [N] / [m 2 ] Pascal=Newton/Quadratmeter<br />
Die Tomate wird aus derselben Höhe auf das Fakirbrett fallen gelassen. Deshalb kommt sie<br />
auch mit derselben Geschwindigkeit also dem gleichen Impuls bei der Spitze bzw. den<br />
Spitzen der Nägel an. Der Druck p hängt aber von der Kraft F und der Fläche A, auf der<br />
diese Kraft senkrecht angreift, ab. Bei einem einzigen Nagel wird die Tomate mit der Kraft F<br />
nur auf eine Nagelquerschnittsfläche gepresst, wobei bei zum Beispiel 16 (4 mal 4) Nägeln<br />
die Tomate mit derselben Kraft auf 16 Nagelquerschnittsflächen gepresst wird. Somit ist sie<br />
auf die Tomatenoberfläche bei den mehreren Nägeln um ein Vielfaches größer als bei dem<br />
einzelnen Nagel, weshalb die Tomate auch nicht so weit eindringen kann. Bei<br />
entsprechend vielen Nägeln wird die Gesamtfläche so groß bzw. die Kraft pro Nagel so<br />
klein, dass die Nägel überhaupt nicht mehr in die Oberfläche eindringen. Deshalb ist es<br />
auch möglich, sich auf ein Fakirbrett zu legen, ohne Verletzungen davon zu tragen.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
53
Mechanik - die hydraulische Presse<br />
Material<br />
kleine Spritze<br />
große Spritze (günstig das 10 fache Volumen der<br />
kleinen)<br />
dünnes Stück Schlauch<br />
Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man füllt den Schlauch vollständig, sowie die beiden Spritzen zur Hälfte mit Wasser.<br />
Anschließend steckt man die Spritzen an jeweils ein Ende des Schlauchs, wobei man<br />
darauf achten muss, dass der Schlauch zur Gänze mit Wasser gefüllt bleibt. Dann nehmen<br />
möglichst zwei Personen jeweils eine Spritze in die Hand und versuchen diese mit den<br />
Daumen zu betätigen. Die Person mit der kleineren Spritze in der Hand wird bemerken,<br />
dass sie den Kolben hineindrücken kann. Im Gegensatz dazu ist es für die andere sehr<br />
schwierig den Kolben an der Stelle zu halten, weil durch die Druckübertragung in der<br />
Flüssigkeit sein Kolben herausgedrückt wird.<br />
Erklärung<br />
Greift eine Kraft F senkrecht an einem bestimmten Flächenstück A an, so beschreibt das<br />
Verhältnis Kraft pro Fläche einen Druck p. Weil der Druck in der Flüssigkeit überall gleich<br />
groß ist, wirkt auf den kleinen Kolben mit der kleineren Querschnittsfläche A1 eine Kraft F1,<br />
analog wirkt auf den größeren mit Querschnittsfläche A2 eine Kraft F2. Für die beiden gilt:<br />
F1 = p A1<br />
F2 = p A2<br />
Somit ist die Kraft F2 viel größer als die Kraft F1, die von der Flüssigkeit her an den Kolben<br />
angreift, weil das Verhältnis von F2 zu F1 direkt proportional dem Verhältnis der beiden<br />
Kolbenflächen ist. Deshalb ist es auch viel schwieriger oder sogar unmöglich den größeren<br />
Kolben hineinzudrücken, solange auf der gegenüberliegenden Seite jemand dagegen hält.<br />
Bemerkung: zu Beginn könnte es passieren, dass man den größeren Kolben an derselben<br />
Stelle halten kann, aber das liegt an der Ausdehnung des Schlauches und nicht an der<br />
Flüssigkeit oder der größeren Kraft derjenigen Person, denn in diesem Fall müsste dieser<br />
Mensch dann schon ca. 10 Mal stärker sein als sein Gegenüber.<br />
Anwendung: hydraulischer Wagenheber, hydraulische Presse<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
<strong>54</strong>
Mechanik – Druckverteilung<br />
Material<br />
Glas, möglichst schlank und mit geschliffenem Rand<br />
Bierdeckel oder ein Stück Papier<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man füllt das Glas je nach Belieben mit Wasser, der Effekt kommt jedoch besser zur<br />
Geltung, wenn man es fast voll macht. Dann legt man den Bierdeckel oder das Papierstück,<br />
das überall mindestens um einen Zentimeter über den Glasrand hinaus ragen sollte, auf<br />
das Gefäß. Über einer Wanne oder im Waschbecken sollte man weiter verfahren. Während<br />
man mit der Handfläche das Papierstück auf den Glasrand presst, dreht man mit der<br />
anderen Hand das Glas um.<br />
Erklärung<br />
In einer Flüssigkeit steigt mit zunehmender Tiefe der Druck<br />
p = � g h Druck = Dichte * Erdbeschleunigung * Tiefe<br />
� �<br />
� kg m � � kg �<br />
� � � �m<br />
�<br />
3 2<br />
m s<br />
� �<br />
m<br />
�<br />
� � � �<br />
Pa 2<br />
�<br />
Kraft<br />
Fläche<br />
Im Schwimmbad spürt man gemäß dieser Formel den Druck auf den Ohren.<br />
In dem Wasserglas wird der Druck an der Öffnung von dem Umgebungsdruck festgelegt.<br />
Steht das Glas auf dem Tisch, steigt der Druck zum Boden. Dreht man das Glas aber um,<br />
sinkt der Druck vom Papier zum Boden des Glases. Das Papier wird von der<br />
Hydrostatischen Druckverteilung quasi angesaugt – ganz präzise beschrieben genügen die<br />
Intermolekularenkräfte (Kohäsionskräfte), damit das Papier am Wasser und am Glasrand<br />
haftet. Die Druckverteilung (hoher Druck unten, niedriger Druck oben im Glas) sorgt dafür,<br />
dass das Wasser im Glas bleibt.<br />
Anwendung: hydraulischer Wagenheber, hydraulische Presse<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
55
Mechanik - der hydrostatische Druck<br />
Material<br />
große Plastikflasche<br />
Wasser<br />
Tinte<br />
Nagel<br />
Klebeband<br />
Wanne<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Zuerst bohrt man in die Plastikflasche drei Löcher vertikal untereinander. Anschließend<br />
verschließt man die Öffnungen mit einem Streifen Klebeband. Nun befüllt man das Gefäß<br />
mit eingefärbtem Wasser. Jetzt zieht man das Klebeband in einem Zug von der<br />
Plastikflasche.<br />
Erklärung<br />
Man erkennt, dass der Wasserstrahl aus dem obersten Loch am wenigsten weit spritzt und<br />
der unterste Wasserstrahl am weitesten, also mit dem größten Druck. Der hydrostatische<br />
Druck treibt die Strömung gemäß<br />
p = � g h Druck = Dichte * Erdbeschleunigung * Wasserhöhe in der Flache<br />
� �<br />
� kg m � � kg �<br />
� � � �m<br />
�<br />
3 2<br />
m s<br />
� �<br />
m<br />
�<br />
� � � �<br />
Pa 2<br />
�<br />
Kraft<br />
Fläche<br />
Der Druck in einer Flüssigkeit hängt linear mit der Füllhöhe zusammen.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
56
Mechanik – Dichte, Flüssigkeitsschichten<br />
Material<br />
Glas<br />
Löffel<br />
Wasser<br />
Zuckerwasser<br />
Öl<br />
Spiritus<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Zuerst rührt man sich Zuckerwasser aus einem Teil Zucker und zwei Teilen Wasser an und<br />
lässt es als unterste Schicht im Glas. Nun gibt man nach und nach die anderen<br />
Flüssigkeiten in das Gefäß, indem man sie ganz langsam über einen Löffel hinein fließen<br />
lässt. Man muss darauf achten, dass man den Löffel stets ganz knapp oberhalb des<br />
Flüssigkeitsstandes positioniert. Die Schichtdicken sollten nicht mehr als zwei Zentimeter<br />
betragen. Als nächstes gibt man also Wasser in das Glas, daraufhin das Öl und zuletzt den<br />
Spiritus.<br />
Erklärung<br />
Wenn man vorsichtig genug war, durchmischen sich die verschiedenen<br />
Flüssigkeitsschichten nicht. Die Dichteunterschiede bewirken eine Schichtung.<br />
