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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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(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
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(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
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(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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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,
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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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http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 61
Strömungsmechanik . Wind = Luftströmung = Aerodynamik
Quelle: Impulse Physik, Klett-Verlag, 2005 Material Fön,
Tischtennisball, Stricknadeln, Papierblätter
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http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 62
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
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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
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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
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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
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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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http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 72
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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http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 73
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http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik/ 74
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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FH Düsseldorf 2011