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Freihandversuche zur Kinderfachhochschule Eine Sammlung naturwissenschaftlicher Experimente für Kinder zu verstehen für Kinder durchzuführen Ergänzungsmaterial zum Workshop „Physik zum Fahrrad“ FH D Fachhochschule Düsseldorf University of Applied Sciences

FH Dstroemungsakustik.de/old.mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Ka...Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Bechertelefon Material 2 Plastikbecher Schnur (5m), mind. 2 Personen Durchführung

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  • Freihandversuche zur

    Kinderfachhochschule

    Eine Sammlung naturwissenschaftlicher Experimente

    • für Kinder zu verstehen • • für Kinder durchzuführen •

    Ergänzungsmaterial zum Workshop „Physik zum Fahrrad“

    FH D Fachhochschule Düsseldorf University of Applied Sciences

  • © FH Düsseldorf 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/

    Freihandversuche zur

    Kinderfachhochschule

     

    Eine Zusammenstellung von

    Experimenten

    Ergänzungsmaterial zum Workshop „Physik zum Fahrrad“ Akustik Mechanik Strömungsmechanik Thermodynamik Optik Mathematik Lötanleitung Formelsalat Gesammelt von Frank Kameier Philipp Mikikis Stefanie Thiele Umut Yaya

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    Mit den Quellenangaben wurde sorgfältig verfahren. Sofern keine Quelle genannt ist, hat das Erstsemesterprojekt „Physik zum Fahrrad“, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Wintersemester 2010/11, das Experiment formuliert. Die Vervielfältigung der Unterlagen wurde unterstützt von der Stiftung Begabtenförderung Düsseldorf, der Landeshauptstadt Düsseldorf, Competence Center Begabtenförderung (CCB), sowie der Fachhochschule Düsseldorf, University of Applied Sciences Düsseldorf, im April 2011 verantwortlich Prof. Dr.-Ing. Frank Kameier Fachhochschule Düsseldorf Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachgebiet Strömungstechnik und Akustik Kompetenzplattform „Sound and Vibration Engineering (SAVE)“ Josef-Gockeln-Str. 9 40474 Düsseldorf http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de [email protected]

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    Akustik - Schallwellen - Ausbreitung mit 340 m/s Material Luftballon und Mehl oder Kreidestaub, Nadel Durchführung Man füllt einen Luftballon mit Mehl und bläst ihn auf. Die Beobachter stehen mindestens 30 m entfernt, wenn der Luftballon mit einer Nadel zum Platzen gebracht wird. Erklärung Der Schall braucht mehr Zeit, um sich auszubreiten als das Licht, daher sieht man die Mehlwolke bevor man das Geräusch hört. Die Ausbreitung in Luft erfolgt mit etwa 340 m/s Schallgeschwindigkeit. Licht breitet sich mit 300.000 km/s aus. Akustik - Schallwellen – Reflexion – Sprachrohr (Megaphon)

    Material Bogen Pappe Durchführung Man rollt den Bochen Pappe zu einem Trichter und spricht zu einer entfernten Person. Erklärung Im Sprachrohr wird der Schall an den Wänden reflektiert und so zur großen Öffnung geleitet, dass es zu einer wirkungsvollen Schallabstrahlung nach vorne kommt, die auch als Verstärkung wahrgenommen wird.

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    Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Bechertelefon

    Material 2 Plastikbecher Schnur (5m), mind. 2 Personen Durchführung Man bohrt in die Böden der zwei Becher kleine Löcher. Die Enden der Schnur werden durch diese Löcher geschoben und verknotet, sodass sie nicht durch rutschen können. Dann wird die Schnur straff gespannt. Die eine Person spricht in den einen Becher, die zweite auf der anderen Seite hält den Becher an das Ohr. Erklärung Die Schallschwingungen der menschlichen Stimme bringen auch den Boden des Bechers zum Schwingen. Diese Schwingung überträgt sich auf die Schnur und geht so auf den zweiten Becher über. Damit ist die Stimme zu hören. Dieses „Telefon“ funktioniert nur, wenn die Schnur gerade und straff gespannt ist. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Um die Ecke hören

    Material Eieruhr, der Akustikkoffer Durchführung Man stellt eine Eieruhr hinter den aufgestellten Koffer. Wenn der Wecker hinter dem Koffer abgeht, hört man das Geräusch trotzdem, obwohl es keinen direkten Kontakt gibt. Erklärung Dadurch, dass die Hindernisse in unserem Alltag im Meterbereich liegen und die Wellenlänge des Schalls auch, kann der Schall gebeugt werden. Somit können wir um die Ecke hören. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik - Schwingungen – Schallübertragung - Richtungshören

    Material Schlauch, Versuchspartner Durchführung Man hält einen Schlauch mit dem einen Ende an das eine Ohr und mit dem zweiten Ende an das andere Ohr. Dann klopft ein Versuchspartner mit dem Finger auf den Schlauch und man muss raten, aus welcher Richtung das Geräusch kommt. Idealerweise markiert man vorher die Mitte des Schlauches (z.B. mit einem Stück Schnur). Erklärung Man hört das Geräusch zuerst links bzw. rechts, weil der Schall weniger Weg zum entsprechenden Ohr zurücklegen muss. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik - Schwingungen – Wellenlänge - Flöte unter Wasser

    Material Flöte, Becher oder Weinglas, Wasser Durchführung Alle Löcher der Flöte werden mit den Fingern verschlossen. Dann wird sanft in die Flöte hinein geblasen, ein einfacher tiefer Ton ist zu hören. Nun atmet man tief ein und bläst in die Blockflöte, während man sie immer tiefer in das Wasser taucht. Wie verändert sich die Tonhöhe? Dann atmet man nochmals tief ein und bläst während man die Flöte wieder langsam aus dem Wasser zieht. Wie verändert sich nun der Ton? Erklärung Wenn man in die Blockflöte bläst, schwingt die darin befindliche Luft und erzeugt einen Ton. Die Höhe hängt von der Länge der Luftsäule im Inneren der Flöte ab. Wenn man diese nun in das Wasser eintaucht, steigt das Wasser im Inneren auf und verkürzt die Luftsäule. Der Ton wird damit höher. Entsprechend wird der Ton wieder tiefer, wenn sich die Luftsäule verlängert, weil die Flöte wieder aus dem Wasser gezogen wird. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik - Schwingungen – Ausbreitungsrichtung - Eieruhr–Trick

    Material 2 Kunststofftrichter, Plastikschlauch, Eieruhr Durchführung Die Trichter werden auf die Schlauchenden gesteckt, die Uhr wird in ca. 2m Entfernung auf den Boden gelegt. Eine Person hält den einen Trichter über die Uhr, während die andere Person den anderen Trichter an das Ohr hält. Das „Tick –Tack“ der Uhr ist deutlich zu hören, der Schall wird durch den Schlauch weitergeleitet. Erklärung Normalerweise breiten sich Schallwellen in alle Richtungen aus, dabei gehen leise Geräusche schnell verloren. Wenn aber alle Schallwellen in eine bestimmte Richtung gelenkt werden, wie es beim Trichter und dem Schlauch der Fall ist, sind auch diese leisen Töne zu hören. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik - Geräuscherzeugung – Die Papierpistole

    Material 1 Blatt Papier Durchführung Zuerst faltet man das Papier der Länge nach in der Mitte und öffnet es wieder. Danach faltet man alle 4 Ecken nach innen, sodass eine Seite davon an der ersten Falzlinie anliegt. Man faltet das Papier der Länge nach in der Mitte, dann in der Breite und schließlich öffnet man es wieder. Man faltet die am weitesten entfernte Ecke dem Mittelfalz entlang nach unten. Man falzt das Papier der bereits bestehenden Mittellinie entlang, aber in der anderen Knickrichtung. Man hält die beiden spitzen Enden zwischen 2 Fingern und bewegt die „Pistole“ scharf nach unten, sodass der Innenteil unter einem heftigen Knall nach außen schießt. Erklärung Durch den schnellen Luftzug wird das Papier nach außen gedrückt, die Schalldruckwelle breitet sich rasch aus und die in Schwingung versetzte Luft erzeugt ein Geräusch (Knall). Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik - Geräuscherzeugung – Schwirrholz

    Material 1 Holzlineal, 1 Stück Schnur 1,5m Durchführung In das Loch am einen Ende des Lineals, wird das Stück Schnur gesteckt und verknotet. Das freie Ende der Schnur wird festgehalten und das Holz um den Kopf gewirbelt. Erklärung Ab einer gewissen Geschwindigkeit wird das Holzstück derart angeströmt, dass sich periodische Wirbel ablösen und damit ein merkwürdiger dröhnender Laut erzeugt wird. Dieser wird umso lauter, je schneller das Holz gedreht wird, auch die Tonhöhe verändert sich.

