- Kinderfachhochschule -
1. Kennenlernen und Sicherheit2. Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern)
3. Mechanik: Schaltung
4. Mechanik: Bremsen und Hydraulik
5. Mechanik: Federung und Kreisel (mit Fahrrädern)
6. Elektrizität und Optik
7. Akustik: Wind und Klingeltöne
8. Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion
9. Aerodynamik
10.Ernährung, Energie, Training, Ergometer
Frank Kameier http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011 (Mai bis Juli 2011 – 10 Termine)
09.03.2011
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle Bild: http://www.slogdesign.de/triabike/m.goehner.jpg
AerodynamikAerodynamik (von altgriechisch ἀήρ, Luft und δύναµις, Kraft) ist Teil der Fluiddynamik und beschreibt das Verhalten von Körpern in kompressiblen Fluiden (zum Beispiel Luft). Die Aerodynamik beschreibt die Kräfte, die es beispielsweise Flufzeugen ermöglichen, zu Fliegen oder Segelschiffen, sich mit Hilfe des Windes durchs Wasser zu bewegen.
Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Aerodynamik#Anwendung
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle: http://www.yamaha-motor.de/designcafe/en/Images/5-2%202_4_PS_tcm71-237278.jpg
- Kinderfachhochschule -
Zylinderumströmung
DcRe
Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974
- Kinderfachhochschule -
Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.
- Kinderfachhochschule -
Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
U68 km/h
- Kinderfachhochschule -
Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz
Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,
d
uStf
Tacoma Narrows Bridge, 1940
s
m19c
- Kinderfachhochschule -
Behinderung der Wirbelbildung
an der Blattspitze: Winglet gegen das Überströmen der Blattspitze.
am Turm: Spirale gegen die Bildung von Kármánschen Wirbelstrassen
Quelle: Mechanical Engineering, Vol.121, No.12, Dec 1999
- Kinderfachhochschule -
Helmholtz-Resonator
Lips, Strömungsakustik(1997)
2/rlV
r
2
af
2
cAnström.
cAnström.
hohe Frequenz
tiefe Frequenz
- Kinderfachhochschule -
Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten
Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.
Blockflöte
Klarinette
Oboe
- Kinderfachhochschule -
Periodische Strömung in einer Flöte
Quelle: Science Times, 12/98
- Kinderfachhochschule -
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
moderate Auflösung und „schlechtes“ Netz
1,5 Millionen Elemente
Karman
ßeWirbelstra
f
c
strö
mun
gsak
ustis
che
Mod
e
- Kinderfachhochschule -
• Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
AnleitungZunächst wird die Kerze angezündet. Danach stellt man die Flasche vor die Kerze. Aus etwa 10 cm Entfernung wird nun gegen die Flasche gepustet.BeobachtungBei richtiger Entfernung und genügend starker "Puste" geht die Kerzenflamme sofort aus.ErklärungDie Luft teilt sich zwar und gleitet um beide Seiten der Flasche herum, aber sie trifft sich dahinter wieder. An diesem Punkt steht die Kerze deshalb direkt im Luftzug. Das ist übrigens auch der Grund, warum sich Bäume und Litfasssäulen schlecht als Windschutz eignen. Sie haben eine gute Stromlinienform. Die Luft strömt einfach um sie herum. Der Gegenversuch ist schnell gemacht: Der gleiche Versuch unter gleichen Bedingungen, nur anstelle der runden Sprudelflasche wird die eckige Saftkartonpackung verwendet. So sehr man sich auch anstrengen mag, der stärkste Wind bringt die Kerze nicht zum Erlöschen. Die geraden Flächen und Kanten der Saftpackung bremsen den Wind aus und machen ihn wirkungslos.
Quelle: http://www.kontexis.de/front_content.php?idart=1248
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck
Bei den Gegenständen in der Strömung wird unterschieden zwischen Widerstandskörpern und Strömungskörpern. Bezugsfläche bei Widerstandskörpern für den Widerstandbeiwert ist immer die Stirnfläche quer zur Strömungsrichtung.
Quelle Bild: http://www.lifeinpictures.de/wp-content/gallery/longwaysouth/img_0033b.jpg
Quelle Bild: http://www.traumvelo.de/WCMS/content/images/df0105a5b2d60152429f1469b41c636c.jpg
Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
- Kinderfachhochschule -
Widerstand und Fläche
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck
- Kinderfachhochschule -
Windschatten
- Kinderfachhochschule -
Windschatten
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle Bild: http://www.dailysusan.com/wfdata/frame1209-1164/pressrel5_files/image002.jpg
In einer V-Formation kann jeder Vogel eine Verringerung des Luftwiederstandes und als Ergebnis eine Reichweitenerhöhung erreichen.
Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/V-Formation
Windrichtung
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle Bild: http://cdn.picapp.com/ftp/Images/9/d/6/6/Tour_de_France_7789.jpg?adImageId=1810404&imageId=5311943
Ähnlich wie die Zugvögel, nutzen Rennradfahrer das selbe Prinzip. Kraft sparen, indem man im Windschatten des Vordermann fährt und dadurch nicht gegen den Fahrtwind kämpfen muss. Durch das Rotieren der Positionen ist jeder mal der, der mehr bzw. weniger Arbeit leisten muss.
Quelle Bild: http://blog.funkygog.de/data/2010/01/Kraftwerk-Aerodynamik-MCD-Cover-Front.jpg
Belgischer Kreisel
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle: Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Berlin 1977
Druck und Strömung
- Kinderfachhochschule -
Auftrieb und Bernoulli-Gleichung
Quelle: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm
- Kinderfachhochschule -
Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Der Bernoulli-Effekt mit einem Fön und einem TischtennisballWir benutzen einen Tischtennisball oder einen ähnlichen kleinen Ball, der nur leicht genug sein muß. Vielleicht geht es auch mit einem aufgeblasenen Luftballon, einfach mal ausprobieren. Nicht geeignet sind schwere Gummibälle. Wir brauchen einen Fön, am besten einer, der auch auf "kalt" gestellt werden kann. Nach dem Einschalten des Föns wird er mit der Öffnung nach oben gehalten. Nun den Ball in den Luftstrom halten und loslassen. Der Ball wird im Luftstrom des Föns "gefangen" gehalten. Nicht nur, daß er stabil über dem Fön schwebt, man kann den Fön sogar leicht schräg stellen und der Ball wird dennoch im Luftstrom gehalten. Hier hilft uns der sogenannte Bernoulli-Effekt.Je schneller unsere Fönluft strömt, desto niedriger ist an dieser Stelle der Luftdruck. Das heißt, in der Mitte der Luftströmung des Föns herrscht der niedrigste Druck. Damit wird alles, was nicht niet- und nagelfest ist, in die Mitte der Strömung angesogen. Schwere Teile kann man damit nicht beeindrucken, aber ein leichter Tischtennisball tanzt bereitwillig in der Strömung.
Quelle: http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/10/der-bernoulli-effekt-mit-einem-foen-und-einem-tischtennisball.html
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf
Bernoulli-Effekt
- Kinderfachhochschule -
Name, Vorname Gruppe, Datum http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Coandă-Effekt
Mit dem Begriff Coandă-Effekt werden verschiedene, ursächlich nicht zusammenhängende Phänomene bezeichnet, die eine Tendenz eines Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung nahelegen, an einer konvexen Oberfläche „entlangzulaufen“, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83-Effekt
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle: Experimente mit Aha- Effekt! ZIRP-Zukunftsinitiative Rheinland-Pfalz, www.zirp.de
Coanda-Effekt
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Venturi-and-Coanda-effect-2.gif?uselang=de … le
ider eine
falsche Erklärung!
- Kinderfachhochschule -
Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf
- Kinderfachhochschule -
Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf
- Kinderfachhochschule -
Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
http://www.bwtw.de/bwtw/cms_de.nsf/%28$UNID%29/57E66ED22E774CE4C125737100369178/$File/Aerodynamik.pdf
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
• Mit dem Rücken zur Windmaschine stellen und eine Kerze in die Hand nehmen.
• Nun Umdrehen und beobachten was mit der Kerze passiert.
Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren)Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren)
• Die Kerze bleibt an, da der Wind den Körper nun Umströmen muss und es hinter dem Körper nun Windstill ist.
• Durch das Umdrehen wird die Kerze direkt dem Wind ausgesetzt und dieser bläst die Kerze nun aus.
© Thorben Zielas, Crevents GbR
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Aerodynamik beim Fahrrad!Aerodynamik beim Fahrrad!
• Das Fahrrad • Die Kleidung
• Der Helm
www.myroadtokona.at
www.megabikes.de
www.velobiz.de
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
• Das Fahrrad an sich ist eines der Hauptbestandteile der Aerodynamik bei einem Fahrrad.