� kg �<br />
Dichte = Masse pro Volumen � = m / V � 3 �<br />
�m<br />
�<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
57
Mechanik – Dichte, Cola-Light ist wirklich leichter<br />
Material<br />
Dose Cola<br />
Dose Cola-Light<br />
Eimer oder Behälter mit Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man füllt einen Behälter mit Wasser und gibt die beiden verschlossenen Dosen hinein.<br />
Erklärung<br />
Die Dichte von Cola beträgt etwa 1040 kg/m 3 von Cola-Light dagegen nur etwa 1002 kg/m 3.<br />
Aufgrund des höheren spezifischen Gewichts, verursacht durch den höheren Zuckergehalt,<br />
sinkt die klassische Cola-Dose zum Boden.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
58
Strömungsmechanik – Wirbel<br />
Material<br />
1 Kerze, 1 Plastikflasche, 1 Luftballon<br />
Durchführung<br />
Man schneidet den unteren Teil der Flasche ab und spannt den zerschnittenen Luftballon<br />
als Membran darüber. Man zündet die Kerze an und hält die Wirbel in einiger Entfernung<br />
(ca. 30 cm). Dann zupft man bzw. schnippst gegen die Membran, dadurch erlischt die<br />
Kerze.<br />
Erklärung<br />
Am Flaschenhals bildet sich durch die austretende Strömung ein Ringwirbel, der sich<br />
ausgesprochen stabil über eine weite Entfernung bewegen kann – weiter als man einen<br />
Luftstrahl spüren kann. Vergleichbare Wirbel gibt es auch Flugzeugbauteilen.<br />
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/physikonline.html/filme/mpg_m8_fluide/wirbel/wirbel2ks.mpg<br />
Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005<br />
http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
59
Strömungsmechanik - Fahrradventil<br />
Material<br />
1 Murmel<br />
1 Luftballon<br />
Durchführung<br />
Vorsichtig die Murmel in den Luftballon einbringen. Den Luftballon halb aufblasen und mit<br />
den Fingern geschlossen halten. Die Murmel muss nun unten bei der Öffnung liegen, dann<br />
brauchst du den Luftballon nicht mehr zuhalten.<br />
Erklärung<br />
Die Luft mit ihrem Überdruck drückt die Kugel in die Öffnung. Hat die Kugel eine passende<br />
Größe, so verschließt sie den Luftstrom und der Luftballon hält seine Luft. Derart<br />
funktioniert ein Fahrradventil. Es gibt aber auch alte Fahrradventile mit einem kleinen<br />
dünnen Schlauch (Ventilgummi), Kannst du das Prinzip erklären dieser veralteten Technik<br />
erklären?<br />
Vgl. auch<br />
EMS, Experimente. Materialien. Schulungen, Dr. Jörg Kraus, Lindau (B.)<br />
http://www.ems-kraus.de/html/luft.html<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
60
Strömungsmechanik . Wind = Luftströmung = Aerodynamik<br />
Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005<br />
Material<br />
Fön, Tischtennisball, Stricknadeln, Papierblätter<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
61
Strömungsmechanik – die Kerzenflamme und der Trichter<br />
Material<br />
Trichter<br />
Kerze<br />
Feuerzeug bzw. Streichhölzer<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man stellt eine brennende Kerze auf den Tisch und bläst aus ca. 10 Zentimeter Entfernung<br />
durch die Ausflussöffnung eines Trichters hindurch gegen die Kerzenflamme. Wenn man<br />
vorsichtig genug bläst, wird die Kerzenflamme nicht erlöschen sondern zum Trichter hin<br />
gezogen.<br />
Erklärung<br />
Da die Abflussöffnung des Trichters um einiges schmäler ist als die Trichteröffnung hat der<br />
Luftstrom in dem schmalen Rohr aufgrund der Kontinuitätsgleichung eine höhere<br />
Geschwindigkeit.<br />
c � A � const.<br />
(Geschwindigkeit x Fläche ist konstant, d.h. kleine Fläche mit großer<br />
Geschwindigkeit oder große Fläche mit kleiner Geschwindigkeit)<br />
Eine höhere Geschwindigkeit hat aber einen geringeren statischen Druck zur Folge,<br />
c 2<br />
2<br />
p<br />
� � const.<br />
�<br />
(Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert<br />
durch Dichte � (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli).<br />
weshalb zwischen Kerzenflamme und Trichter ein kleinerer statischer Druck gegenüber<br />
dem atmosphärischen Luftdruck entsteht. Dadurch wird die Kerzenflamme zum Trichter hin<br />
gedrückt. Bläst man fester in den Trichter hinein, so entsteht an dessen Ende eine starke<br />
turbulente Strömung und die Kerzenflamme erlischt.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
62
Strömungsmechanik - der Papiertrichter im Trichter<br />
Material<br />
Kerze<br />
Feuerzeug oder Streichhölzer<br />
Flasche<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man stellt eine brennende Kerze auf einen Tisch und ca. fünf Zentimeter davor eine<br />
Flasche. Nun bläst man aus kurzer Entfernung auf Höhe der Kerzenflamme gegen die<br />
Flasche. Dabei muss man darauf achten, dass die Flasche und die dahinter stehende<br />
Kerze genau auf der Bahn des Luftstroms der Atemluft liegen. Die Kerzenflamme wird<br />
erlöschen, obwohl die Flasche genau vor ihr im Luftstrom steht.<br />
Erklärung<br />
Die Atemluft erzeugt eine gleichförmige Strömung. Wenn der Luftstrom nun auf die Flasche<br />
trifft, so strömen die Luftteilchen um die Flasche. In Stromlinien gezeichnet kann man sich<br />
das so vorstellen, dass sich die einzelnen Strömungslinien um die Flasche herum<br />
krümmen, wobei sie aufgrund der höheren Geschwindigkeit um die Flasche näher<br />
aneinander liegen. Somit ist der Luftstrom nach der Flasche im Idealfall wieder gleich<br />
geradlinig wie zuvor.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
63
Strömungsmechanik - im Windschatten einer Münze<br />
Material<br />
2 € Münze<br />
ein Blatt Papier<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man schneidet sich eine Papierscheibe aus, deren Durchmesser exakt dem der Münze<br />
entspricht. Nun hält man die Münze und das Papierstück vor sich hin und lässt sie getrennt<br />
voneinander fallen. Die Münze wird um einiges schneller am Boden angelangen als die<br />
Papierscheibe. Legt man nun die Papierscheibe auf die Münze und lässt beides zusammen<br />
in dieser Anordnung fallen, so wird das Papierstück an der Oberfläche der Münze bleiben<br />
und gleich schnell zu Boden fallen, solange sich die Münze nicht verdreht.<br />
Erklärung<br />
Da die Oberfläche des Papierstücks und die der Münze gleich groß sind, erfahren sie auch<br />
denselben Luftwiderstand und somit die gleiche Reibungskraft. Jedoch ist das Gewicht der<br />
Münze um einiges höher, weshalb sie auch schneller zu Boden fällt. Legt man nun das<br />
Papierstück auf die Münze, so erfährt dieses auch keinen Luftwiderstand mehr, da die Luft<br />
bereits von der Münze verdrängt wird. Die Papierscheibe befindet sich im Windschatten der<br />
Münze. Deshalb fallen die beiden auch zusammen zu Boden.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
64
Strömungsmechanik - der Papiertrichter im Trichter<br />
Material<br />
Trichter<br />
ein Blatt Papier<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man legt das Blatt Papier so zusammen, dass man einen Trichter erhält, der ungefähr<br />