    Anströmung Zylinder Wirbelstraße erzeugtoder Rechteckprofil Druckschwankung

    Alternativ kann man auch ein Kabel von einem elektrischen Gerät verwenden, an dem man nichts verändern muss und schwingt dieses rotierend durch die Luft – Vorsicht: Sicherheitsabstand halten. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik - Geräuscherzeugung – Visualisierung von Schallwellen

    Material 5 Murmeln Durchführung Man ordnet vier Murmeln in einer Reihe an und stößt die Fünfte so an, dass sie auf das hintere Ende der Reihe stößt. Jede Murmel gibt den Stoß weiter. Wenn die letzte Kugel den Stoß erhält, rollt sie weg. Erklärung Bei einem Ton oder Geräusch stoßen winzige Luftteilchen aneinander. Die angeregten Teilchen geben dabei einen Teil ihres Impulses an ihre Nachbarn weiter. Auf diese Weise können sich Schallwellen fortpflanzen, ohne dass die Teilchen selbst über große Strecken bewegt werden. Sie schwingen beim Schall um ihre Ruhelage nur leicht hin und her, bleiben aber eigentlich an Ort und Stelle. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik – Schallausbreitung – Körperschall - Töne in unserem Kopf

    Material 2 Löffel, Schnur Durchführung Die Löffel werden in der Mitte einer längeren Schnur verknüpft und leicht aneinander geschlagen. Man hört dabei ein helles Klingeln. Wenn nun die beiden Enden der Schnur fest an die Ohren gepresst und die Löffel nochmals angeschlagen werden, verändert sich der Klang. Erklärung Da die Schallwellen nicht den Umweg über die Luft nehmen müssen, werden sie viel lauter und anhaltender gehört. Die Ausbreitung über die Schnur (Körperschall) ist schneller und die Dämpfung ist daher geringer. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik – Schallausbreitung – Körperschall - Kleiderbügelglocke

    Material 1 Kleiderbügel, 2 Stück Zwirn Durchführung Um die Enden des Kleiderbügels werden die Zwirnstücke gewickelt, die Endstücke des Zwirns werden um die Zeigefinger gewickelt. Mit den Zeigefingern hält man sich die Ohren zu. Dann schlägt man den Kleiderbügel an einen festen Gegenstand (Tisch etc.) und hört einen glockenähnlichen Ton. Erklärung Die Schwingungen übertragen sich vom Kleiderbügel auf den Zwirn, weiter auf die Knochen der Finger, den Schädelknochen und von dort auf das Innenohr – ein glockenähnlicher Ton ist zu hören. Der Grund dafür ist, dass sich der Schall in festen Materialien wesentlich schneller ausbreitet als in Luft. (Vergleiche auch Versuch „Töne in unserem Kopf“). Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – das Trinkhalm–Rohrblatt

    Material 1 Strohhalm Durchführung & Erklärung (1) Ein Ende des Halmes wird abgeflacht und die beiden Ecken werden abgeschnitten. Wenn man nun das abgeschnittene Ende zwischen die Lippen hält und leicht bläst, bringt die Luft die „Zungen“ des Strohhalms zum Schwingen. Diese Schwingung setzt sich durch den Halm fort und erzeugt einen Ton. Dieser verändert sich mit der Länge des Halms. Durchführung & Erklärung (2) In der Mitte des Strohhalms wird ein Einschnitt gemacht. Damit kann der Halm auf und nieder gebogen werden. Somit verändern sich die Länge der Luftsäule und die Tonhöhe. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Gartenschlauchposaune

    Material Schlauch Durchführung Man spitzt die Lippen und bringt sie nahe am Schlauchende zum Vibrieren. Die Luft wird durch den Schlauch geblasen, es entstehen Schwingungen und nicht sehr „musikalische“ Töne, deren Höhe sich ändert, wenn man die Lippen mehr oder weniger fest zusammenpresst. Erklärung Die durch das Blasen in Schwingung versetzte Luft verursacht verschiede Töne. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Was ist in der Schachtel?

    Material mehrere kleine Filmdosen, Reiskörner, Knöpfe, Murmeln etc. Durchführung Jeweils eine Gruppe von Gegenständen wird in eine Dose gegeben und diese dann verschlossen. Man schüttelt die Schachteln und soll dann den Inhalt der Schachteln erraten. Erklärung Jedes Material verursacht ein anderes Geräusch in der Dose (wegen unterschiedlicher Masse, Dichte, Oberfläche, etc.) Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Plastikflaschenmusik

    Material 1 Plastikflasche (0,5l) Durchführung Man befüllt eine Plastikflasche mit Wasser (ca. halb voll). Dann bläst man in die Flasche, sodass ein Ton entsteht. Leert man dann etwas Wasser aus, und bläst wiederum in die Flasche, ergibt sich ein anderer Ton. Erklärung An der Flaschenöffnung bilden sich beim Überblasen Wirbel (breitbandiges Rauschen), ein Teil dieses Geräusch wird durch das Resonanzvolumen (Luft in der Flasche) verstärkt. Ändert man die Füllmenge in der Flasche, so ändert sich das Volumen des Resonators (Helmholtz-Resonator).

    Helmholtz-Resonator

    2/rlVr

    2af

    2

    cAnström.

    cAnström.

    hohe Frequenz

    tiefe Frequenz

    Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik – Schwingungen – Visualisierung - Tanzende Reiskörner

    Material Reiskörner, Tamburin Durchführung Variante 1: Man legt ein paar Reiskörner auf die Tamburinbespannung und schlägt das Tamburin leicht an. Variante 2: Man richtet den Gartenschlauch auf die Membran (das Trommelfell). Ein Versuchspartner bläst in das andere Schlauchende und versucht die Luftsäule so zum Schwingen anzuregen, dass die Reiskörner auf der Membran springen. Erklärung Die Schwingungen des Trommelfells bewirken, dass die Reiskörner „zu tanzen“ beginnen. Wenn die Eigenfrequenz der Reiskörner durch die Tamburinschwingungen getroffen wird, kommt es zur Maximierung der Schwingungsamplitude – man spricht von Resonanz. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallausbreitung – Gehörtest (1)

    Material 1 Reiskorn, 1 Lineal, Versuchspartner, ruhige Umgebung Durchführung Man stellt sich mit dem Rücken zum Tisch, der Versuchspartner lässt das Reiskorn immer aus einer Höhe von ca. 10cm auf den Tisch fallen (mit Lineal überprüfen). Man gibt Bescheid, wenn man das Reiskorn auf den Tisch fallen gehört hat. Dann entfernt man sich 2m und der Partner lässt das Reiskorn wieder fallen. Das wiederholt man so lange, bis man das Reiskorn nicht mehr hört. Wechselt man sich ab, wird man eine unterschiedliche Empfindlichkeit des Gehörs feststellen. Erklärung Die Ausbreitung des Schalls bzw. das „Hörerlebnis“ genügt dem quadratischen Zusammenhang von Fläche und Radius einer Kugel, da sich Schall normalerweise auf Kugeloberflächen ausbreitet. Bei doppelter Entfernung ist nur noch ein Viertel der Schallintensität vorhanden. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik – Schallausbreitung – Gehörtest (2)

    Material 1 Stimmgabel Durchführung & Erklärung Setzt man den Griff einer schwingenden Stimmgabel auf die Mitte des Kopfes, lokalisiert ein Mensch mit einseitiger Luftleitungsschwerhörigkeit (z.B. durch eine Mittelohrerkrankung) die Stimmgabel zur kranken Seite hin. Man kann dies als Gesunder simulieren, indem man ein Ohr zuhält und den Versuch durchführt. Bei Innenohr-schwerhörigkeit wird der Ton zur gesunden Seite hin lokalisiert, weil das kranke Ohr den Ton leiser hört. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schwingungen – Visualisierung

    Material 1 Weinglas, Zwirn, 1 Knopf, Schlagzeugstick Durchführung Den Knopf mit dem Zwirn so an den Stiel des Glases binden, dass er am Rand des Glases hängt. Mit den Fingerspitzen der einen Hand das Glas am Boden halten und mit einem Schlagzeugstick an die äußere Wand des Glases schlagen, so dass es einen Ton von sich gibt. Solange der Ton anhält, wird der Knopf an der Glaswand herumspringen. Erklärung Die Schwingungen des Glases werden auf den Knopf übertragen. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallausbreitung – Schwingende Gläserresonanz

    Material 2 Weingläser, 1 Stück Draht, Wasser Durchführung Die beiden Weingläser werden auf genau die gleiche Höhe zu ¾ mit Wasser gefüllt und in geringem Abstand zueinander aufgestellt. Auf das eine Glas wird das Drahtstück gelegt. Das Glas ohne Draht wird mit einem feuchten Finger in Schwingung versetzt. Der Draht auf dem anderen Glas beginnt zu vibrieren. Erklärung Durch die Schallwellen der Luft werden die Schwingungen des ersten Glases auf das zweite übertragen. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallausbreitung – Stimmgabelversuch

