Menschen auf dem Mond - … · /1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik ... Probleme Lösungen Robert Goddard neben seiner Flüssig-Von Konstantin Ziolkowski (1857-1935) stammt die Raketengleichung

NaWi School

Apollo 11

Aufgaben

Immo Kadner

Menschen auf dem Mond

Das Apollo-Programm

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Die Technik für den Flug zum Mond Aufgaben

1. Das Raketenprinzip ist keines-wegs neu. Es stammt aus Chi-na. Erläutern Sie Aufbau und Verwendung der ersten Rake-ten im alten China.

2. Der Start der ersten Groß-rakete A4 am 3. Oktober 1943 auf Peenemünde war nur mög-lich dank der Vorleistungen von Ziolkowski, Goddard und Oberth. Stellen Sie die Leistun-gen der drei Wissenschaftler in einer Tabelle gegenüber.

3. Mit dem Start von Sputnik 1 am 4. Oktober 1957 erhielt der Wettlauf der Supernächte ei-nen entscheidenden Impuls.

a) Bewerten Sie die Reaktio-nen der internationalen Presse. Wann starteten die USA ihren ersten Satelliten? Welche Ergebnisse brachte dieser Flug?

b) Der damalige Präsident der USA, Eisenhower, stellte nach dem Start von Sputnik 1 seinen Wissenschaftlern folgende Frage: "Alles, was wir sicher über den Sputnik wissen, sind Höhe und Um-laufgeschwindigkeit. Kön-nen Sie aus diesen Informa-tionen die Masse von Sput-nik berechnen?" Beantwor-ten Sie seine Frage. Wes-halb war die Information so wichtig?

4. Am 25. Mai 1961 hielt der da-malige Präsident der USA, John F. Kennedy, seine be-rühmte Rede vor dem Kon-gress. Erläutern Sie Anlass und Inhalt seiner Rede. Nutzen Sie Originalaufzeichnungen. /8/

5. Wir wollen zum Mond. Was wird gebraucht? Notieren Sie auf drei Karteikarten drei Din-ge, die notwendig sind. Be-gründen Sie Ihre Wahl.

6. Notieren Sie folgende Begriffe auf jeweils eine Karteikarte: Sauerstoff; Wärme; Geschwin-digkeit; Treibstoff; Kühlung; Landefähre und Energie. Wel-che Begriffe gehören zusam-men? Welche Begriffe fehlen? Ergänzen und begründen Sie. Schaffen Sie Ordnung und sor-tieren Sie. Suchen Sie Fotos, die zu den Begriffen passen.

7. Im Raum sind mehrere Poster zum Apollo-Programm verteilt. Ordnen Sie Ihre Karteikarten dem jeweiligen Poster zu. Dis-kutieren und begründen Sie.

8. Ein zentrales Problem bei allen Weltraumflügen ist die Ener-gieversorgung. Wozu wird Energie bei Raumflügen ge-braucht? Wie wurde sie beim Apollo-Programm erzeugt?

9. Planen Sie einen Flug zum Mond. Diskutieren Sie, welche Probleme zu lösen waren. Er-gänzen Sie die Tabelle:

9. Ein weiteres zentrales Problem beim bemannten Mondflug war die Entwicklung eines optima-len Flugkonzeptes. Beschrei-ben Sie die drei diskutierten Konzepte. Stellen Sie in einer Übersicht die drei Alternativen sowie ihre Vor- und Nachteile gegenüber. /3/

Probleme Lösungen

Von Konstantin Ziolkowski (1857-1935) stammt die Raketengleichung.

Aufgaben Der lange Weg zum Mond

Robert Goddard neben seiner Flüssig-keitsrakete am 16. März 1926. Es war der erste erfolgreiche Start einer Flüssigkeits-rakete.

Reaktionen der internationalen Presse auf den Start von Sputnik 1 im Jahre 1957.