gleich groß ist wie der Küchentrichter. Dann hält man den Papiertrichter in den<br />
herkömmlichen hinein und beginnt in die kleine Öffnung hinein zu blasen. Der Papiertrichter<br />
wird nicht aus dem Küchentrichter hinaus geblasen, sondern zur Wand des Küchentrichters<br />
hin gedrückt. Während dem Hineinblasen kann man die Öffnungen sogar senkrecht nach<br />
unten halten, und der Papiertrichter wird trotzdem nicht zu Boden fallen.<br />
Erklärung<br />
Der Luftstrom, der über die kleine Öffnung in den Trichter gelangt, wird durch den<br />
Papiertrichter abgelenkt. Die Luft bewegt sich zwischen Innenwand des Küchentrichters<br />
und Papiertrichter entlang. Wegen der Bernoulli-Gleichung<br />
c 2<br />
2<br />
p<br />
� � const.<br />
�<br />
(Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert<br />
durch Dichte � (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli).<br />
ist aber der Druck im Luftstrom geringer als der Druck der ruhenden Luft, weshalb der<br />
Papiertrichter in den herkömmlichen Trichter hinein gedrückt wird.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
65
Strömungsmechanik - der Tischtennisball im Trichter (Luftströmung)<br />
Material<br />
Trichter<br />
Tischtennisball<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man hält einen Tischtennisball in einen Trichter und bläst kräftig in die kleine Öffnung des<br />
Trichters hinein. Der Tischtennisball wird nicht aus dem Trichter hinaus geblasen sondern<br />
zur kleinen Trichteröffnung hin gedrückt.<br />
Erklärung<br />
Der Luftstrom wird durch den Tischtennisball, den man zu Beginn des Experiments<br />
festhalten muss, entlang der Trichterwand abgelenkt. Da der Raum zwischen Trichterwand<br />
und Tischtennisball nur sehr eng ist, strömt die Luft in diesem Bereich sehr schnell, gemäß<br />
der Bernoullischen Gleichung<br />
c 2<br />
2<br />
p<br />
� � const.<br />
�<br />
(Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert<br />
durch Dichte � (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli).<br />
Führt dies zu einem niedrigen Druck, der den Tischtennisball ansaugt und in Balance hält.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
66
Strömungsmechanik - der Tischtennisball im Trichter (Wasserströmung)<br />
Material<br />
Trichter<br />
Tischtennisball<br />
Fließendes Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man legt den Tischtennisball in den Trichter und dann hält man beides zusammen unter<br />
einen fließenden Wasserhahn. Der Ball wird sich immer zur Ausflussmündung hin drängen,<br />
egal wie viel Wasser auch im Trichter ist. Sobald man aber mit der zweiten Hand mit einem<br />
Finger die Ausflussöffnung zuhält, steigt der Ball hoch und schwimmt auf der<br />
Wasseroberfläche im Trichter.<br />
Erklärung<br />
Solange das Wasser abfließen kann, erfährt der Tischtennisball keinen Auftrieb. Die<br />
Strömung des Wassers erzeugt einen Unterdruck, der den Ball nach unten zieht.<br />
Eine höhere Geschwindigkeit hat einen geringeren statischen Druck zur Folge,<br />
c 2<br />
2<br />
p<br />
� � const.<br />
�<br />
(Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert<br />
durch Dichte � (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli).<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
67
Strömungsmechanik - das aerodynamische Paradoxon<br />
Material<br />
zwei Blätter Papier<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man hält die zwei Blätter mit je einer Hand ca. drei bis fünf Zentimeter nebeneinander vor<br />
sein Gesicht. Jetzt bläst man kräftig zwischen die beiden Blätter hinein. Sie werden nicht<br />
auseinander gedrückt, sondern stoßen zusammen.<br />
Erklärung<br />
Der Luftstrom, der zwischen den beiden Blättern fließt, hat aufgrund der Strömung einen<br />
Unterdruck zur Umgebung. Der Umgebungsdruck außen ist größer, so dass dieser Druck<br />
die Blätter zusammendrückt.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
68
Strömungsmechanik – Windschatten, die Münze und das Papierstück<br />
Material<br />
2 € Münze<br />
ein Blatt Papier<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man schneidet sich aus dem Blatt Papier eine Kreisscheibe mit exakt dem gleichen<br />
Durchmesser wie die 2 € Münze aus. Jetzt legt man die Papierscheibe auf den Tisch hin<br />
und hält die Münze in einem Abstand von einem Zentimeter darüber. Beginnt man nun<br />
kräftig von oben auf die Münze zu blasen, so zieht es das zurechtgeschnittene Papierstück<br />
sofort an die Unterseite der Münze. Wenn man kräftig genug drauf bläst, kann man den<br />
anfänglichen Abstand zwischen Münze und Papierscheibe sogar noch um einiges<br />
vergrößern.<br />
Erklärung<br />
Durch das Blasen auf die Münze entsteht um diese herum und somit auch zwischen Münze<br />
und Papierstück bzw. Tisch ein Luftstrom, in dem der herrschende statische Druck auf<br />
Grund des größeren dynamischen Drucks, um einiges geringer als der umgebende<br />
atmosphärische Druck ist. Da der übliche Luftdruck aber auch von unten auf die<br />
Papierscheibe wirkt, wird das Papierstück zur Unterseite der Münze hin gedrückt. Sobald<br />
man aufhört zu blasen, fällt das Papierstück wieder auf den Tisch zurück.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
69
Strömungsmechanik – die klappernden Löffel<br />
Material<br />
zwei Suppenlöffel<br />
fließendes Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man fasst mit jeweils einer Hand einen Löffel ganz vorsichtig mit zwei Fingern am oberen<br />
Ende des Griffs indem die Außenwölbungen zueinander zeigen. Jetzt hält man die<br />
Wölbungen ca. einen Zentimeter voneinander entfernt unter einen fließenden Wasserhahn.<br />
Es ist ein leises, rasches Klappern der Löffel zu hören.<br />
Erklärung<br />
Der Druck im Wasserstrahl ist kleiner als der herrschende statische atmosphärische Druck,<br />
weshalb die beiden Löffel aneinander gepresst werden. Durch den fließenden Wasserstrahl<br />
werden sie jedoch auch immer wieder auseinander gedrückt, weshalb es zum Klappern<br />
und zu einer Pendelbewegung der Löffel kommt. Sobald das Wasser zwischen den<br />
Wölbungen der beiden Löffel entlang fließt, kann man die oberen Enden sogar noch etwas<br />
weiter voneinander entfernen, ohne dass die Wölbungen auseinander schwingen. Weil das<br />
Wasser stets das Verlangen hat, die Oberfläche möglichst gering zu halten, wird das<br />
Zusammenpressen der beiden Löffel noch ein wenig verstärkt.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
70
Strömungsmechanik – fallende Zylinder, Magnus-Effekt<br />
Material<br />
Kartonzylinder<br />
Lange Schnur<br />
Klebstoff<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man befestigt beide Enden einer ca. vier Meter langen Schnur<br />
mit Hilfe von Klebstoff an den Enden des Kartonzylinders. Nun<br />
rollt man die ganze Schnur gleichmäßig auf den Zylinder auf,<br />
bis nur mehr eine kleine Schlaufe zum festhalten über ist. Man<br />
sollte die Schnur doppelt am Zylinder befestigen, weil damit<br />
ein Kippen des Zylinders vermieden wird. Nun lässt man den<br />