    Material Stimmgabel, 1 Glas Wasser Durchführung Auch die Schwingungen einer Stimmgabel kann man sichtbar machen, zum Beispiel mit einem Glas Wasser. Man hält die angeschlagene Stimmgabel mit den Fingern fest und nähert sie dem Wasser. Die Schwingungen pflanzen sich auch auf der Wasseroberfläche fort. Wenn man die Stimmgabel eintaucht, spritzt das Wasser richtig auf. Erklärung Das Wasser wird von den Schwingungen der Stimmgabel bewegt. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Linealmusik

    Material 1 Plastiklineal Durchführung Man legt das Lineal auf einen Tisch und hält es dabei so fest, dass es zur Hälfte über die Tischkante hinausreicht. Nun lässt man das freie Ende des Lineals schwingen, indem man es anschlägt. Dann verschiebt man es zur Tischmitte hin, sodass nur noch ein kurzes Stück über die Tischkante hinausragt. Dann wird es wieder angeschlagen. Dasselbe macht man, wenn ¾ des Lineals über die Tischkante reichen. Erklärung Durch das Anschlagen versetzt man das Lineal in Schwingung, die schwingende Luft und das aufprallende Lineal auf dem Tisch, lassen „Musik“ ertönen. Je kürzer das frei bewegliche Linealstück ist, desto höher ist der erzeugt Ton. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Gläserxylophon

    Material 2 Weingläser, Wasser, 1 Löffel Durchführung Zwei Gläser werden unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt. (Wenn mehr Gläser zur Verfügung stehen, kann eines der Gläser leer bleiben). Nun schlägt man mit einem Löffel sachte an die Seite der Gläser. Wenn das Glas angeschlagen wird, wird dabei das darin befindliche Wasser in Schwingung versetzt. Je mehr Wasser vorhanden ist, desto tiefer ist der Ton. Erklärung Durch die verschieden hohen Wasserstände hat jedes Glas seine eigene Tonhöhe. Dadurch lassen sich sogar Melodien spielen. Mehr Wassermasse bedeutet niedrigere Schwingungsfrequenzen und damit tiefere Töne. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – singendes Weinglas

    Material 1 Weinglas, Wasser Durchführung In ein Weinglas wird ca. 1cm Wasser eingefüllt, den Fuß des Glases hält man mit der einen Hand, mit dem befeuchteten Zeigefinger der anderen Hand streicht man vorsichtig über den Rand des Glases. Durch stärkeres oder schwächeres Aufdrücken kann man das Glas irgendwann zum „Singen“ bringen – ein klarer Ton ist zu hören. Durch verschiedene Wassermengen lässt sich die Tonhöhe im Glas variieren. Erklärung Durch die verschieden hohen Wasserstände hat jedes Glas seine eigene Tonhöhe. Dies wird durch Resonanz erreicht (man „erwischt“ durch die Handbewegung die Eigenfrequenz des Glases). Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Strömungsgeräusche

    Material 1 Schnecke, alternativ funktioniert auch eine Tasse, das zweite Ohr muss man sich dann aber zuhalten Durchführung Man hält sich die Schnecke ans Ohr und hört das Meer bzw. sein Blut rauschen. Erklärung Durch die besonders gute Schallübertragung im Körper ist das Rauschen des Blutes zu hören. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Akustik – Schallerzeugung – Stimmgabelresonanz

    Material Zwei Stimmgabeln und eine Kachel Durchführung Wir bringen zwei gleiche Stimmgabeln zum Schwingen. Eine davon setzen wir auf eine Kachel. Erklärung Durch die Resonanz hören wir den Ton der Stimmgabel relativ laut, weil die Kachel mitschwingt. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

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    Akustik – Schallerzeugung – Körperschall

    Material Stimmgabel Durchführung Variante 1 Man nimmt die Stimmgabel, schlägt sie an und hält sie gegen das Ellbogengelenk, wobei die Hand ein Ohr berührt. Der Klang der Stimmgabel ist deutlich zu hören. Variante 2 Man hält die schwingende Stimmgabel gegen die Ferse und hält sein Knie gegen das Ohr (siehe Foto). Der Klang der Stimmgabel ist deutlich zu hören. Erklärung Der Klang der Stimmgabel wird über den Körper (Knochen) sehr gut zum Ohr übertragen, die Schallgeschwindigkeit in den Knochen ist deutlich höher als in Luft. Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf

  • FH Düsseldorf 2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 30

    Akustik – Leistung der Ohrmuschel Material Reis, zwei Pappstreifen Durchführung Streue einige Reiskörner auf den Tisch und versuche diese mit einer rechteckigen Pappröhre zusammen zu schieben („einzufangen“). Streue erneut einige Reiskörner auf den Tisch und schiebe die Körner mit einem Pappstreifentrichter zusammen („fange die Körner“).

    Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006 Erklärung Schall muss gebündelt oder „eingefangen“ werden. Mit einer großen Eintrittsfläche lassen sich die Schallwellen besser „einfangen“. Gebündelt treten die Schallwellen ins Innenohr ein.

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    Akustik – Schwingungen spüren

    Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006 Material Kamm, Papier (Seidenpapier oder Butterbrotpapier) Durchführung Falte ein Stück Papier über die Zähne eines Kamms. Halt dann deine Lippen gegen die so verdeckten Zähne des Kamms. Summe nun einen Ton, pass aber auf, dass das Papier nicht feucht wird. Was spürst du? Kannst du das erklären? Erklärung Man spürt ein Kribbeln an den Lippen. Durch das Summen, also durch strömende Luft, werden das Papier und die Zähne des Kamms in Schwingungen versetzt. Mit dem Kamm lassen sich so auch Töne erzeugen.

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    Akustik – Schwingungen visualisieren

    Quelle: Marianne Kelnberger, Rund ums Ohr, pb verlag Puchheim, 2006 Material Stuhl, Springseil Durchführung Befestige das Seil an der Rückenlehne eines Stuhls. Gehe mit dem anderen Ende des Seils etwas zurück, halte es fest und schwinge das Seil auf und ab. Wie nennt man die Schwingungsform? Erklärung Man sieht die Seilwellen als „Sinus-Wellen“ (periodische, gleichmäßig wiederkehrende Form) entlang des Seiles wandern. Bei Schallwellen schwingen Luftteilchen hin und her.

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    Mechanik – Punktmechanik, freier Fall von Kartonkarten

    Material 2 Kartonkarten DIN A5 (Ansichtskarten) Durchführung Zwei Karten werden gleichzeitig, aus gleicher Höhe losgelassen, während die eine horizontal zum Boden, die andere vertikal zum Boden gehalten wird. Beobachtung Die horizontal zum Boden gehaltene Karte braucht länger als die senkrechte. Bemerkung Den Einfluss des Luftwiderstandes kann man noch deutlicher zeigen, indem man die beiden Karten präpariert. Man klebt eine Münze in die Mitte der ersten Karte und eine Münze in die Nähe der kürzeren Kante der zweiten Karte. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Messung der menschlichen Reaktionszeit

    Material Langes Lineal, Maßstab, Versuchsperson Durchführung Die Versuchsperson hält eine Hand nach vorne. Nun wird das Lineal so gehalten, dass die Nullmarkierung mit dem Zwischenraum Daumen – Zeigefinger abschließt. Jetzt lässt man das Lineal plötzlich los. Man liest die Fallhöhe (die zurückgelegte Strecke) am Lineal ab, trägt das Ergebnis in eine Tabelle ein und bestimmt daraus die Reaktionszeit. Beobachtung Das Lineal fällt nach unten, der Versuchsperson gelingt es erst nach ungefähr 20 bis 30 cm das Lineal zu fassen. Die Zeit, die dabei vergeht, wird Reaktionszeit genannt. (Reaktionszeiten können in der Tabelle abgelesen werden.) Erklärung Im freien Fall bewegt sich das Lineal mit einer konstanten Beschleunigung, die der Erdbeschleunigung entspricht. Aus dem Weg-Zeitgesetz s=1/2 g * t² kann man nach t aufgelöst die Reaktionszeit berechnen. Dabei verwenden wir für g = 9,81 ms-2 Weg [cm] 8 9 10 11 12 13 14