1. Der Rahmen wird so konstruiert, dass der Wind diesen möglichst Reibungsfrei umströmt.
2. Die Räder werden optimiert, indem die Speichen abgedeckt werden. Dadurch entstehen weniger Luft Verwirbelungen, welche die Aerodynamik verschlechtern würden.
3. Der Lenker und der Sitz werden so Konstruiert, dass eine Aerodynamische Sitzposition entsteht.
Das FahrradDas Fahrrad
1. Der Rahmen
2. Die Räder
3. Lenker und Sattel
1
2
3
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
• Der Helm ist ein weiterer Hauptbestandteil der Aerodynamik bei einem Fahrrad.
• Neben dem Sicherheitseffekt, wird der Fahrradhelm immer häufiger zur Verbesserung der Aerodynamik eingesetzt.
• Auf den normalen Helm-Aufbau, wird wie man auf dem Bild erkennen kann eine Aerodynamische Verkleidung montiert.
• Durch die besondere Tropfenform, wird die Aerodynamik des Helms und damit des ganzen Fahrrads optimiert.
Der HelmDer Helm 1
2
3
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
• Die Kleidung ist ein weiterer Hauptbestandteil der Aerodynamik bei einem Fahrrad.
• Neben der Funktion der Kleidung als solche (Schutz vor Kälte, Atmungsaktivität) wird auch die Kleidung immer häufiger aerodynamisch optimiert.
• Die Kleidung liegt sehr eng an der Haut an, damit keine Falten entstehen und somit eine glatte Fläche entsteht, welche verhindert, dass Luft-Verwirbelungen entstehen.
• Somit wird zusammen mit dem Helm der Fahrer selbst aerodynamisch Optimiert.
Die KleidungDie Kleidung 1
2
3
- Kinderfachhochschule -
Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Experiment „Sitzposition“Experiment „Sitzposition“1
2
3Setzt euch auf ein Fahrrad und versucht die beiden angezeigten Sitzpositionen aus. Erklärt was euch bezüglich des Luftwiederstandes auffällt.
• Je mehr man aufrecht sitzt, umso mehr drückt der Wind gegen den Körper.
• Daraus können wir schließen, dass der Luftwiederstand sich erhöht.
• Denn je flacher die Sitzposition ist, umso besser kann die Luft um den Körper strömen.
© Thorben Zielas, Crevents GbR
- Kinderfachhochschule -
real
optimal
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
(Wirbel)
- Kinderfachhochschule -
real
optimal
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
Vergleich mit Kugelumströmung
- Kinderfachhochschule -
aerodynamisch optimiert
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
http://www.triathlon.de/wp-content/uploads/2008/05/the-ultimate-bike-2.jpg
- Kinderfachhochschule -
http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2010/0117/windschatten.jsp
Auch der Vordermann profitiert vom Windschattenfahren!
Windschatten
- Kinderfachhochschule -
http://de.wikipedia.org/wiki/Windschatten
Belgischer KreiselWindschattenfahren
- Kinderfachhochschule -
http://www.radsport-aktiv.de/freizeit/freizeitbericht_24.php
- Kinderfachhochschule -
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bundesarchiv_Bild_183-05597-0002,_G._Barandat,_M._Klieme.jpg&filetimestamp=20081203224333
Steherrennen
- Kinderfachhochschule -
268 km/h, aus eigener Muskelkraft. Der Holländer Fred Rompelberg erreichte diese Spitzengeschwindigkeit mit dem Fahrrad – allerdings im Windschatten...
Geschwindigkeit = Weg pro Zeit [m/s]
Geschwindigkeitsrekorde
- Kinderfachhochschule -
http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2009/resultsmonday.htm
Liegefahrräder
… wenig Fläche zum Wind
- Kinderfachhochschule -
http://www.fredrompelberg.com/de/html/algemeen/fredrompelberg/rekord.asp
Geschwindigkeitsrekord: 268,831 km/h.
- Kinderfachhochschule -
Geschwindigkeitsrekorde
- Kinderfachhochschule -
http://www.lustaufzukunft.de/pivit/aero/aerodynamik.html
Aerodynamik optimieren
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Quelle: www.wikipedia.de
Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
Ein- und Ausströmvorgänge (Beispiel: Atmen)
aus: ANSYS Advantage, Volume II, Issue I, 2008