Zylinder von so hoch wie möglich fallen, währenddessen man die Schlaufe festhält. Der<br />
somit abrollende Zylinder wird sich während dem Fall vom senkrechten Lot des<br />
Startpunktes immer weiter entfernen.<br />
Erklärung<br />
Aufgrund der Rotation des Zylinders kommt es zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten an<br />
den beiden Seiten des Zylinders. An jener Seite, wo sich die Schnur vom Zylinder entfernt,<br />
dreht sich dieser entgegen der Schwerkraft, auf der gegenüberliegenden Seite dreht er sich<br />
hingegen in Fallrichtung. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten verursachen in weiterer<br />
Folge unterschiedliche Drücke auf beiden Seiten des rotierenden Zylinders. Diese<br />
Druckdifferenz erzwingt eine resultierende Kraft, die senkrecht zur Bewegungsrichtung<br />
angreift und den rotierenden Zylinder aus der gedachten vertikalen Bahn zieht. Dieses<br />
Phänomen bezeichnet man als Magnus-Effekt.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship_1<br />
E-Ship 1 (Enercon)<br />
4 Flettner-Rotoren mit 27 m Höhe<br />
und 4 m Durchmesser<br />
Angestrebt ist eine Kraftstoffersparnis<br />
von 30–40 % bei einer Fahrt von<br />
16 Knoten (8,2 m/s<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
71
Strömungsmechanik - die Brauserakete<br />
http://mv.fhduesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_ver<br />
oeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_se<br />
hen080305.pdf<br />
Materialien<br />
Filmdose<br />
Brausetabletten<br />
Wasser<br />
kopierten Raketenschnitt auf Papier, siehe nächste Seite<br />
http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/10000424/203976/<br />
Durchführung<br />
Zuerst schneidet man die Rakete aus dem Papier aus und klebt diese an eine Filmdose.<br />
Anschließend nimmt man diese Filmdose und füllt sie mit einer halben Brausetablette. Nun<br />
legt man den Deckel griffbereit und schüttet ein bisschen Wasser und füllt dieses in die<br />
Filmdose. Danach muss man die Filmdose zügig verschließen und auf den Deckel stellen.<br />
Nun muss man warten und schauen was passiert. (Nicht über die Rakete beugen!)<br />
Zu Beachten ist, dass man die Dose nicht mit zu viel Wasser oder Brause befüllt, da es<br />
dann nicht zu einer genügenden Gasentwicklung kommen kann.<br />
Erklärung<br />
Wenn die Brause sich im Wasser auflöst, kommt es zu einer Gasbildung. Durch die<br />
Gasbildung entsteht in der Filmdose ein Überdruck. Ist der Druck groß genug, öffnet sich<br />
der Deckel der Filmdose schlagartig und das Gas tritt aus. In Folge dessen der Körper der<br />
Rakete nach oben beschleunigt und fliegt. Somit lässt sich die Brauserakete mit einer<br />
normalen Rakete vergleichen.<br />
http://mv.fhduesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlich<br />
ungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
72
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
73
Strömungsmechanik – Rückstoßprinzip, Luftballonrennen<br />
Materialien<br />
Luftballon<br />
glatte Schnur (muss im Abstand von mindestens 3m besser 8m gespannt werden)<br />
Klebeband<br />
Durchführung<br />
Man nimmt sich einen Strohhalm und fädelt diesen auf die Schnur. Die Schnur spannt man<br />
stramm zwischen zwei festen Punkten im Raum oder draußen. Danach nimmt man sich<br />
einen Luftballon und pustet diesen größtmöglich auf. Wenn der Luftballon voll aufgepustet<br />
ist, befestigt man diesen am Strohhalm mit einem Streifen Klebeband. Nun muss man den<br />
Luftballon nur noch loslassen und dann fliegt er entlang der Schnur durch den Raum.<br />
Man sollte eine möglichst glatte Schnur wählen. Die Wahl der Ballonform beeinflusst<br />
ebenfalls das Experiment, am besten verwendet man die länglichen Partyluftballons<br />
Erklärung<br />
Das Luftballonrennen beruht auf dem Rückstoßprinzip. Durch das Loslassen des Ballons<br />
strömt die Luft aus dem Ballon und treibt ihn voran. Die durch den Rückstoß entstehende<br />
Kraft lässt sich über die Formel für die Schubkraft ermitteln:<br />
F � m�<br />
� c � � � c � A � c<br />
Diese Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Durchsatzrate m� (auch<br />
Massenstrom genannt) und der Geschwindigkeit des ausströmenden Mediums, der<br />
Massenstrom ist die Dichte des Mediums mal einer Fläche mal der Geschwindigkeit.<br />
Einheitenkontrolle<br />
F � m�<br />
� c � � � c � A � c<br />
kg<br />
N �<br />
�<br />
s<br />
m<br />
s<br />
kg m<br />
� � �m<br />
3<br />
m s<br />
2<br />
m<br />
�<br />
s<br />
kg �m<br />
� 2<br />
s<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
74
Strömungsmechanik - das Flaschenausleeren, Wirbel<br />
Material<br />
zwei gleiche Plastikflaschen<br />
Wasser<br />
Waschbecken oder Wanne<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man füllt zwei stabile exakt gleiche Plastikflaschen zur Gänze mit Wasser, am besten<br />
verwendet man zwei 1,5 Liter Pfandflaschen. Eine Person versetzt die Flasche kräftig in<br />
Rotation um die senkrechte Achse, sodass sich das Wasser stark zu drehen beginnt. Jetzt<br />
stellen beide Personen zu gleich die Flaschen auf den Kopf. Während beim einen das<br />
Wasser nur ganz unregelmäßig ausfließt, strömt es aus der Flasche, in der die Flüssigkeit<br />
rotiert, in einem Zug beinahe doppelt so schnell aus.<br />
Erklärung<br />
Beim einfachen Ausleeren der Flasche behindern sich das ausfließende Wasser und die<br />
einströmende Luft gegenseitig, sodass stets nur einzelne Luftblasen in die Flasche<br />
aufsteigen und unregelmäßig Wassermengen ausfließen können. Durch das Andrehen der<br />
Flasche vor oder auch nach dem Umdrehen beginnt die Flüssigkeit zu rotieren und hat auf<br />
Grund der Zentrifugalkraft das Bestreben soweit wie möglich an den Rand der Flasche zu<br />
gelangen. Deshalb bildet sich kurz nach dem Umdrehen von der Öffnung weg nach oben<br />
hin ein Wirbel mit einem Luftkanal in der Mitte. Somit kann Luft durch den Wirbel hindurch<br />
ständig nachströmen.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
75
Strömungsmechanik - der Flaschentornado<br />
Material<br />
zwei gleiche Plastikflaschen<br />
Isolierband<br />
Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man verwendet zwei stabile gleich große Plastikflaschen und füllt eine der beiden zu drei<br />
Viertel mit Wasser. Die beiden Flaschen klebt man mit Isolierband zusammen, sodass ein<br />
in sich geschlossenes System entsteht. Nun stellt man die somit erhaltene Kombi-Flasche<br />
auf den Kopf und versetzt das obere Ende mit einer Hand in leichte Drehbewegungen um<br />
die vertikale Achse. Nachdem zu Beginn einige einzelne Luftblasen aus der unteren<br />
Flasche in die obere steigen, bildet sich aus dem oberen Gefäßes ein so genannter<br />
Flaschentornado. Es entsteht ein Luftkanal im Zentrum, der nach oben hin immer größer<br />
wird, bis er die Außenfläche der Flasche erreicht.<br />
Erklärung<br />
Wegen der Rotationsbewegung drängt das Wasser zum Außenrand der Flasche hin. Da es<br />
