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Experimente mit der Wasserrakete

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Experimente mit der Wasserrakete

Aufgabe 1:Wasserraketen basteln

Bastle nach der Bauanleitung eine Wasserrakete (hier empfiehlt sich eine Teamarbeit

in Zweiergruppen).

Aufgabe 2: Bestimmung der Flughöhe einer Wasserrakete

Zur Durchführung der Messung sind drei, besser vier Personen notwendig:

zwei Personen für die Höhenmessung, eine Person für den Start der Rakete, evtl. eine Person

zum Ablesen des Startdrucks, für die Videoaufnahme und als Protokollführer.

Zusätzlich erforderlich:

DLR-Höhenmesser, Meterband, Tangenstabelle oder Taschenrechner, Notizblock und Stift.

Stationen:

• Raketenoperator: 1 Schüler für den Raketenstart

• Protokollführer: 1 Schüler für die Messwerterfassung

• Triangulations-Team: 2 Schüler zur Höhenbestimmung

Nach jedem Start sollte ein Wechsel der Stationen

dafür sorgen, dass alle Schüler mindestens

ein Mal die Höhenmessung, den Raketenstart

selbst und das Führen des Messprotokolls

durchgeführt haben. Dies gilt für alle nach-

folgenden Aufgaben.

Startvorgang:

Für den Start der Wasserrakete ist eine große

Freifläche mit ausreichendem Abstand zu Bäumen,

Stromleitungen usw. erforderlich. Nach dem

Aufstellen des Startstabes (siehe Bastelanleitung)

positionieren sich zwei Personen (eine Erhö-

hung der Personenzahl verbessert das Ergebnis)

in einer Entfernung „L“ von ca. 15-20 m vom L

H

α

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Startplatz. Sobald die Rakete mit Luft bedrückt wird und sich der Druck dem „kritischen“

Auslösebereich nähert, beginnt die Messgruppe „Triangulation“mit den DLR-Höhenmessern

(Seite 11) die Rakete anzupeilen. Nach dem Start der Rakete verfolgt die Messgruppe mittels

der Höhenmesser die Flugbahn und fixiert den Winkel am Apogäum, also dem oberen

Scheitelpunkt der Bahnkurve, durch das Festhalten des Fadens am DLR-Winkelmesser. Der

Protokollführer notiert die beiden gemessenen Winkel und berechnet die Steighöhe durch

Mittelung beider Werte.

Rechenaufgabe: Wie lässt sich aus dem Apogäumswinkel und der Entfernung des Höhen-

messers von der Startrampe die Steighöhe „H“ berechnen? Hinweis: Betrachte die Abbildung

Triangulation. Wie lautet die trigonometrische Formel?

Formel zur Berechnung der Höhe: H = ____________

Für die Bestimmung der Steighöhe kann ein Taschenrechner oder eine Tangenstabelle ge-

nutzt werden. Was ist bei der Messung zu berücksichtigen, um das Ergebnis nicht zu verfälschen?

Hinweis: Augenhöhe!

Tipp: Zur Ermittlung des Auslösedrucks wird die Rakete ohne Wasser bedrückt. Es ist darauf

zu achten, dass der Korken immer exakt bis zur makierten Stelle in den Flaschenhals eingedrückt

wird. Da das „Auslösen“ des Korkens sehr schnell und spontan erfolgt, sind zum Ablesen des

„kritischen“ Auslösedrucks am Manometer der Fahrradpumpe eventuell mehrere Wieder-

holungen nötig.

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Aufgabe 3: Bestimmung der Flughöhe bei unterschiedlichen Füllgraden der Wasserrakete

Bei dieser Aufgabe soll der Einfluss der Wassermenge auf die Steighöhe der Rakete ermittelt

und der optimale Füllgrad bestimmt werden.

Es wird wie in Aufgabe 2 vorgegangen. Beginnend mit einer Füllung von 1.25 Liter wird in

0.25-Liter-Schritten der Füllgrad reduziert, die Rakete gestartet und wie gehabt die Steighöhe

durch Mitteln der beiden gemessenen Maximalhöhen bestimmt. Die Werte werden in die

Tabelle eingetragen.

Raketenstart Füllung (l) Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe

1 1.25

2 1.0

3 0.75

4 0.5

5 0.25

6 0.125

7 0

Bei welchem Füllgrad ist die größte Steighöhe erreicht worden?

Die maximale Höhe wurde bei

Füllgrad = ____________ Liter erzielt

Versucht zu begründen, warum das so ist!