Literatur: /1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik. Braunschweig 2008 /2/ Jaumann/ Köhler: Der Mond - Entstehung, Erforschung, Raumfahrt. 2009 /3/ Kadner: Menschen auf dem Mond. Das Apollo-Programm. Informationsmaterial, Berlin 2014 /4/ Müller, Rainer. Klassische Mechanik. Berlin 2010 /5/ Spaarow: Abenteuer Raumfahrt. München 2007

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1. Für den Flug zum Mond muss-ten Rakete, Raumschiff und Mondfähre entwickelt werden.

a) Beschreiben Sie anhand von Fotos den Aufbau der Saturn V. Gehen Sie dabei vor allem auf Größe, Treib-stoff und Treibstoffmengen der Rakete ein.

b) Beschreiben Sie anhand der Illustration im Lesetext den Aufbau des Mutter-raumschiffes (CSM). Be-schriften Sie das nebenste-hende Foto. Erläutern Sie die Funktion einiger Kompo-nenten. /3/

c) Beschreiben Sie anhand von Fotos den Aufbau der Mondfähre (LM). Erläutern Sie die Funktion wichtiger Komponenten. Beschriften Sie das Foto: Triebwerk (1); Bodensensoren (2); Ren-dezvous-Radar (3); Lage-steuerraketen (4). Von wel-cher Mission ist das Foto?

2. Erläutern Sie den Aufbau und die Funktion des Rettungssys-tems auf der Raketenspitze.

3. Beschreiben Sie den Aufbau eines Raumanzuges.

4. Der Flug zum Mond lässt sich heute auch anhand von com-putergestützten Animationen sehr gut nachvollziehen. Auf diese Weise werden viele Ma-növer verständlich.

a) Beobachten Sie den Flug zum Mond die Flugphasen vom Start bis zur Ladung auf dem Mond. Ergänzen Sie dazu die Tabelle im An-hang. Beobachten Sie ins-besondere das Manöver beim Andocken des CSM an die Mondfähre. /6/

b) Betrachten Sie mit Google Earth die Landestelle von Apollo 11 an. Was für ein Gerät steht daneben?

5. Von der Ankündigung der Mondlandung durch Kennedy bis zum ersten bemannten Flug von Apollo 8 lag nicht mal ein Jahrzehnt.

a) Stellen Sie einige Etappen in einer Tabelle oder Zeit-leiste da.

b) Hören Sie sich die Weih-nachtsbotschaft von Apollo 8 im Original an. Geben Sie den Inhalt der Rede mit ei-genen Worten wieder. Wer hatte sie gesprochen? /9/

Die Technik für den Flug zum Mond Aufgaben Aufgaben Der lange Weg zum Mond

Links: /6/ Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org /7/ Animation der Landung: www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm /8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx /9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8

Letzte Änderung: 02.09.2014

Tipp!

Beobachten Sie den Flug zum Mond in der Animation. Dadurch werden auch komplizierte Manöver anschau-lich und verständlich.

Einbau des CSM in die Raketenspitze

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Das CSM mit Rettungssystem

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Blick auf die Mondlandefähre

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1. Im Jahre 1874 erschien die deutschsprachige Ausgabe Die Reise zum Mond von Jules Verne. Der Autor beschreibt darin vor allem die Vorberei-tungen des Unternehmens. Als Fluggerät diente im Roman ein Geschoss aus Aluminium mit einer Masse von rund 9000 kg und 2,75 m Durchmesser. Es wird in einer Kanone mit einer Länge von 275 m durch 180 t Schießbaumwolle angetrieben.

a) Diskutieren Sie, ob es phy-sikalisch möglich wäre, ein Geschoss mit dieser Kano-ne zum Mond zu schießen.

b) Berechnen Sie die Be-schleunigung des Projektils, wenn es in der Jules-Verne-Kanone die Fluchtgeschwin-digkeit 11,2 km/s erreichen soll. Wie lang müsste diese Kanone sein, damit die Be-schleunigung höchsten 20g beträgt? /2/

2. Bereits Jules Verne hatte in seinem Roman die für den Flug zum Mond notwendige Geschwindigkeit von etwa 40 000 km/h angegeben.

a) Weisen Sie nach, dass sich die Fluchtgeschwindigkeit mit der folgenden Gleichung berechnen lässt. Begründen Sie Ihren Ansatz.

b) Berechnen Sie diese Ge-schwindigkeit für die Erde und für den Mond.