aber auch in die untere Flasche strömt, müssen Luftblasen immer schneller hintereinander<br />
hochsteigen, bis sie einen Luftkanal bilden und ein Flaschentornado entsteht.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
76
Strömungsmechanik – der fliegende Teebeutel<br />
Material<br />
Teebeutel<br />
Schere<br />
Durchführung<br />
Bei einem Teebeutel wird die Kante, an der die Schnur befestigt ist, abgeschnitten, der<br />
Inhalt entleert, der Beutel zu einer Röhre geformt, auf einem feuerfesten Untergrund<br />
aufgestellt und der obere Rand angezündet. Dabei brennt der Beutel langsam und<br />
gleichmäßig ab,<br />
Erklärung<br />
Die Luft im Inneren der Röhre wird erwärmt und zugleich kommt durch den Abbrand eine<br />
Gewichtsabnahme des Materials zustande. Da warme Luft nach oben steigt, hebt der nun<br />
zu ca. 90 % abgebrannte Teebeutel ab und schwebt mit dem Luftstrom fünf bis acht Meter<br />
nach oben.<br />
http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
77
Strömungsmechanik - tanzenden Rosinen<br />
Material<br />
Rosine<br />
Mineralwasser<br />
Glas<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man füllt das Glas mit Mineralwasser (mit möglichst viel Kohlensäure) und gibt dann ca. 10<br />
Rosinen hinein. Sie werden zu Boden sinken, jedoch werden einige gleich wieder<br />
hochsteigen bis zur Wasseroberfläche und sinken dann wieder bis zum Grund des Glases.<br />
Es kann sogar vorkommen, dass eine Rosine kurzzeitig in derselben Mineralwassertiefe<br />
oberhalb des Bodens verweilt. Die Rosinen werden mehrmals hochsteigen und wieder<br />
sinken.<br />
Erklärung<br />
Damit ein Körper in einer Flüssigkeit schwimmt, muss seine Auftriebskraft größer sein als<br />
seine Gewichtskraft. Die Dichte der Rosinen ist aber höher als die Dichte von Wasser,<br />
weshalb sie zu Beginn auch alle zu Boden sinken. Im Mineralwasser befinden sich<br />
Kohlendioxidbläschen, von denen sich einige an der Oberfläche der Rosinen hängen. Vor<br />
dem Öffnen der Flasche ist das Kohlendioxid auf Grund des höheren Drucks in der Flasche<br />
im Wasser gelöst und die Bläschen entstehen erst nach dem Öffnen der Flasche. Die<br />
Oberfläche der Rosinen ist rau, daher haften die Bläschen an ihrer Oberfläche und lassen<br />
die Rosinen schweben.<br />
Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik,<br />
Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz,<br />
2007<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
78
Strömungsmechanik – magnetische Korken, Grenzflächenspannung<br />
p+pp<br />
p+<br />
p+<br />
Material<br />
Schüssel mit Wasser<br />
Teil I: Korken<br />
Teil II: Pfeffer<br />
Spülmittel<br />
Teil III: Stück Faden zum Ring verknotet<br />
Spülmittel<br />
Durchführung – Teil I *)<br />
Von dem Korken schneidet man zwei dünne Scheiben ab. Diese legt man in das Wasser.<br />
Wartet man genügend lange, ziehen sich die Korken an. Möglich ist auch, dass die Korken<br />
an den Rand wandern und dort haften bleiben.<br />
Erklärung<br />
Durch die Grenzflächenspannung zwischen Korken und Wasser steigt der Wasserstand an<br />
dem Korken bzw. zwischen den beiden Korken oder dem Korken und Rand des Gefäßes.<br />
Da der Druck mit zunehmender Wassertiefe ansteigt<br />
� kg m �<br />
�p � � � g�<br />
�h<br />
�Pa��� � �m<br />
3 2 �<br />
�m<br />
s �<br />
Druckdifferenz = Dichte (rho) mal Erdbeschleunigung mal Höhendifferenz<br />
Der höhere Druck außen um die Korken, schiebt die Korken zusammen.<br />
Durchführung – Teil II<br />
Auf die Wasseroberfläche in dem Gefäß streut man etwas Pfeffer zur Sichtbarmachung.<br />
Nun tropft man etwas Spülmittel in das Wasser, die Pfefferkörner streben schlagartig nach<br />
außen.<br />
Durchführung – Teil III<br />
Man wechselt das Wasser aus und legt den ringförmigen Faden auf die wasseroberfläche.<br />
In die Mitte des Fadenrings tropft man etwas Spülmittel. Der Fadenring bildet sich zum<br />
einem kreisrunden Ring aus.<br />
Erklärung<br />
Spülmittel senkt die Grenzflächenspannung. Es bildet sich bei konstanetm Umfang eine<br />
möglichst große Fläche, so dass sich bei dem Faden ein Kreis ergibt.<br />
*) Alternative Versuchsdurchführung mit Heftzwecken:<br />
Ansicht von oben Ansicht von der Seite<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
79
Strömungsmechanik – Krümmungsdruck: warum hält ein LKW Reifen weniger Druck<br />
aus als ein Fahrradreifen?<br />
Material<br />
Teil I: Seifenblasen (alternativ: Wasser und Spülmittel)<br />
Trinkhalme (mit Abknickung), alternativ Stück dünnen Schlauch<br />
T-Stück (aus dem Aquariumzubehör)<br />
Teil II 2 Luftballons (normale Größe und kleine Größe (Wasserbombe))<br />
T-Stück und Schlauch<br />
Durchführung<br />
Was passiert, wenn man zwei unterschiedlich große Seifenblasen mit einander verbindet?<br />
Verbinde die Schläuche oder Trinkhalme am T-Stück. Tauche die beiden Enden in<br />
Seifenwasser und puste an den Enden vorsichtig jeweils eine Blase auf. Die größere<br />
Seifenblase wächst auf Kosten der kleineren.<br />
Über ein geeignetes T-Stück kann man versuchen, gleichzeitig einen normalen Luftballon<br />
und einen kleinen, eine Wasserbombe, aufzublasen.<br />
Erklärung<br />
Der Druck in der kleineren Seifenblase ist größer als in der größeren Seifenblase. Bei den<br />
Luftballons kann man den kleinen Luftballon, die Wasserbombe nicht aufblasen, da bei<br />
gleichem Material der vorhandene Krümmungsradius einen großen Druck zum Wachsen<br />
des Ballons benötigt<br />
Analogie<br />
Ein Fahrradreifen hat einen erheblich kleineren Krümmungsradius als ein LKW-Reifen.<br />
Was ist Druck? (Warum hält ein LKW-Reifen weniger Druck aus als ein Fahrradreifen?)<br />
Druck �<br />
Kraft<br />
Fläche<br />
Vorsichtig hineinpusten<br />
T-Stück<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
80
Die Kraft steht dabei senkrecht auf der Fläche, da Fluide (Gase und Flüssigkeiten) in Ruhe<br />
keine Schubspannung aufnehmen können (schüttet man eine Flüssigkeit zum Beispiel aus,<br />
breitet sich die Flüssigkeit unendlich aus).<br />
Die Druckkraft führt zu Kräften in den Randflächen einer Oberfläche (z.B. LKW- oder<br />
Fahrradreifen)<br />
kleine Kraft große Kraft<br />
Druck �<br />
�<br />
kleine Fläche große Fläche<br />
�������<br />
�������<br />
Fahrrad<br />
LKW<br />
Demnach sind beim Fahrradreifen die Kräfte in den Randflächen kleiner als beim LKW.<br />
Daher verträgt ein großer Reifen weniger Druck als ein kleiner Reifen!<br />
Idee zum Experiment:<br />
http://www.daserste.de/wissenvoracht/folge_dyn~folge,401~Page,3~cm.asp<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
81
Thermodynamik - Längenausdehnung einer Stricknadel<br />
Material<br />
Stricknadel ( oder ein Draht)<br />
Nähnadel<br />
Papierpfeil<br />
Kerze oder Brenner<br />
Zwei gleich hohe Flaschen<br />
Korken<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Man verkorkt die Flasche, sodass mindestes ein Zentimeter des Korkens aus der Flasche<br />
ragt. Senkrecht zur Korkenachse wird nun die Stricknadel in den Korken gesteckt. Der<br />