    Zeit [sec.] 0,128 0,135 0,143 0,150 0,156 0,163 0,169

    Weg [cm] 15 16 17 18 19 20 21

    Zeit [sec.] 0,175 0,181 0,186 0,192 0,197 0,202 0,207

    Weg [cm] 22 23 24 25 26 27 28

    Zeit [sec.] 0,212 0,217 0,221 0,226 0,230 0,235 0,239

    Weg [cm] 29 30 31 32 33 34 35

    Zeit [sec.] 0,243 0,247 0,251 0,255 0,259 0,263 0,267

    Bemerkung Dieses Experiment würde sich hervorragend als Einstiegsexperiment eignen, da es Wettbewerbscharakter hat: Wer hat die kürzeste Reaktionszeit? Spielregeln sollten aber vorher festgesetzt werden, um eventuelle Streitigkeiten zu verhindern. Eine Möglichkeit wäre auch anstatt des Lineals einen Geldschein zu nehmen mit der Behauptung, dass ein Fangen des Geldscheins, wenn der Versuchsaufbau der gleiche bleibt und die Versuchsperson den Daumen in der Mitte positioniert, unmöglich ist. Weiters sollten SchülerInnen darauf hingewiesen werden, dass sich die Reaktionszeit im Straßenverkehr auf Grund der äußeren Einflüsse, wie verschiedene Medikamente, Drogen und Alkohol verlängert. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik- Vergleich: waagrechter Wurf – waagrechte gleichförmige Bewegung Material 2 gleiche Kugeln, Brett, Tisch, Wand Durchführung Beide Kugeln werden gleichzeitig in Bewegung gesetzt. Kugel K1 beschreibt eine waagrechte gleichförmige Bewegung, Kugel K2 führt eine waagrechte Wurfbewegung aus. Beobachtung Beide Kugeln treffen gleichzeitig auf die Wand. Erklärung Beide Kugeln haben wieder dieselbe Anfangsgeschwindigkeit in horizontaler Richtung. Nach dem Satz der Unabhängigkeit der Bewegungen beeinflusst die vertikale Komponente der Bewegung von Kugel K2 die horizontale nicht. Bemerkung Die beiden vorangegangenen Versuche sollen die Unabhängigkeit der Bewegungen verdeutlichen. Da die theoretische Betrachtung vielen SchülernInnen Schwierigkeiten bereitet, sind diese einfachen Versuche ideal zum besseren Verständnis geeignet. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Haft- und Gleitreibung

    Material Tisch, Schwerer Gegenstand, Seife Durchführung Der schwere Gegenstand wird auf den Tisch gestellt und wie im Bild hochgehoben. Der Versuch wird wiederholt, jetzt jedoch mit eingeseiften Händen. Beobachtung Der Gegenstand lässt sich mit eingeseiften Händen nicht wie vorgegeben hochheben. Erklärung Hebt man den Gegenstand mit „trockenen“ Händen hoch, bleibt dieser an den Händen haften. Die Seife bildet jedoch eine Gleitschicht, deshalb kann der Gegenstand auf diese Weise nicht gehoben werden. Er rutscht durch. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - der fliegende Tischtennisball Material Tischtennisball, Pappbecher, Wasser Durchführung Der Becher wird zu 2/3 mit Wasser gefüllt. Den Tischtennisball legt man ins Wasser. Nun lässt man den Becher samt Inhalt fallen. Beobachtung Während des Falles bleibt der Tischtennisball im Wasser. Trifft der Becher am Boden auf, wird der Ball aus dem Becher geschleudert. Erklärung Der Ball fällt im Windschatten des Bechers. Becher, Wasser und Ball werden gleich stark von der Erde angezogen. Wenn der Becher auf den Boden trifft, wird sein Inhalt stark verzögert. Das Wasser bewegt sich und der Impuls schleudert den Tischtennisball aus dem Becher. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik - das Loch in der Flasche

    Material Petflasche, Wasser, Bohrer Durchführung Die Petflasche wird mit Wasser befüllt. Nun bohrt man ein Loch ins untere Drittel der Flasche. Die Flasche wird möglichst hoch gehalten und fallen gelassen. Beobachtung Während des Falls spritzt kein Wasser aus dem Loch in der Flasche. Erklärung Da frei fallende Körper schwerelos sind, wirkt auch auf Wasser keine Gewichtskraft. Befindet sich die Flasche jedoch in Ruhe, wird aufgrund des Eigengewichts das Wasser aus der Flasche gedrückt. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Vollbremsung

    Material Streichholzschachtel, Blatt Papier Durchführung Die Streichholzschachtel wird mit der Öffnung nach unten auf ein Blatt Papier gestellt. Das Papier zieht man schnell an der Schmalseite über den Tisch und hält es dann ruckartig, aber ohne Gegenbewegung an. Beobachtung Die Streichholzschachtel fällt in Bewegungsrichtung um. Erklärung Die Eigenschaft eines Körpers, auf den keine äußeren Kräfte wirken, in seinem Bewegungszustand zu verharren, nennt man Trägheit. Da die für die Änderung des Bewegungszustandes nötige Kraft proportional zur Masse des Körpers ist, kann man die Masse als Grund für die Trägheit ansehen. Bemerkung Denselben Effekt kann man beim Straßenbahn- oder Zugfahren erleben. Steht man, wenn losgefahren wird, muss man sich festhalten, um nicht nach hinten zu fallen. Umgekehrt gilt, dass wir beim plötzlichen Bremsen nach vorne kippen, da unser Körper seine Bewegung beibehalten will. Für das Auto- und Busfahren gilt natürlich das Gleiche. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Zentripetalkraft – Zentrifugalkraft

    Material Schnur, Gewichtstück Durchführung Das Gewichtstück wird an einem Ende der Schnur befestigt. Das andere Ende wird nun festgehalten und das Gewichtstück wird auf einer Kreisbahn gleichmäßig bewegt. Beobachtung Wird das Ende der Schnur plötzlich losgelassen, fliegt das Gewichtstück tangential weg. Achtung!! Erklärung Die Bewegung eines Massenpunktes auf einem Kreis mit konstanter Bahngeschwindigkeit kann betrachtet werden als Bahnbewegung mit konstanter Geschwindigkeit v=const., die jedoch ständig ihre Richtung ändert; oder als Gleichförmige Bewegung um einen Mittelpunkt mit konstanter Winkelgeschwindigkeit . Sei r der Radius des Kreises, dann gilt die Beziehung v= r . Nun bewegt man das Gewichtstück wie oben angegeben. Nach dem Newtonschen Trägheitsprinzip sollte das Gewichtstück stets in Tangentialrichtung davonfliegen; die Zugkraft des Fadens zwingt es aber auf die Kreisbahn. Dadurch kommt es zur ständigen Änderung der Richtung der Geschwindigkeit. Die zum Mittelpunkt gerichtete Kraft nennt man Zentripetalkraft. Solange auf einen rotierenden Körper eine Zentripetalkraft wirkt, äußert sich seine Trägheit in Form einer vom Zentrum aus radial nach außen wirkenden Kraft, der Zentrifugalkraft (Fliehkraft). Die Fliehkraft ist eine passive Kraft, die keine Bewegung erzeugen, jedoch eine Bewegung verhindern kann. Gibt es keine Zentripetalkraft mehr, das heißt, wird der Faden losgelassen oder reißt die Schnur, so existiert nach dem Newtonschen Axiom actio = reactio auch keine Zentrifugalkraft mehr. Die Richtung der Geschwindigkeit wird nicht mehr verändert. Das Gewichtstück fliegt tangential davon. Bemerkung Denselben Effekt kann man bei Verwendung eines Winkelschleifers (Flex) beobachten. Die glühenden Teilchen fliegen vom Auflagepunkt des Metalls an der Trennscheibe ebenfalls tangential weg. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Eimerschleudern

    Material Eimer, Wasser Durchführung Der Eimer wird mit Wasser gefüllt. Nun nimmt man den Eimer am Henkel und kreist damit schnell die Arme. Die Öffnung des Eimers soll dabei immer in die Mitte zeigen. Beobachtung Kreist man die Arme schnell genug, bleibt das Wasser im Eimer. Erklärung Die Wasserteilchen werden aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft in den Eimer gedrückt. Variante Mit etwas Übung ist es auch möglich ein volles Trinkglas herumzudrehen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass man das Handgelenk ebenfalls drehen muss. Bemerkung Derselbe Effekt wird auch bei diversen Geräten in Vergnügungsparks angewendet. So kann man in schnell rotierenden Ringelspielen fast senkrecht zum Boden fahren, ohne sich angurten zu müssen. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. (modifiziert Kameier 2011)

    http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Kräfte bei der Drehbewegung Material Drehschemel oder Plattenspieler, Glas, Kerze, Feuerzeug, Klebestreifen Durchführung Die Kerze wird mit einem Tropfen Wachs im Glas befestigt. Anschließend klebt man das Glas mit Hilfe des Klebestreifens auf den äußeren Rand des Drehschemels und lässt diesen rotieren. Beobachtung Die Flamme neigt sich nach innen, wird aber leicht abgelenkt. Erklärung Da kalte Luft spezifisch schwerer ist als warme Luft, wird diese durch die Rotation nach außen gedrängt. Die Flamme neigt sich nach innen, weicht jedoch infolge der auftretenden Corioliskräfte von der radialen Richtung ab. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Flaschenzug mit Besenstielen

    Material 2 Besenstiele oder Stativstangen; stabiles, gut gleitendes Seil (Länge: mindestens 4 m) Durchführung Man bittet zwei SchülerInnen den Besen wie in der Abbildung zu halten. Der Abstand zwischen den Besenstielen sollte mindestens ein halber Meter sein. An einem der beiden Besenstiele wird das Seil festgeknotet und nach der Abbildung um die Besen gewickelt. Nun zieht ein Dritter am freien Ende des Seils, die beiden anderen versuchen mit aller Kraft ein Zusammengehen der Besen zu verhindern. Beobachtung Den beiden wird es trotz Einsatzes ihrer ganzen Kraft kaum gelingen die Besen auf Distanz zu halten. Je öfter das Seil um die Besenstiele gewickelt wird, umso weniger Kraft muss die am Seil ziehende Person aufwenden. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - das Münzenkatapult