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Aufgabe 4: Bestimme den Einfluss der Raketenmasse auf die Flughöhe

Bei dieser Aufgabe wird die Rakete mit der optimalen Wasserfüllung betrieben und durch

Balast das Raketengewicht variiert. Wie ändert sich die Flughöhe der Rakete? Gehe hierzu vor

wie in Aufgabenstellung 2. Wiege zusätzlich die Rakete im unbefüllten Zustand. Befülle die

Rakete jedes Mal mit der optimalen Wassermenge und variiere das Leergewicht der Rakete in

50-Gramm-Schritten durch Zusatzbalast (z.B. Knete) in der Raketenspitze

Zusätzlich erforderlich: Waage (mindestens 5 Gramm Genauigkeit)

und 150 Gramm Balast z.B. aus Knete

RaketenstartZusatzbalast (Gramm)

Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe

1 0

2 50

3 100

4 150

Wie ändert sich die Flughöhe mit zunehmendem Balast?

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Aufgabe 5: Bestimme die Auswirkung der Luftreibung auf die Flughöhe

Fertige hierzu unterschiedliche Spitzen für die Rakete an wie z.B. Halbkreis, Kegel,

Kegelstumpf, Tropfenform (siehe Bastelanleitung zur Wasserrakete)

Zusätzlich erforderlich: Bastelpappe sowie Gewebe- und Isoband

zur Herstellung der Raketenspitzen

Raketenstart Raketenspitze Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe

1 Halbkreis

2 Kegel

3 Kegelstumpf

4 Tropfenform

Bei welcher Raketenspitze lässt sich die größte Höhe erreichen?

Welche Spitze ist am aerodynamischsten?

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Aufgabe 6: Videoanalyse

Zusätzlich erforderlich: Digitalkamera mit mind. 25 fps, Stativ, PC,

optional: VIANA und Konverterprogramm

Vorgehen wie in Aufgabe 2. Nun wird zusätzlich eine Digitalkamera – je nach Brennweite der

Kamera in geeigneter Entfernung zum Startplatz – auf einem Stativ montiert. Vorversuche erlauben

einen optimalen Bildausschnitt (Hochkant-Format) zu finden. Der Flug der Rakete wird als Clip

aufgenommen. Dies erfolgt mit Hilfe der Videofunktion der Digitalkamera.

Tipp: Optimal sind Kameras mit einem Wert ab 50 fps, also einer Zeitauflösung von 0,02 s in

der Videosequenz. Eine Bildrate von 25 fps liefert noch befriedigende Ergebnisse und sollte

möglichst nicht unterschritten werden. Für diese Aufgabe ist die Kenntnis der Bildrate unbe-

dingt notwendig.

Für die Analyse des Videofilms am PC wird ein Player mit Einzelbildauflösung benötigt, wie

dies z.B. der VLC Movieplayer besitzt. Durch Abspeichern der Bilder und anschließender Aus-

wertung der Steighöhe können mit einem Tabellenkalkulationsprogramm ein s-t-Diagramm,

v-t-Diagramm oder ein a-t-Diagramm erstellt werden. Die Auswertung der Bilder kann dabei

digital mit einem Grafikprogramm wie z.B. Gimp oder mittels Messschieber/Lineal anhand der

ausgedruckten Aufnahmen erfolgen. Ein zusätzlich bei der Startrampe justierter Meterstab

liefert das für die Analyse erforderliche Maßstabsverhältnis, wobei auch die Rakete als Orientierungs-

länge der Steighöhenauswertung gewählt werden kann. Eine sehr gute Alternative für die

Analyse bietet das frei verfügbare Videoanalyseprogramm VIANA [1], das eine automatische

Auswertung von Digitalvideos erlaubt und eine Datenübertragung in EXCEL ermöglicht.

[1]: Das Programm VIANA ist frei unter http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/ erhältlich

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Aufgaben:

Werte die Beschleunigungsphase der Rakete aus. Durch was wird dieser Zeitraum bestimmt?

Ermittle die maximale Geschwindigkeit einer Wasserrakete. Wann kann diese bestimmt werden

und welche Bilder sind hierzu erforderlich?

Wie kann aus der Maximalgeschwindigkeit auf die Maximalhöhe geschlossen werden?

Hinweis: Energieerhaltungssatz.

Vergleiche deinen theoretischen Wert mit den experimentell bestimmten Werten. Gibt es

Abweichungen? Warum ist das so? Hinweis: Hier hilft Aufgabe 5 weiter.

Variiere das Raketengewicht, Füllmenge oder die Raketenspitze. Wie ändern sich dadurch

die Maximalgeschwindigkeit und daraus die theoretische Maximalhöhe? Vergleiche mit den

vorausgegangenen Messungen. Was fällt dir hierbei auf? Was passiert, wenn du den Korken

weniger fest einpresst?