Papierpfeil wird an der Nähnadel befestigt. Diese Nadel kommt auf den Hals der zweiten<br />
Flasche. Nun muss die Stricknadel durch Veränderung der Höhe des Korkens so justiert<br />
werden, dass die Nähnadel zwischen Stricknadel und Flaschenhals eingeklemmt ist. Die<br />
Stricknadel muss auf der Nähnadel aufliegen.<br />
Man beobachtet nun genau den Stand der Pfeilspitze. Hält man eine Flamme unter die<br />
Stricknadel, so dehnt sich diese aus und dreht die kleinere Nähnadel. Der Zeiger auf der<br />
Nähnadel dreht sich daher weiter. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Stricknadel<br />
nicht über die Nähnadel hinweg rutscht.<br />
Variante<br />
Man kann die Stricknadel auch dadurch fixieren, in dem man sie an einem Ende einbiegt<br />
und dieses Ende in die geöffnete Flasche steckt. Der Korken ist in diesem Aufbau nicht<br />
notwendig.<br />
Erklärung:<br />
Die Wärme der Flamme führt zu einer Längenänderung der Nadel. Diese Änderung ist aber<br />
sehr klein. Allerdings kann diese Änderung durch die Nähnadel sichtbar gemacht werden.<br />
Wenn der Zeiger am Beginn nach unten gezeigt hat, so wird er sich beim Erwärmen der<br />
Nadel in Richtung der anderen Flasche drehen.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
82
Thermodynamik - das Münzventil<br />
Material<br />
Glasflasche<br />
Münze, die die Öffnung der Flasche vollständig abdeckt<br />
Kaltes Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Die Flasche wird mit dem kalten Wasser ordentlich gekühlt. Anschließend wird die Öffnung<br />
der leeren Flasche befeuchtet und mit der Münze verschlossen. Nun umfasst man mit<br />
beiden Händen die Flasche und wartet, bis die Körperwärme den Inhalt der Flasche<br />
erwärmt hat. Die Luft in der Flasche benötigt ein größeres Volumen und hebt die Münze<br />
von Zeit zu Zeit kurz an.<br />
Erklärung<br />
Die Flasche ist ein Gefäß mit konstantem Volumen. Beim Erwärmen mit den Händen<br />
beginnt sich die Luft in der Flasche zu erwärmen. Nach der idealen Gasgleichung erhöht<br />
sich neben der Temperatur auch der Druck innerhalb der Flasche<br />
p ~ T (Druck p ist proportional der Temperatur T) *)<br />
Dieser Druck richtet sich als Kraft gegen die Gefäßwand, also gegen die Flasche und die<br />
Münze. Ist der Druck groß genug um das Gewicht der nach unten drückenden Münze<br />
auszugleichen, kann die Luft die Münze anheben. Dabei entweicht ein Teil der erwärmten<br />
Luft, was einen Rückgang des Drucks in der Flasche bewirkt. Die Münze bleibt also wieder<br />
auf der Flasche liegen, bis der Druck durch die Wärmezufuhr wieder groß genug ist, um sie<br />
erneut zu heben.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
Ideale Gasgleichung<br />
p<br />
*) � RT<br />
(� = Rho = Dichte [Kg/m<br />
�<br />
3 ] R = spezielle Gaskonstante für Lüft =287 [J/(kg K]<br />
T = Temperatur in Kelvin [K])<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
83
Thermodynamik - Luft im Glaskolben<br />
Material<br />
Rundkolben mit längerem Glasrohr<br />
Behälter mit Wasser<br />
Kerze<br />
Aufbau und Durchführung (Teil 1)<br />
Der Kolben wird so gehalten, dass das Glasrohr<br />
vollständig ins Wasser taucht. Nun erhitzt man<br />
den Kolben mit der Kerze. Bald beginnen am<br />
unteren Ende des Glasrohres kleine<br />
Luftblässchen aufzusteigen.<br />
Aufbau und Durchführung (Teil 2)<br />
Jetzt entfernt man die Flamme, lässt aber die<br />
Öffnung des Glasrohres weiterhin die ganze Zeit<br />
unter Wasser. Die Luft im Kolben soll jetzt<br />
abkühlen. Unterstützt kann dieser Vorgang<br />
werden, indem man den Kolben nicht mit der<br />
ganzen Hand umfasst und ihn eventuell mit kalten Gegenständen in Berührung bringt. In<br />
der Zeit des Abkühlens muss man darauf acht geben, dass aus dem Kolben keine Luft<br />
austreten kann. Mit der Zeit beginnt das Wasser im Glasrohr langsam zu steigen. Dieser<br />
Effekt ist umso deutlicher zu erkennen, je kleiner der Durchmesser des Rohres ist.<br />
Erklärung<br />
Nach dem universellen Gasgesetz hängen die Größen Druck, Volumen und Temperatur<br />
eines Gases eng zusammen und erfüllen die Proportion p·V~T. Erhöht man also die<br />
Temperatur durch Wärmezufuhr, so erhöht sich auch der Druck und/oder das Volumen. In<br />
diesem Experiment dehnt sich das Gas zuerst aus, bis es an die untere Grenze des<br />
Glasrohres kommt und steigt dann in Form von kleinen Bläschen durch das Wasser auf. Im<br />
zweiten Teil wird das warme Gas im Kolben abgekühlt und mit der fallenden Temperatur<br />
fällt auch der Druck im Kolben. Das Gas drückt also weniger stark auf die Wasseroberfläche<br />
am unteren Rand des Glasrohres. Der Druck der Atmosphäre auf das Wasser<br />
bleibt natürlich unverändert und der resultierende Druck drückt das Wasser in das Rohr.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
84
Thermodynamik - ein nicht brennender Papierbecher<br />
Material<br />
Feuerzeug<br />
Papierbecher<br />
Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Der Papierbecher wird mit Wasser gefüllt. Anschließend wird versucht, den befüllten<br />
Becher von unten mit dem Feuerzeug zu entzünden. Solange man es auch versucht, der<br />
Becher beginnt nicht zu brennen.<br />
Erklärung<br />
Ist der Becher mit Wasser gefüllt, so ist die Innenseite des Bechers mit Wasser bedeckt, es<br />
entsteht eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Materialien, was den<br />
Wärmeaustausch begünstigt. Im Vergleich zum luftgefüllten Becher kommen auf die<br />
erhitzte Fläche sehr viel mehr Teilchen, die die Wärmeenergie abziehen können. Diese<br />
Wassermoleküle steigen auf, kühleres Wasser strömt nach. Die Hülle wird von innen<br />
gekühlt. Die Temperatur der Hülle stellt sich so ein, dass ein Gleichgewicht zwischen von<br />
der Kerzenflamme zugeführter Energie pro Zeiteinheit und vom Wasser aufgenommener<br />
Energie pro Zeiteinheit entsteht und diese reicht für eine Entzündung des Bechers nicht<br />
aus. Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität. Mit der Flamme kann nicht<br />
nur der Becher alleine erwärmt werden, sondern es muss auch das Wasser auf die<br />
Entzündungstemperatur des Bechers erwärmt werden (Entzündungstemperatur von Papier<br />
ca. 230 °C). Der Großteil der Energie wird also dazu verwendet, um das Wasser zu<br />
erwärmen, weshalb der Becher länger über der Flamme sein kann, ohne zu brennen. Erst<br />
wenn das Wasser vollständig verdampft ist, kann die Flamme den Becher entzünden.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
85
Thermodynamik - eine Spritze als Wasserkocher<br />
Material<br />
neue Einwegspritze (ca. 5 ml oder mehr)<br />
heißes Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
In die Spritze wird heißes Wasser (min. 40ºC) ca. 2 - 3 cm hoch aufgezogen, dann dreht<br />
man die Spritze und presst eventuell eingeschlossene Luft wieder hinaus. Für den Versuch<br />
muss nun die Öffnung der Spritze dicht verschlossen gehalten werden. Dazu können die<br />
Finger verwendet werden, oder man verschließt die Spritze indem man den vordersten Teil<br />