    Material Holzleiste/ Lineal,Stift, 2 gleiche Münzen Durchführung Eine etwa 30 cm lange Holzleiste wird quer auf einen Stift gelegt, sodass auf einer Seite des Stiftes ca. 10 cm der Leiste überstehen. Auf die andere Seite legt man in 10 cm und 20 cm Abstand vom Stift je ein Geldstück auf die Leiste. Nun schlägt man mit der Hand kräftig auf das kurze Ende der Leiste. Beobachtung Die beiden Geldstücke werden in die Luft geschleudert. Die Münze, die 20 cm vom Stift entfernt war, fliegt dabei ungefähr viermal so hoch wie die andere. Erklärung Die beiden Münzen verlassen die Leiste in dem Augenblick, in dem die Leiste auf der anderen Seite des Stiftes die Unterlage berührt. Die Zeitdauer der Beschleunigung ist daher für beide Münzen gleich lang. In dieser Zeit legt die Münze, die doppelt so weit vom Stift entfernt ist, eine doppelt so lange Wegstrecke zurück, als das näher gelegene Geldstück. Dadurch besitzt die weiter entfernte Münze beim Verlassen der Holzleiste eine doppelt so hohe Geschwindigkeit. Die kinetische Energie, die eine Münze beim Verlassen der Holzleiste besitzt, wird dabei in potentielle Energie umgewandelt. Bemerkung Mit Hilfe dieses Versuchs lässt sich die Proportionalität zwischen kinetischer Energie und dem Quadrat der Geschwindigkeit demonstrieren. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Streichholzschachtel und Schlüsselbund

    Material Ein leichter und ein schwerer Gegenstand (z.B. eine Streichholzschachtel und ein Schlüsselbund), ein Stab (z.B. ein langer Stift, ein Rohr, ein Kochlöffel etc.), Faden von ca. 1 m Länge Durchführung Als Erstes bindet man die beiden Gegenstände an den Enden des Fadens gut fest. Dann hält man die Stange in Augenhöhe waagrecht vor sich und legt den Faden darüber. Dabei hält man den leichteren Gegenstand mit der zweiten Hand fest und zieht den schwereren Gegenstand bis knapp unter den Stab hoch. Der leichte Gegenstand sollte ganz flach gehalten werden, so wie man es auf dem Bild sieht. Dabei muss man allerdings darauf achten, dass besonders leichte Gegenstände nie über den Stab gehalten werden sollten. Nun lässt man den leichteren Gegenstand einfach los und schaut was passiert. Beobachtung Viele würden meinen, dass der schwere Gegenstand nach unten fällt und auch den leichten mitzieht und beide auf den Boden knallen. Der schwere Gegenstand fällt zwar zu Boden, aber der leichtere wickelt den Faden um den Stab und das Ganze kommt zum Stehen. Erklärung Der leichte Gegenstand funktioniert vorerst wie ein Pendel. Wäre der Faden einfach am Stab befestigt, würde der Gegenstand einfach hin und her schwingen, dabei würde er annähernd dieselbe Höhe wieder erreichen. Die Geschwindigkeit, mit der er schwingt, hängt jedoch von der Länge des Fadens ab. Die Länge wird jedoch durch den Fall des schweren Gegenstands verkürzt, sodass die Zündholzschachtel schneller zu schwingen beginnt. Das heißt, der Faden, an dem der leichte Gegenstand pendelt, wird immer kürzer und in der Folge auch immer schneller. Deshalb gewinnt er ebenfalls an Höhe. Er fliegt über den Stab hinüber bis auf die andere Seite, wo er nun wieder Schwung holt und wieder schwingt. Der Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Kraft mit der der schwerere Körper am Faden zieht nicht mehr ausreicht, um den anderen Gegenstand weiter zu ziehen. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik – Impulserhaltung

    Material Spielzeugauto mit aufziehbarem Federantrieb, Brett, runde Gegenstände mit gleichem Durchmesser Durchführung Die Stifte werden so am Tisch verteilt, dass das Brett darauf eine gewisse Strecke rollen kann. Danach legt man das Brett auf die Stifte und setzt das aufgezogene Auto auf das Brett. Beobachtung Das Auto und das Brett bewegen sich in entgegen gesetzten Richtungen. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005.

    http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - die Kartoffelschleuder

    Material Holzbrett (ca. 10x10 cm), Gummiring, Kartoffel, Nägel, runde Gegenstände mit gleichem Durchmesser (Stifte), Hammer, Zwirn, Feuerzeug Durchführung Mit dem Hammer werden drei Nägel in das Brett geschlagen, sodass sie die Form eines “Vs“ bilden. Über die beiden vorderen Nägel wird nun ein Gummiring gespannt. Nun zieht man den Gummiring in die Richtung des hinteren Nagels und befestigt ihn mit Hilfe eines Zwirns am Nagel. Der Gummiring sollte dabei gut gespannt sein. Die runden Stifte legt man im Abstand einiger Millimeter auf den Tisch und gibt das Holzbrett drauf. In das vom Gummiring gebildete Dreieck legt man nun die Kartoffel. Der Zwirn wird mit dem Feuerzeug durchgebrannt. Beobachtung Die Kartoffel wird nach vorne geschleudert, während das Brett nach hinten rollt. Erklärung Alle Kräfte treten paarweise auf, es gilt actio = reactio. Die Kräfte sind gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Ähnlich wie bei einem Boot erfährt das Brett einen Rückstoß. Da es sich um ein abgeschlossenes System handelt, gilt hier die Impulserhaltung. Die Kartoffel erfährt einen Impuls nach vorne. Um den Impuls des Systems konstant zu halten weicht das Brett nach hinten aus. Bemerkung Die Kartoffel hält besser in der Schleuder, wenn man vorher mit einem Messer einige Kerben in die Kartoffel schnitzt. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik – Hupfbälle

    Material zwei verschieden schwere Bälle Durchführung Zwei verschieden schwere Bälle werden so aufeinander gelegt, dass der Leichtere oberhalb des Schwereren und die beiden Schwerpunkte in etwa senkrecht übereinander liegen. Nun werden die Bälle aufgehoben und fallen gelassen. Beobachtung Während der untere Ball nur eine geringe Höhe erreicht, wird der obere Ball hoch in die Luft geschleudert. Erklärung Der untere Ball schlägt vor dem oberen am Boden auf und wird im Idealfall reibungslos reflektiert. Danach stoßen sich die beiden Bälle elastisch. Ist der untere Ball dreimal schwerer als der obere Ball, so erreicht der obere Ball etwa das Vierfache der Ausgangshöhe. Zur Erklärung dieses Sachverhaltes sind sowohl Impulserhaltung und Energieerhaltung notwendig. Bemerkung Tatsächlich wandelt der untere Ball durch Reibung beim Aufprall am Boden und beim Stoß mit dem anderen Ball einen Teil der kinetischen Energie in innere Energie und Wärme um, deshalb ist der Stoß. Anke Verena Gradwohl, Physikalische Freihandexperimente zur Punktmechanik, Diplomarbeit an der Naturwissenschaftlichen Fakultät, Karl-Franzens-Universität Graz, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Institut für Experimentalphysik, Karl-Franzens-Universität Graz, 2005. http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA-Anke_Gradwohl.pdf

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    Mechanik - Festigkeit – Materialeigenschaften - der biegsame Hühnerknochen

    Material 1 Hühnerknochen (ohne Fleischreste) 1 Schale mit Deckel Essigessenz aus dem Supermarkt Durchführung Den Hühnerknochen in die mit Essig gefüllte Schale legen, so dass der Knochen vollständig bedeckt ist. Die Schale mit dem Deckel verschließen. Täglich den Essig erneuern. Beobachtung Nach einigen Tagen wird der Knochen weich. Erklärung Der Essig löst ach und nach den Kalk im Knochen. Kalk ist aber für die Härt und Stabilität der Knochen wesentlich http://www.zirp.de/images/stories/Wissenschaft/experimente_mit_aha_effekt.pdf modifiziert von Kameier 2011

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    Mechanik - Festigkeit – stabile Papierröhre – Bambusrohr - Fahrradfelge

    Material Papier Schere Klebstoff Durchführung Aus einem Stück Papier wird ein Zylinderrohr zusammengeklebt. Die Röhre ist stabil, wenn man sie hochkant auf den Tisch stellt. Man kann sogar ein Buch darauf stellen. Legt man die Röhre flach auf den Tisch, ist sie instabil. Schneidet man nun ein paar Papierstreifen aus und klebt sie an die Ende der Röhre, wird die Röhre immer stabiler ohne dass die Röhre wesentlich schwerer wird.