3. Ziolkowski hatte bereits 1903 eine Gleichung aufgestellt, die es ermöglichte, die Endge-schwindigkeit einer Rakete zu berechnen. Goddard und Oberth haben später unabhän-gig von einander diese Glei-chung ebenfalls ermittelt.

a) Erläutern Sie anhand dieser Gleichung die Bedeutung der Ausströmgeschwindig-keit der Gase und des Mas-senverhältnisses. Wie muss demnach eine Rakete ge-baut werden, damit man zum Mond fliegen kann.

b) Bei Apollo 12 brannten die Triebwerke der ersten Stufe etwa 161 s. In dieser Zeit verringerte sich die Masse der Saturn V von 2880 t auf 761 t. Berechnen Sie die Endgeschwindigkeit der Sa-turn V, wenn die Ausström-geschwindigkeit der Gase 2630 m/s beträgt und die Schwerkraft zunächst unbe-rücksichtigt bleibt.

c) Der Flug von Apollo 12 ist sehr gut dokumentiert. Im Anhang des Materials ist ein Auszug des Flugberichts enthalten. Weisen Sie an-hand der Tabellenangaben rechnerisch nach, dass die tatsächliche Geschwindig-keit der Saturn V nach 161 s fast 2360 m/s beträgt.


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Der Flug zum Mond in einer Illustrati-on des Romas von Jules Verne

Aufgaben Mit Mathematik zum Mond Experimente auf dem Mond Aufgaben

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Links: /6/ Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org /7/ Animation der Landung: /www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm /8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx /9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8


Lunar-Rover Experiment auf dem Mond, Apollo 16

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1. Unmittelbar nach der Landung von Apollo 11 begannen die Astronauten mit dem Aufbau der Experimente.

a) Beschreiben Sie die Aufga-ben des ersten Experiments auf dem Mond. /3/

b) Welches Experiment ist auf der Titelseite des zu sehen? Welche Universität hat es entwickelt? Welche Ergeb-nisse hat es gebracht? /3/

2. Beschreiben Sie anhand von Fotos einige der wichtigsten Experimente auf dem Mond.

3. Beschreiben Sie den Aufbau der seismischen Experimente. Erläutern Sie ihre Durchfüh-rung. Welche Ergebnisse ha-ben sie erbracht?

4. Welche Experimente sind auf den rechten Fotos zu sehen?

5. Die Astronauten von Apollo 15 hatten für ihre Einsetze auf dem Mond auch ein Mondauto zur Verfügung.

a) Beschreiben Sie anhand von Fotos Besonderheiten im Aufbau dieses Gefährts. Gehen Sie dabei vor allem auf den Antrieb, das Fahr-gestell und die Räder ein.

b) Beschriften Sie das neben-stehende Foto des Lunar Rovers.

c) Von welcher Mission ist das untere Foto? Welche Berge sind im Hintergrund zu se-hen?

Experiment auf dem Mond, Apollo 15

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Aufgaben Mit Mathematik zum Mond Experimente auf dem Mond Aufgaben

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Eine Wasserrakete kann mit einfachen Mitteln aus dem Haushalt und Hob-bybereich gebaut werden. Kunststoffflaschen aus PET, ein Flaschenkor-ken und ein Fahrradventil sind die wichtigsten Materialien. Aufgaben: 1. Baue eine Wasserrakete. 2. Untersuche im Experiment, bei welchem Verhältnis Wasser-Luft die

größte Steighöhe erreicht wird. Vorbereitung: 1. Beschaff Dir aus dem Haushalt und Hobbybereich die Materialien zum

Bau der Wasserrakete. 2. Das Kernstück der Wasserrakete ist ihr Verschluss durch einen Korken

mit einem Ventil in der Mitte. Der durchbohrte Stopfen aus Kork sorgt für einen luftdicht Verschluss des Flaschenhalses. Am besten nutzt man ein Fahrradventil aus einem (ausgedienten) Fahrradschlauch.