kurz mit einer Flamme erwärmt und mit einer Zange zusammendrückt. Nun wird langsam<br />
aber kräftig an dem Kolben gezogen, und es kann eine Blasenbildung in der Flüssigkeit<br />
beobachtet werden. Nach einiger Zeit füllt sich eine kleine Kammer über dem Wasser mit<br />
einem Gas, das nur aus dem Wasser stammen kann und demnach aus Wasserdampf<br />
besteht. Lässt man den Kolben los, so wandert er wieder Richtung Flüssigkeit und der<br />
Wasserdampf verschwindet wieder.<br />
Erklärung<br />
Eine Flüssigkeit beginnt bei einem niedrigeren Umgebungsdruck eher zu sieden. Demnach<br />
hat man zwei Möglichkeiten eine Flüssigkeit zum Sieden zu bringen: Entweder man erhöht<br />
die Temperatur der Flüssigkeit, diese Möglichkeit macht man sich für gewöhnlich beim<br />
Kochen zu nutze oder man senkt den Umgebungsdruck, was hier in diesem Experiment<br />
passiert ist. Beim Ziehen am Kolben erhöht man das Volumen über der Flüssigkeit. Nach<br />
der idealen Gasgleichung sinkt mit steigendem Volumen eines Gases der Druck im Gas,<br />
welcher wiederum den Umgebungsdruck der Flüssigkeit ausmacht. Die Teilchen der<br />
Flüssigkeit können also leichter aus der Flüssigkeit ausbrechen, die Flüssigkeit siedet.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
(modifiziert Kameier 2011)<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
86
Thermodynamik - Eis hat größeres Volumen als Wasser<br />
Material<br />
Tiefkühlfach<br />
leere Getränkedose oder Tablettenröhrchen<br />
Wasser<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Die Dose wird bis an den Rand mit Wasser gefüllt und in das Tiefkühlfach gestellt. Nach<br />
mehreren Stunden sollte das Wasser gefroren sein, und man kann die Dose wieder aus<br />
dem Kühlfach nehmen. Man sieht, wie etwas Eis aus der Dosenöffnung quillt.<br />
Erklärung<br />
Eis hat bei 0°C eine Dichte von 0,917 kg/dm³ Wasser aber 0,9982 kg/dm³30. Im<br />
Tiefkühlfach wird es kaum zu einer Verringerung der Masse auf Grund von Verdampfen<br />
oder Sublimieren kommen, die Masse des Wassers bleibt also unverändert. Demnach<br />
muss sich das Volumen vergrößern, was die ausgetretene Eisschicht an der Dosenöffnung<br />
erklärt.<br />
Wichtig: Der Versuch soll nicht mit einem Glasgefäß durchgeführt werden. Die<br />
Ausdehnung könnte zu Sprüngen oder gar zu Zerstörung des Gefäßes führen. Dieses<br />
Phänomen ist auch an den Frostbrüchen bei Gebäuden und Straßen im Winter schuld.<br />
Robert Schantl, Physikalische Freihandexperimente zur Thermodynamik, Diplomarbeit an der<br />
Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot<br />
Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007.<br />
http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-RobertSchantl.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
87
Optik - Reflexion und Reflexionsgesetz<br />
Material<br />
Ein Stück Karton<br />
Kamm<br />
Taschenlampe<br />
Schere (Messer)<br />
Spiegel<br />
Aufbau und Durchführung<br />
Schneide in den Karton ein Loch von zirka 2 cm Durchmesser und befestige darüber den<br />
Kamm. Die Zacken des Kamms sollen sich genau hinter dem Loch im Karton befinden,<br />
sodass das Licht der Taschenlampe, die sich auf der anderen Seite des Kartons befindet,<br />
in parallele Lichtstreifen aufteilt. Diese sollten auf einem Tisch zu sehen sein. Bringe nun<br />
einen Spiegel in einer gewissen Entfernung zum Karton an. Er muss schräg zu den<br />
Lichtstrahlen stehen.<br />
David Auer, Physikalische Freihandversuche aus Optik, Diplomarbeit,<br />
Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Technische<br />
Universität Graz 2005<br />
http://physicbox.uni-graz.at/bibliothek/freihandversuche_optik.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
88
Optik - Geometrische Optik, Brechung, Totalreflexion, Wasser als Lichtleiter<br />
Eine Dose mit einem Loch am unteren Teil des Mantels.<br />
Material<br />
Dose, Wasser, Taschenlampe, Bohrer<br />
Durchführung<br />
Bohre im unteren Teil des Mantels der Dose ein kleines Loch. Fülle anschließend die Dose<br />
mit Wasser, leuchte mit der Taschenlampe hinein und verdunkle den Raum.<br />
Beobachtung<br />
Das austretende Wasser erzeugt einen hellen Punkt. Das Bild zeigt den hellen Lichtfleck<br />
beim Auftreffen des Wassers auf den Untergrund.<br />
Erklärung<br />
Das Licht, das in das Wasser eindringt, wird an der Grenzschicht Wasser – Luft<br />
„totalreflektiert“ und so durch den schmalen Wasserstrahl nach außen transportiert. Es<br />
kann an der Stelle, an der das Wasser den Untergrund berührt ein heller Lichtfleck<br />
festgestellt werden, da dort keine Totalreflexion mehr stattfindet.<br />
Aus der seitlichen Ansicht ist der ganze Wasserstrahl sehr gut zu beobachten, da seine<br />
Oberfläche nicht ideal glatt ist.<br />
David Auer, Physikalische Freihandversuche aus Optik, Diplomarbeit,<br />
Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Technische<br />
Universität Graz 2005<br />
http://physicbox.uni-graz.at/bibliothek/freihandversuche_optik.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
89
Optik – Wellenoptik, Beugung, Beugung an Wassertröpfchen<br />
Das Bild zeigt den Regenbogen der durch die Flüssigkeitstropfen des Geysirs entsteht<br />
Material<br />
Experimentierleuchte, Sammellinse, Wasserzerstäuber, Wasser<br />
Aufbau<br />
Die Experimentierleuchte soll so aufgebaut werden, dass das Licht auf die Sammellinse<br />
fällt. Anschließend befüllst du den Zerstäuber mit Wasser und sprühst in den Lichtstrahl,<br />
der durch die Sammellinse erzeugt wird.<br />
Beobachtung<br />
Durch das Besprühen des Lichtstrahls mit Wasser wird ein Regenbogen sichtbar.<br />
Erklärung<br />
Wird eine Regenwand von der unverhüllten Sonne beschienen und blickt man mit dem<br />
Rücken gegen die Sonne gewendet nach der Regenwand, so kann man einen<br />
Regenbogen beobachten. Die Lichtstrahlen treten in die Wassertröpfchen ein, werden an<br />
ihrer Rückseite ein- oder zweimal reflektiert und beim Austritt in die Spektralfarben zerlegt.<br />
Jene Strahlen, die nur einmal reflektiert werden, bilden den so genannten<br />
Hauptregenbogen, der Nebenregenbogen entsteht durch zweimalige Reflexion und<br />
anschließender Spektralzerlegung. Die Intensität des Nebenregenbogens ist wegen der<br />
zweimaligen Reflexion schwächer. Gelegentlich kann man innerhalb des<br />
Hauptregenbogens noch allmählich verblassende, rötliche und grünliche Ringe<br />
beobachten, die man als sekundäre Regenbögen bezeichnet. Diese und die Tatsache,<br />
dass die Farbfolge im Einzelnen bei jedem Regenbogen etwas anders ist, deuten darauf<br />
hin, dass neben der Dispersionserscheinung auch noch Interferenzeffekte hinzukommen,<br />
die zum Teil durch Beugung zwischen den Wassertröpfchen entstehen.<br />
David Auer, Physikalische Freihandversuche aus Optik, Diplomarbeit,<br />
Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Technische<br />
Universität Graz 2005<br />
http://physicbox.uni-graz.at/bibliothek/freihandversuche_optik.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