    Erklärung Vergleichen kann man diese „Leichtbaukonstruktion“ mit einem Bambusstock und einer Hohlwandfelge am Fahrrad.

    http://www.fahrradmonteur.de/formelsammlung.php Sigrid Belzer: Die genialsten Erfindungen der Natur, Bionik für Kinder, Frankfurt a.M. 2010

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    Mechanik – Hebelarm - Moment

    Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005 Mechanik – Kraftmessung

    Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005

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    Mechanik – der Druck mit einem Bleistift

    Material Bleistift Aufbau und Durchführung Man nimmt den Bleistift stehend zwischen Daumen und Zeigefinger. Dann erhöht man den Druck indem man die Finger immer kräftiger zusammenpresst. An jenem Finger, wo man die Bleistiftspitze hält, wird man einen wesentlich größeren Schmerz verspüren als am zweiten. Erklärung Druck ist gleich Kraft pro Fläche p=F / A [Pa] = [N] / [m2] Pascal=Newton/Quadratmeter Weil man mit beiden Fingern gegen den Bleistift drückt, wirkt auch auf beide dieselbe Kraft. Da die Auflagefläche der Bleistiftspitze aber viel kleiner als die des anderen Endes und der Druck indirekt proportional zur Auflagefläche ist, wirkt auf den Finger, wo die Bleistiftspitze angreift, ein viel größerer Druck. Deshalb ist hier das Schmerzempfinden auch viel größer. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik – Druck, das Fakir-Experiment

    Material kleines Holzbrett einige gleich lange, spitze Nägel (ca. 10 Stück) Tomate (Apfel, Kartoffel,…) Hammer Aufbau und Durchführung Mit dem Hammer, den Nägeln und dem Holzbrettchen fertigt man sich ein Fakirbrett an. Dabei schlägt man einen einzigen Nagel am einen Ende des Brettes hindurch und alle anderen Nägel am anderen Ende des Brettes. Dann nimmt man in jede Hand eine Tomate (Apfel) und lässt sie aus einer bestimmten Höhe h auf den einzelnen und auf die mehreren Nägel fallen. Bei einer Fallhöhe von z.B. 30 cm versinkt sie beim einzelnen Nagel, bis sie beim Brettchen ansteht. Die mehreren Nägel dringen bei gleicher Fallhöhe aber nicht einmal bis zur Hälfte in die Tomate ein. Führt man den Versuch mit einem Äpfel oder einer Kartoffel durch, so verkleinern sich die Eindringtiefen. Erklärung Druck ist gleich Kraft pro Fläche p=F / A [Pa] = [N] / [m2] Pascal=Newton/Quadratmeter Die Tomate wird aus derselben Höhe auf das Fakirbrett fallen gelassen. Deshalb kommt sie auch mit derselben Geschwindigkeit also dem gleichen Impuls bei der Spitze bzw. den Spitzen der Nägel an. Der Druck p hängt aber von der Kraft F und der Fläche A, auf der diese Kraft senkrecht angreift, ab. Bei einem einzigen Nagel wird die Tomate mit der Kraft F nur auf eine Nagelquerschnittsfläche gepresst, wobei bei zum Beispiel 16 (4 mal 4) Nägeln die Tomate mit derselben Kraft auf 16 Nagelquerschnittsflächen gepresst wird. Somit ist sie auf die Tomatenoberfläche bei den mehreren Nägeln um ein Vielfaches größer als bei dem einzelnen Nagel, weshalb die Tomate auch nicht so weit eindringen kann. Bei entsprechend vielen Nägeln wird die Gesamtfläche so groß bzw. die Kraft pro Nagel so klein, dass die Nägel überhaupt nicht mehr in die Oberfläche eindringen. Deshalb ist es auch möglich, sich auf ein Fakirbrett zu legen, ohne Verletzungen davon zu tragen. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik - die hydraulische Presse Material kleine Spritze große Spritze (günstig das 10 fache Volumen der kleinen) dünnes Stück Schlauch Wasser Aufbau und Durchführung Man füllt den Schlauch vollständig, sowie die beiden Spritzen zur Hälfte mit Wasser. Anschließend steckt man die Spritzen an jeweils ein Ende des Schlauchs, wobei man darauf achten muss, dass der Schlauch zur Gänze mit Wasser gefüllt bleibt. Dann nehmen möglichst zwei Personen jeweils eine Spritze in die Hand und versuchen diese mit den Daumen zu betätigen. Die Person mit der kleineren Spritze in der Hand wird bemerken, dass sie den Kolben hineindrücken kann. Im Gegensatz dazu ist es für die andere sehr schwierig den Kolben an der Stelle zu halten, weil durch die Druckübertragung in der Flüssigkeit sein Kolben herausgedrückt wird. Erklärung Greift eine Kraft F senkrecht an einem bestimmten Flächenstück A an, so beschreibt das Verhältnis Kraft pro Fläche einen Druck p. Weil der Druck in der Flüssigkeit überall gleich groß ist, wirkt auf den kleinen Kolben mit der kleineren Querschnittsfläche A1 eine Kraft F1, analog wirkt auf den größeren mit Querschnittsfläche A2 eine Kraft F2. Für die beiden gilt: F1 = p A1 F2 = p A2 Somit ist die Kraft F2 viel größer als die Kraft F1, die von der Flüssigkeit her an den Kolben angreift, weil das Verhältnis von F2 zu F1 direkt proportional dem Verhältnis der beiden Kolbenflächen ist. Deshalb ist es auch viel schwieriger oder sogar unmöglich den größeren Kolben hineinzudrücken, solange auf der gegenüberliegenden Seite jemand dagegen hält. Bemerkung: zu Beginn könnte es passieren, dass man den größeren Kolben an derselben Stelle halten kann, aber das liegt an der Ausdehnung des Schlauches und nicht an der Flüssigkeit oder der größeren Kraft derjenigen Person, denn in diesem Fall müsste dieser Mensch dann schon ca. 10 Mal stärker sein als sein Gegenüber. Anwendung: hydraulischer Wagenheber, hydraulische Presse Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf

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    Mechanik – Druckverteilung

    Material Glas, möglichst schlank und mit geschliffenem Rand Bierdeckel oder ein Stück Papier Aufbau und Durchführung Man füllt das Glas je nach Belieben mit Wasser, der Effekt kommt jedoch besser zur Geltung, wenn man es fast voll macht. Dann legt man den Bierdeckel oder das Papierstück, das überall mindestens um einen Zentimeter über den Glasrand hinaus ragen sollte, auf das Gefäß. Über einer Wanne oder im Waschbecken sollte man weiter verfahren. Während man mit der Handfläche das Papierstück auf den Glasrand presst, dreht man mit der anderen Hand das Glas um. Erklärung In einer Flüssigkeit steigt mit zunehmender Tiefe der Druck p = g h Druck = Dichte * Erdbeschleunigung * Tiefe

    FlächeKraft

    mkgm

    sm

    mkgPa 223

    Im Schwimmbad spürt man gemäß dieser Formel den Druck auf den Ohren. In dem Wasserglas wird der Druck an der Öffnung von dem Umgebungsdruck festgelegt. Steht das Glas auf dem Tisch, steigt der Druck zum Boden. Dreht man das Glas aber um, sinkt der Druck vom Papier zum Boden des Glases. Das Papier wird von der Hydrostatischen Druckverteilung quasi angesaugt – ganz präzise beschrieben genügen die Intermolekularenkräfte (Kohäsionskräfte), damit das Papier am Wasser und am Glasrand haftet. Die Druckverteilung (hoher Druck unten, niedriger Druck oben im Glas) sorgt dafür, dass das Wasser im Glas bleibt. Anwendung: hydraulischer Wagenheber, hydraulische Presse Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik - der hydrostatische Druck

    Material große Plastikflasche Wasser Tinte Nagel Klebeband Wanne Aufbau und Durchführung Zuerst bohrt man in die Plastikflasche drei Löcher vertikal untereinander. Anschließend verschließt man die Öffnungen mit einem Streifen Klebeband. Nun befüllt man das Gefäß mit eingefärbtem Wasser. Jetzt zieht man das Klebeband in einem Zug von der Plastikflasche. Erklärung Man erkennt, dass der Wasserstrahl aus dem obersten Loch am wenigsten weit spritzt und der unterste Wasserstrahl am weitesten, also mit dem größten Druck. Der hydrostatische Druck treibt die Strömung gemäß p = g h Druck = Dichte * Erdbeschleunigung * Wasserhöhe in der Flache

    FlächeKraft

    mkgm

    sm

    mkgPa 223

    Der Druck in einer Flüssigkeit hängt linear mit der Füllhöhe zusammen. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik – Dichte, Flüssigkeitsschichten

    Material Glas Löffel Wasser Zuckerwasser Öl Spiritus Aufbau und Durchführung Zuerst rührt man sich Zuckerwasser aus einem Teil Zucker und zwei Teilen Wasser an und lässt es als unterste Schicht im Glas. Nun gibt man nach und nach die anderen Flüssigkeiten in das Gefäß, indem man sie ganz langsam über einen Löffel hinein fließen lässt. Man muss darauf achten, dass man den Löffel stets ganz knapp oberhalb des Flüssigkeitsstandes positioniert. Die Schichtdicken sollten nicht mehr als zwei Zentimeter betragen. Als nächstes gibt man also Wasser in das Glas, daraufhin das Öl und zuletzt den Spiritus. Erklärung Wenn man vorsichtig genug war, durchmischen sich die verschiedenen Flüssigkeitsschichten nicht. Die Dichteunterschiede bewirken eine Schichtung.