Durchführung: 1. Fülle die Rakete zu 50 % mit Wasser. Beginne mit der 1 Liter-Flasche.

Starte die Rakete mehrmals. Schätze die Steighöhe. Wiederhole den Start mit anderen Flaschengrößen. Ergänze die Tabelle.

2. Wiederhole die Messungen mit der 1 Liter-Flasche bei unterschiedli-chen Füllmengen. Ergänze die Tabelle. Beobachte den Flug.

3. Durch welche Veränderungen an der Rakete könnte ihre Steighöhe ver-bessert werden? Entwerft. Skizziert. Diskutiert. Beobachte das Flugver-halten der Rakete. Achte dabei insbesondere auf die Flugbahn sowie das Verhalten des Raketenkörpers, wie Eigenrotation oder Kippen der der Rakete. Durch welche technische Veränderung lässt sich ein stabi-ler Flug der Rakete erreichen? Erfinde und teste.

Auswertung: 1. Formuliere die Versuchsergebnisse. Wie hoch war die Steighöhe? 2. Durch welche Veränderungen an der Rakete könnte ihre Steighöhe ver-

bessert werden? Diskutiert. Entwerft. Skizziert. 3. Damit die Rakete gezielt gestartet werden kann, ist ein Mechanismus

zum Auslösen erforderlich. Erfinde einen Startmechanismus. 4. Zur Verbesserung der Sicherheit der Beobachter, können die Raketen

mit weichen Spitzen versehen werden. 5. Um die Landezeit zu verlängern, kann ein Fallschirm angebaut werden.

Entwickle dafür eine technische Lösung. 6. Entwickle eine zweistufige Wasserrakete.

Materialliste:

PET-Flaschen (z.B. 0,5 l; 1,0 l),

Sektkorken,

Fahrradschlauch,

Luftpumpe mit Manometer,

Akkuschrauber, Bohrer, Schere

Hinweise zum Bau:

Um den Flaschenhals dicht zu be-

kommen, sollte der Korken mit Sandpapier geglättet werden.

Der Innendruck muss stets der glei-

che sein.

Der kegelförmige Korken muss stets

gleichtief in den Flaschenhals ge-drückt werden. Am besten die Stelle mit einem Stift markieren!

Der Bohrer sollte etwas kleiner im

Durchmesser als das Ventil sein.

Flaschengröße Steighöhe Füllmenge Steighöhe

0,5 l 20 %

1,0 l 30 %

1,5 l 40 %

Anhang


Aufgaben Experimente mit Wasserraketen

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Anhang

Auszug aus dem Flugbericht von Apollo 12 (Postflight Trajectory - AS-507): Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung in x-, y- und z-Richtung

Zeit

Abstand von der Erde

Geschwindigkeit der Rakete

Manöver Stage

00:02:30 2

9300 ft/s = 2,84 km/s 3

02:50:00 32000 ft/s = Translunarorbit 4

26 314 ft/s Andocken des CSM an LM 5

04:41:00 6

7 2917 ft/s = 0,98 km/s Ankunft im Mondorbit

8 100:12:00 5368 ft/s = 1,64 km/s Trennung LM von CSM

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10 102:43:00 Landeanflug

11 Landung

Tab. 3 Flugdaten zur Computeranimation (s. Aufgabe 4, Seite 3)



Aufgaben Experimente mit Wasserraketen

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Haftungsausschluss:

Der Aufgabenkatalog wurde sehr sorgfältig erstellt. Dennoch übernimmt der Herausgeber keine Haftung für

die Richtigkeit der Angaben und Informationen.

Impressum:

Autor und Herausgeber: Immo Kadner, Berlin 2014

Redaktion: Immo Kadner, Berlin

Foto Titelseite (Eugene Cernan im Lunar Rover, Apollo 17, 11. Dezember 1972): NASA

Bestellungen: [email protected]

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Menschen auf dem Mond - … · /1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik ... Probleme Lösungen Robert Goddard neben seiner Flüssig-Von Konstantin Ziolkowski (1857-1935) stammt die Raketengleichung