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Zusatzblatt Videoauswertung

• Starte den Videokonverter „Super“

• Ein Video zur Auswertung auswählen (evtl. schneiden) und mit der Maus

in den „Super“ Videokonverter verschieben

• Auf „Encode (Active Files)“ drücken und warten, bis das Video konvertiert ist. Das konvertierte

Video wird mit dem Zusatz .MOV in dem Ursprungsordner gespeichert

• Starte „Viana364.exe“

• Auf „Film laden“ klicken und den konvertierten Film auswählen

Den Bereich für die Auswertung festlegen

Bildrate einstellen

Wenn der Bereich für die Auswertung festgelegt ist und die Bildrate eingestellt ist, auf „Manuell“ klicken.

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Zur Videoauswertung:

Mit der linken Maustaste wird die Position auf dem Bildschirm gespeichert, mit der rechten

Maustaste kommt das nächste Bild. (Es muss nicht jedes Bild ausgewertet werden.)

Wenn genügend Messpunkte erfasst wurden, auf „Auswertung“ klicken.

So kann die Auswertung eines Wasserraketenflugs aussehen.

Die Länge der Rakete zum Kalibrieren der Strecken messen.

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Zusatzblatt Triangulation

Raketenstart Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe

1

2

3

4

5

Formel zur Berechnung der Höhe: H =

Abstand Messpunkt 1: L1 =

Abstand Messpunkt 2: L2 =

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Durchführen der Triangulation:

Für die Höhenbestimmung sind nur Kenntnisse der ebenen Geometrie, genauer das Rechnen

im rechtwinkligem Dreieck notwendig.

Vorgehen: Eine Messgruppe „Triangulation“ (je mehr Personen messen, umso genauer wird

das Ergebnis) peilt mittels der angefertigten Winkelmesser (Vorlage auf Seite 12) die Flugbahn

der Rakete an. Hierzu muss sich die messende Person in einem bekannten Abstand zur Start-

rampe befinden. Diese Streckenlänge entspricht in einem Dreieck, in welchem der Boden mit

der (optimaler Weise) senkrechten Flugbahn der Rakete einen rechten Winkel bildet, der Ankathete.

Durch Nachverfolgen der Rakete und Fixieren des Winkel am Apogäum, dem oberen Umkehr-

punkt der Bahnkurve durch Festhalten des am Winkelmesser befestigten Fadens, erhält man

eine weitere Messgröße. Aus der Streckenlänge der Ankathete und dem Apogäumswinkel

lässt sich die Steighöhe nun berechnen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schüler ihre Augen-

höhe mit berücksichtigen, um das Ergebnis nicht zu verfälschen.

Die einzelnen Schritte:

1. Länge der Ankathete festlegen.

2. Der Flug der Rakete wird mit dem „Winkelmesser“ verfolgt. Im Umkehrpunkt (höchste

Steighöhe, Apogäum) wird der Winkel, durch Festhalten des Fadens am Winkelmesser fixiert,

abgelesen und notiert. Mehrere Personen bei der Messung verbessern das Ergebnis.

Bei der Höhenbesitmmung die Augenhöhe berücksichtigen.

3. Über die trigonometrische Definition des Tangens wird die Steighöhe (Gegenkathete in

einem rechtwinkligem Dreieck) der Rakete ermittelt.

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Zum Herstellen des DLR-Höhenmessers dieses Blatt auf festes Papier oder Fotokarton drucken.

Die Enden der kurzen Blattseiten bündig aufeinander legen und das Blatt an den beiden kurzen,

senkrechten Strichen zusammen tackern.

Darauf achten, dass das Papier dabei nicht geknickt wird, sondern sich am Ende mit den auf-

gedruckten Pfeilen eine Lasche bildet, durch die man später die fliegende Rakete anpeilen kann.

Am schwarzen Punkt einen ca. 15 cm langen Faden ankleben, der am freien Ende mit einer

M6-Mutter beschwert wird.

Die Richtung der Pfeile entspricht der Blickrichtung für das Anpeilen der Rakete.

hie

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hier Kleben

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HINWEIS

Die hier beschriebenen Mitmach-Experimente wurden sorgfältig ausgearbeitet. Sie können

jedoch auch bei ordnungsgemäßer Durchführung und Handhabung mit Gefahren verbunden

sein. Die hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente sind ausschließlich für den Einsatz im

Schulunterricht vorgesehen. Ihre Durchführung sollte in jedem Fall durch eine Lehrkraft

betreut werden. Die Richtlinien zur Sicherheit im Schulunterricht sind dabei einzuhalten.

Das DLR kann keine Garantie für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Durchführbarkeit der hier

beschriebenen Experimente geben. Das DLR übernimmt keine Haftung für Schäden, die bei

Durchführung der hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente entstehen.