    Dichte = Masse pro Volumen = m / V

    3mkg

    Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Mechanik – Dichte, Cola-Light ist wirklich leichter

    Material Dose Cola Dose Cola-Light Eimer oder Behälter mit Wasser Aufbau und Durchführung Man füllt einen Behälter mit Wasser und gibt die beiden verschlossenen Dosen hinein. Erklärung Die Dichte von Cola beträgt etwa 1040 kg/m3 von Cola-Light dagegen nur etwa 1002 kg/m3. Aufgrund des höheren spezifischen Gewichts, verursacht durch den höheren Zuckergehalt, sinkt die klassische Cola-Dose zum Boden. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik – Wirbel

    Material 1 Kerze, 1 Plastikflasche, 1 Luftballon Durchführung Man schneidet den unteren Teil der Flasche ab und spannt den zerschnittenen Luftballon als Membran darüber. Man zündet die Kerze an und hält die Wirbel in einiger Entfernung (ca. 30 cm). Dann zupft man bzw. schnippst gegen die Membran, dadurch erlischt die Kerze. Erklärung Am Flaschenhals bildet sich durch die austretende Strömung ein Ringwirbel, der sich ausgesprochen stabil über eine weite Entfernung bewegen kann – weiter als man einen Luftstrahl spüren kann. Vergleichbare Wirbel gibt es auch Flugzeugbauteilen.

    http://www.physik.uni-wuerzburg.de/physikonline.html/filme/mpg_m8_fluide/wirbel/wirbel2ks.mpg Gunter C. Pachatz et al, Akustikkoffer, Graz, 2005 http://imst.uni-klu.ac.at/imst-wiki/images/8/88/62_Akustikkoffer_Pachatz.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - Fahrradventil Material 1 Murmel 1 Luftballon Durchführung Vorsichtig die Murmel in den Luftballon einbringen. Den Luftballon halb aufblasen und mit den Fingern geschlossen halten. Die Murmel muss nun unten bei der Öffnung liegen, dann brauchst du den Luftballon nicht mehr zuhalten. Erklärung Die Luft mit ihrem Überdruck drückt die Kugel in die Öffnung. Hat die Kugel eine passende Größe, so verschließt sie den Luftstrom und der Luftballon hält seine Luft. Derart funktioniert ein Fahrradventil. Es gibt aber auch alte Fahrradventile mit einem kleinen dünnen Schlauch (Ventilgummi), Kannst du das Prinzip erklären dieser veralteten Technik erklären? Vgl. auch EMS, Experimente. Materialien. Schulungen, Dr. Jörg Kraus, Lindau (B.) http://www.ems-kraus.de/html/luft.html

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    Strömungsmechanik . Wind = Luftströmung = Aerodynamik

    Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005 Material Fön, Tischtennisball, Stricknadeln, Papierblätter

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    Strömungsmechanik – die Kerzenflamme und der Trichter

    Material Trichter Kerze Feuerzeug bzw. Streichhölzer Aufbau und Durchführung Man stellt eine brennende Kerze auf den Tisch und bläst aus ca. 10 Zentimeter Entfernung durch die Ausflussöffnung eines Trichters hindurch gegen die Kerzenflamme. Wenn man vorsichtig genug bläst, wird die Kerzenflamme nicht erlöschen sondern zum Trichter hin gezogen. Erklärung Da die Abflussöffnung des Trichters um einiges schmäler ist als die Trichteröffnung hat der Luftstrom in dem schmalen Rohr aufgrund der Kontinuitätsgleichung eine höhere Geschwindigkeit.

    .constAc (Geschwindigkeit x Fläche ist konstant, d.h. kleine Fläche mit großer Geschwindigkeit oder große Fläche mit kleiner Geschwindigkeit) Eine höhere Geschwindigkeit hat aber einen geringeren statischen Druck zur Folge,

    .constp2c2

    (Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert

    durch Dichte (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli). weshalb zwischen Kerzenflamme und Trichter ein kleinerer statischer Druck gegenüber dem atmosphärischen Luftdruck entsteht. Dadurch wird die Kerzenflamme zum Trichter hin gedrückt. Bläst man fester in den Trichter hinein, so entsteht an dessen Ende eine starke turbulente Strömung und die Kerzenflamme erlischt. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - der Papiertrichter im Trichter

    Material Kerze Feuerzeug oder Streichhölzer Flasche Aufbau und Durchführung Man stellt eine brennende Kerze auf einen Tisch und ca. fünf Zentimeter davor eine Flasche. Nun bläst man aus kurzer Entfernung auf Höhe der Kerzenflamme gegen die Flasche. Dabei muss man darauf achten, dass die Flasche und die dahinter stehende Kerze genau auf der Bahn des Luftstroms der Atemluft liegen. Die Kerzenflamme wird erlöschen, obwohl die Flasche genau vor ihr im Luftstrom steht. Erklärung Die Atemluft erzeugt eine gleichförmige Strömung. Wenn der Luftstrom nun auf die Flasche trifft, so strömen die Luftteilchen um die Flasche. In Stromlinien gezeichnet kann man sich das so vorstellen, dass sich die einzelnen Strömungslinien um die Flasche herum krümmen, wobei sie aufgrund der höheren Geschwindigkeit um die Flasche näher aneinander liegen. Somit ist der Luftstrom nach der Flasche im Idealfall wieder gleich geradlinig wie zuvor. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - im Windschatten einer Münze

    Material 2 € Münze ein Blatt Papier Aufbau und Durchführung Man schneidet sich eine Papierscheibe aus, deren Durchmesser exakt dem der Münze entspricht. Nun hält man die Münze und das Papierstück vor sich hin und lässt sie getrennt voneinander fallen. Die Münze wird um einiges schneller am Boden angelangen als die Papierscheibe. Legt man nun die Papierscheibe auf die Münze und lässt beides zusammen in dieser Anordnung fallen, so wird das Papierstück an der Oberfläche der Münze bleiben und gleich schnell zu Boden fallen, solange sich die Münze nicht verdreht. Erklärung Da die Oberfläche des Papierstücks und die der Münze gleich groß sind, erfahren sie auch denselben Luftwiderstand und somit die gleiche Reibungskraft. Jedoch ist das Gewicht der Münze um einiges höher, weshalb sie auch schneller zu Boden fällt. Legt man nun das Papierstück auf die Münze, so erfährt dieses auch keinen Luftwiderstand mehr, da die Luft bereits von der Münze verdrängt wird. Die Papierscheibe befindet sich im Windschatten der Münze. Deshalb fallen die beiden auch zusammen zu Boden. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - der Papiertrichter im Trichter

    Material Trichter ein Blatt Papier Aufbau und Durchführung Man legt das Blatt Papier so zusammen, dass man einen Trichter erhält, der ungefähr gleich groß ist wie der Küchentrichter. Dann hält man den Papiertrichter in den herkömmlichen hinein und beginnt in die kleine Öffnung hinein zu blasen. Der Papiertrichter wird nicht aus dem Küchentrichter hinaus geblasen, sondern zur Wand des Küchentrichters hin gedrückt. Während dem Hineinblasen kann man die Öffnungen sogar senkrecht nach unten halten, und der Papiertrichter wird trotzdem nicht zu Boden fallen. Erklärung Der Luftstrom, der über die kleine Öffnung in den Trichter gelangt, wird durch den Papiertrichter abgelenkt. Die Luft bewegt sich zwischen Innenwand des Küchentrichters und Papiertrichter entlang. Wegen der Bernoulli-Gleichung

    .constp2c2

    (Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert

    durch Dichte (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli). ist aber der Druck im Luftstrom geringer als der Druck der ruhenden Luft, weshalb der Papiertrichter in den herkömmlichen Trichter hinein gedrückt wird. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - der Tischtennisball im Trichter (Luftströmung)

    Material Trichter Tischtennisball Aufbau und Durchführung Man hält einen Tischtennisball in einen Trichter und bläst kräftig in die kleine Öffnung des Trichters hinein. Der Tischtennisball wird nicht aus dem Trichter hinaus geblasen sondern zur kleinen Trichteröffnung hin gedrückt. Erklärung Der Luftstrom wird durch den Tischtennisball, den man zu Beginn des Experiments festhalten muss, entlang der Trichterwand abgelenkt. Da der Raum zwischen Trichterwand und Tischtennisball nur sehr eng ist, strömt die Luft in diesem Bereich sehr schnell, gemäß der Bernoullischen Gleichung

    .constp2c2

    (Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert

    durch Dichte (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli). Führt dies zu einem niedrigen Druck, der den Tischtennisball ansaugt und in Balance hält. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - der Tischtennisball im Trichter (Wasserströmung)