90
Optik – Wellenoptik, Linsen, Wasserglas als Umkehrlinse<br />
Ohne durch das Wasser zu sehen, Blickt man durch das Wasser,<br />
zeigt der Pfeil nach links dreht sich der Pfeil um<br />
Material<br />
Zylindrisches Wasserglas (glatte Oberfläche), Wasser, weißes Blatt Papier, Filzstift<br />
Aufbau<br />
Zeichne auf das Blatt Papier einen waagrechten Pfeil, der ein wenig kleiner ist als das<br />
Wasserglas. Stelle das Blatt hinter das leere Wasserglas und fülle langsam Wasser ein, bis<br />
der Wasserstand im Glas höher ist als der Pfeil. Nun variiere den Abstand des Glases vom<br />
Blatt Papier bis ein scharfes Bild entsteht.<br />
Beobachtung<br />
Befindet sich kein Wasser im Glas siehst du den Pfeil in derselben Ausrichtung wie auf dem<br />
Blatt Papier. Wenn der Wasserstand höher ist als der Pfeil, kannst du sehen, dass sich der<br />
Pfeil umdreht.<br />
Erklärung<br />
Das mit Wasser gefüllte Glas wirkt als Umkehrlinse. Der Verlauf der Strahlen ist derselbe<br />
wie bei einer gewöhnlichen optischen Linse. (Der Mittelpunktstrahl durchläuft die Linse<br />
ungebrochen, Parallelstrahlen werden durch den gegenüberliegenden Brennpunkt<br />
gebrochen und Brennstrahlen werden so gebrochen, dass sie nach der Brechung parallel<br />
verlaufen). Folglich entsteht ein reelles, verkehrtes, Bild, das je nach Entfernung des<br />
Glases von dem Blatt Papier größer oder kleiner erscheint.<br />
David Auer, Physikalische Freihandversuche aus Optik, Diplomarbeit,<br />
Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Technische<br />
Universität Graz 2005<br />
http://physicbox.uni-graz.at/bibliothek/freihandversuche_optik.pdf<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
91
Optik – Helligkeit messen<br />
Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005<br />
Material<br />
Kerzen, Papier<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
92
Mathematik – Physik - Gradienten<br />
Im linken Bild siehst du eine klare, abrupte Grenze zwischen Schart und Weiß. Bei der<br />
rechten Darstellung ist der Übergang graduell, also ganz gleichmäßig, ohne erkennbare<br />
Zwischenschritte. Es gibt keine klare Grenzlinie zwischen Schwarz und Weiß, sondern<br />
einen Bereich, in dem Weiß weniger und Schwarz mehr wird und umgekehrt.<br />
Ein Gradient ist ein allmählicher Übergang mit keiner festen Grenze. Das ist wie wenn du<br />
einen Lautstärkeregler immer weiter nach links drehst, statt einen Knopf mit der Aufschrift<br />
„Ton aus“ zu drücken. Du merkst dann nur, dass die Musik immer leiser wird und<br />
irgendwann für dich nicht mehr hörbar ist. Auch Geschwindigkeit lässt sich graduell<br />
verändern, zum Beispiel, indem du beim Hochsprung zunächst langsam anläufst und dann<br />
vor dem Absprung schneller wirst oder wenn du mit dem Fahrrad nicht scharf bremst,<br />
sondern es langsam ausrollen lässt.<br />
Quelle: Sigrid Belzer: Die genialsten Erfindungen der Natur, Bionik für Kinder, Frankfurt am<br />
Main, 2010.<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
93
Lötanleitung am Beispiel des Herrenfahrrads<br />
www.techlab.uni-hannover.de/attachment.php?id=231<br />
Lege die Einzelteile auf die aufgezeichnete Vorlage.<br />
Verlöte bis auf das Hinterrad alle Verbindungsstellen des Rahmens (inklusive Vorderrad)<br />
Bei Fahrrädern mit zwei Streben zum Hinterrad muss vor dem Löten noch an<br />
entsprechender Stelle ein Stück aus dem Rad herausgetrennt werden. Trenne den Draht<br />
des Hinterrades vor und hinter dem Rahmenteilstück durch.<br />
Versehe die Enden der beiden Hinterrad-Einzelteile mit Lötzinn. Hierfür eignet sich auch die<br />
Einspannvorrichtung!<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
94
Löte nun das Hinterrad an den Rahmen.<br />
Löte den Lenker und den Sattel an das Fahrrad. Bei den antiken Fahrrädern sollte für das<br />
Anlöten des Sattels die Einspannvorrichtung verwendet werden.<br />
Fertig ist das Herrenfahrrad.<br />
Quelle:<br />
Leibniz Universität Hannover / TechLab<br />
www.techlab.uni-hannover.de/attachment.php?id=231<br />
FH <strong>Düsseldorf</strong> 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/<br />
95
Formelsalat<br />
Einheiten stehen jeweils in eckigen Klammern<br />
Weg [m] [Meter]<br />
Weg<br />
Zeit<br />
�m� �� s<br />
�<br />
Geschwindigkeit<br />
�<br />
Zeit<br />
Geschwindigkeit<br />
[ m / s]<br />
�� s<br />
�m� [ s]<br />
�m� � Beschleunigung<br />
[ s<br />
[ Meter]<br />
[ Sekunde]<br />
Masse * Beschleunigung = Kraft [Newton] F � m � a<br />
[kg] [m/s²] [N]<br />
Masse * Geschwindigkeit = Impuls I � m � v<br />
[kg] [m/s] [kg m/s]<br />
Kraft * Weg = Arbeit = Energie [Joule] E � F � x<br />
[N] [m] [Nm] [J]<br />
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96<br />
2<br />
]<br />
[ Sekunde<br />
[ Meter]<br />
zum<br />
Quadrat]<br />
Energie [ J]<br />
� Leistung [ W]<br />
Zeit [ s]<br />
Verbrauch [J]= Leistung [W] * Zeit [s]<br />
(kwh werden bezahlt - 2010: Strom 0,23 €, Gas 0,07 €)<br />
Kraft [ N]<br />
[ Pa]<br />
[ Pascal]<br />
�<br />
Fläche [ m ]<br />
Druck 2<br />
Moment [ Nm]<br />
� Kraft [ N]<br />
�Hebelarm[<br />
m]<br />
Leistung [W] = Moment [Nm] * Kreisfrequenz [1/s]<br />
(Drehzahl)<br />
Kraft [ N]<br />
e Spannung [ Pa]<br />
�<br />
Fläche [ m ]<br />
mechanisch 2
Impuls<br />
Zeit<br />
Masse ⋅ Geschwindigkeit<br />
= Kraft � Impulsbilanz: = Kraft<br />
Zeit<br />
2<br />
[m ] Energie [ J]<br />
spezifische Energie = 2<br />
[ s ] Masse [ Kg]<br />
Elektrische Leistung= elektrischer Strom * elektrische Spannung<br />
[W] = [VA] [A] [Ampere] [V] [Volt]<br />
Eine Anzahl von freiwilligen Schülern werden heute ihr persönliches Leistungsvermögen<br />
testen/ermitteln.<br />
Die Schüler laufen die Treppe einzeln von unten (EG) bis in das 2. OG . Wir stoppen genau<br />
die Zeit.<br />
Wie rechnet man die LEISTUNG aus?<br />
Schüler 1 Schüler 2 Schüler 3 Schüler 4 Schüler 5<br />
Körpergewicht in "kg" : 50 45<br />
Höhenunterschied "h" : 7 7<br />
Zeit in s : 12 10<br />
Leistung "P" in Watt : 292 315<br />
"Rang" : 2 1<br />
Versuche die Formel für die Leistung zu bestimmen, hangele dich an den Einheiten der<br />
Formeln entlang. Als Beschleunigung muss die Erdbeschleunigung ins Spiel gebracht<br />
werden.<br />
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97
Empfehlung<br />
Zu folgenden Themen sind bei der Firma EMS vollständige Experimentierkästen zu<br />
moderaten Preisen erhältlich (http://www.ems-kraus.de/)<br />
Wasser I<br />
Kapillarwirkung<br />
Adhäsion<br />
Oberflächenspannung<br />
Löslichkeit<br />
Wasser II<br />
Auftrieb<br />
Dichte<br />
Druck der Wassersäule<br />
Löslichkeit<br />
Schall<br />
Schallentstehung<br />
-weiterleitung<br />
-dämpfung<br />
-bündelung<br />
-reflexion<br />
Luft<br />
Luft ist nicht Nichts“<br />
Luftdruck<br />
Strömende Luft<br />
Wärmeausdehnung<br />
Zu den Experimentierkästen gehören Anleitungskarten für die Schüler und je ein<br />
Begleitheft!<br />
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98