    Material Trichter Tischtennisball Fließendes Wasser Aufbau und Durchführung Man legt den Tischtennisball in den Trichter und dann hält man beides zusammen unter einen fließenden Wasserhahn. Der Ball wird sich immer zur Ausflussmündung hin drängen, egal wie viel Wasser auch im Trichter ist. Sobald man aber mit der zweiten Hand mit einem Finger die Ausflussöffnung zuhält, steigt der Ball hoch und schwimmt auf der Wasseroberfläche im Trichter. Erklärung Solange das Wasser abfließen kann, erfährt der Tischtennisball keinen Auftrieb. Die Strömung des Wassers erzeugt einen Unterdruck, der den Ball nach unten zieht. Eine höhere Geschwindigkeit hat einen geringeren statischen Druck zur Folge,

    .constp2c2

    (Geschwindigkeit zum Quadrat geteilt durch zwei plus Druck p dividiert

    durch Dichte (Rho) ist gleich konstant (Gesetz von Bernoulli). Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik - das aerodynamische Paradoxon

    Material zwei Blätter Papier Aufbau und Durchführung Man hält die zwei Blätter mit je einer Hand ca. drei bis fünf Zentimeter nebeneinander vor sein Gesicht. Jetzt bläst man kräftig zwischen die beiden Blätter hinein. Sie werden nicht auseinander gedrückt, sondern stoßen zusammen. Erklärung Der Luftstrom, der zwischen den beiden Blättern fließt, hat aufgrund der Strömung einen Unterdruck zur Umgebung. Der Umgebungsdruck außen ist größer, so dass dieser Druck die Blätter zusammendrückt. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

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    Strömungsmechanik – Windschatten, die Münze und das Papierstück

    Material 2 € Münze ein Blatt Papier Aufbau und Durchführung Man schneidet sich aus dem Blatt Papier eine Kreisscheibe mit exakt dem gleichen Durchmesser wie die 2 € Münze aus. Jetzt legt man die Papierscheibe auf den Tisch hin und hält die Münze in einem Abstand von einem Zentimeter darüber. Beginnt man nun kräftig von oben auf die Münze zu blasen, so zieht es das zurechtgeschnittene Papierstück sofort an die Unterseite der Münze. Wenn man kräftig genug drauf bläst, kann man den anfänglichen Abstand zwischen Münze und Papierscheibe sogar noch um einiges vergrößern. Erklärung Durch das Blasen auf die Münze entsteht um diese herum und somit auch zwischen Münze und Papierstück bzw. Tisch ein Luftstrom, in dem der herrschende statische Druck auf Grund des größeren dynamischen Drucks, um einiges geringer als der umgebende atmosphärische Druck ist. Da der übliche Luftdruck aber auch von unten auf die Papierscheibe wirkt, wird das Papierstück zur Unterseite der Münze hin gedrückt. Sobald man aufhört zu blasen, fällt das Papierstück wieder auf den Tisch zurück. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf

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    Strömungsmechanik – die klappernden Löffel

    Material zwei Suppenlöffel fließendes Wasser Aufbau und Durchführung Man fasst mit jeweils einer Hand einen Löffel ganz vorsichtig mit zwei Fingern am oberen Ende des Griffs indem die Außenwölbungen zueinander zeigen. Jetzt hält man die Wölbungen ca. einen Zentimeter voneinander entfernt unter einen fließenden Wasserhahn. Es ist ein leises, rasches Klappern der Löffel zu hören. Erklärung Der Druck im Wasserstrahl ist kleiner als der herrschende statische atmosphärische Druck, weshalb die beiden Löffel aneinander gepresst werden. Durch den fließenden Wasserstrahl werden sie jedoch auch immer wieder auseinander gedrückt, weshalb es zum Klappern und zu einer Pendelbewegung der Löffel kommt. Sobald das Wasser zwischen den Wölbungen der beiden Löffel entlang fließt, kann man die oberen Enden sogar noch etwas weiter voneinander entfernen, ohne dass die Wölbungen auseinander schwingen. Weil das Wasser stets das Verlangen hat, die Oberfläche möglichst gering zu halten, wird das Zusammenpressen der beiden Löffel noch ein wenig verstärkt. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf

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    Strömungsmechanik – fallende Zylinder, Magnus-Effekt Material Kartonzylinder Lange Schnur Klebstoff Aufbau und Durchführung Man befestigt beide Enden einer ca. vier Meter langen Schnur mit Hilfe von Klebstoff an den Enden des Kartonzylinders. Nun rollt man die ganze Schnur gleichmäßig auf den Zylinder auf, bis nur mehr eine kleine Schlaufe zum festhalten über ist. Man sollte die Schnur doppelt am Zylinder befestigen, weil damit ein Kippen des Zylinders vermieden wird. Nun lässt man den Zylinder von so hoch wie möglich fallen, währenddessen man die Schlaufe festhält. Der somit abrollende Zylinder wird sich während dem Fall vom senkrechten Lot des Startpunktes immer weiter entfernen. Erklärung Aufgrund der Rotation des Zylinders kommt es zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten an den beiden Seiten des Zylinders. An jener Seite, wo sich die Schnur vom Zylinder entfernt, dreht sich dieser entgegen der Schwerkraft, auf der gegenüberliegenden Seite dreht er sich hingegen in Fallrichtung. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten verursachen in weiterer Folge unterschiedliche Drücke auf beiden Seiten des rotierenden Zylinders. Diese Druckdifferenz erzwingt eine resultierende Kraft, die senkrecht zur Bewegungsrichtung angreift und den rotierenden Zylinder aus der gedachten vertikalen Bahn zieht. Dieses Phänomen bezeichnet man als Magnus-Effekt. Peter Fleißner, Physikalische Freihandversuche zu Hydrostatik und Hydrodynamik, Diplomarbeit, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot Pottlacher, Karl-Franzens-Universität Graz, 2007 http://portal.tugraz.at/pls/portal/docs/page/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf (modifiziert Kameier 2011)

    http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship_1

    E-Ship 1 (Enercon) 4 Flettner-Rotoren mit 27 m Höhe und 4 m Durchmesser Angestrebt ist eine Kraftstoffersparnis von 30–40 % bei einer Fahrt von 16 Knoten (8,2 m/s

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    Strömungsmechanik - die Brauserakete

    http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/10000424/203976/ Materialien Filmdose Brausetabletten Wasser kopierten Raketenschnitt auf Papier, siehe nächste Seite Durchführung Zuerst schneidet man die Rakete aus dem Papier aus und klebt diese an eine Filmdose. Anschließend nimmt man diese Filmdose und füllt sie mit einer halben Brausetablette. Nun legt man den Deckel griffbereit und schüttet ein bisschen Wasser und füllt dieses in die Filmdose. Danach muss man die Filmdose zügig verschließen und auf den Deckel stellen. Nun muss man warten und schauen was passiert. (Nicht über die Rakete beugen!) Zu Beachten ist, dass man die Dose nicht mit zu viel Wasser oder Brause befüllt, da es dann nicht zu einer genügenden Gasentwicklung kommen kann. Erklärung Wenn die Brause sich im Wasser auflöst, kommt es zu einer Gasbildung. Durch die Gasbildung entsteht in der Filmdose ein Überdruck. Ist der Druck groß genug, öffnet sich der Deckel der Filmdose schlagartig und das Gas tritt aus. In Folge dessen der Körper der Rakete nach oben beschleunigt und fliegt. Somit lässt sich die Brauserakete mit einer normalen Rakete vergleichen.

    http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf

    http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf

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    Strömungsmechanik – Rückstoßprinzip, Luftballonrennen

    Materialien Luftballon glatte Schnur (muss im Abstand von mindestens 3m besser 8m gespannt werden) Klebeband Durchführung Man nimmt sich einen Strohhalm und fädelt diesen auf die Schnur. Die Schnur spannt man stramm zwischen zwei festen Punkten im Raum oder draußen. Danach nimmt man sich einen Luftballon und pustet diesen größtmöglich auf. Wenn der Luftballon voll aufgepustet ist, befestigt man diesen am Strohhalm mit einem Streifen Klebeband. Nun muss man den Luftballon nur noch loslassen und dann fliegt er entlang der Schnur durch den Raum. Man sollte eine möglichst glatte Schnur wählen. Die Wahl der Ballonform beeinflusst ebenfalls das Experiment, am besten verwendet man die länglichen Partyluftballons Erklärung Das Luftballonrennen beruht auf dem Rückstoßprinzip. Durch das Loslassen des Ballons strömt die Luft aus dem Ballon und treibt ihn voran. Die durch den Rückstoß entstehende Kraft lässt sich über die Formel für die Schubkraft ermitteln:

    cAccmF Diese Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Durchsatzrate m (auch Massenstrom genannt) und der Geschwindigkeit des ausströmenden Mediums, der Massenstrom ist die Dichte des Mediums mal einer Fläche mal der Geschwindigkeit. Einheitenkontrolle

    cAccmF

    22

    3 smkg

    smm

    sm

    mkg

    sm

    skgN

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