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Einleitungstext Elementa 2 Zukunftswerkstatt 1900 Wie kommt der

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Einleitungstext
Elementa 2
Zukunftswerkstatt 1900
Wie kommt der Strom in die Steckdose?
Warum fliegt ein Flugzeug?
Wie breiten sich Schwingungen aus?
Wie funktioniert eine Rohrpost?
Wie entsteht aus Bewegung Wärme
und aus Wärme Bewegung?
Wie lässt sich menschliche Arbeit messen?
Dies und vieles mehr können Sie hier herausfinden
und in Experimenten gleich selber ausprobieren.
Die Antworten liegen bereits im 19. Jahrhundert,
beim Aufbruch ins Industriezeitalter.
In den Versuchen geht es nicht nur um die Frage
„Wie funktioniert das?“, sondern auch um
„Woher und Wozu?“: um historische Zusammenhänge,
industrielle Anwendung und alltäglichen Nutzen
– bis zum heutigen Tag.
Stationstext
Elektrotechnik
Physiker und Ingenieure erforschten die Elektrizität und ihre vielfältigen Wirkungen.
Sie schufen einen völlig neuen Zweig der Technik von faszinierender Universalität:
die Elektrotechnik. Mit ihr konnte man blitzschnell Nachrichten in alle Welt versenden
und sie lieferte jede erdenkliche Energieform: Bewegung, Wärme, Licht.
Auch im „Zeitalter der Elektrizität“ brauchte man herkömmliche Energiequellen.
Strom wurde oft fernab vom Verbraucher in Wasser- oder Dampfkraftwerken erzeugt,
ließ sich aber mit geringen Verlusten an beliebige Einsatzorte übertragen.
Elektrizität prägte das Bild der Städte, den Wohnalltag, die Arbeitswelt. Tages- und
Jahreszeiten verloren an Bedeutung: Strom zum Antreiben von Maschinen, zum
Heizen, Kühlen oder Beleuchten war jederzeit und überall verfügbar.
Bandgenerator
1
3
Haarsträubende Elektrizität!
Genauer betrachtet
Achtung: Dieser Versuch wird von einem TECHNOscout
vorgeführt. Folge seinen Anweisungen!
Der Bandgenerator wirkt wie ein Fließband, das elektrische
Ladung transportiert. Wo sich die positive und wo sich die
negative Ladung sammelt, hängt von der Verteilung der
Restladungen aus dem vorhergehenden Betrieb ab. Sobald
der Generator anläuft und die Ladungstrennung einsetzt,
verstärkt sich die Anfangs-Polarisierung.
Fasse an die große Metallkugel.
Sobald der Bandgenerator anläuft, spürst du ein Kribbeln
auf der Haut und die Haare auf dem Kopf fangen an sich zu
sträuben.
Das breite Gummiband läuft über zwei Walzen. Durch
Reibung an der oberen Walze lädt es sich dabei auf. Die
Ladung wird auf dem Band nach unten transportiert und
über einen Metallkamm zum Kugelstab abgeleitet.
Auf der Bandseite gegenüber, der aufwärts laufenden Seite,
entsteht durch Influenz eine entgegengesetzte Ladung.
Diese wird nach oben zur Kugel transportiert und dort
abgestreift.
Auf der Kugel sammelt sich eine immer größer werdende
Ladungsmenge an. So können bei entsprechender
Ausführung der Maschine mehrere Millionen Volt erzeugt
werden.
2
Was geschieht hier?
Durch Reibung von Kunststoffen lässt sich elektrische
Ladung erzeugen. In diesem Fall reibt sich das Gummiband
an den Kunststoffwalzen, auf denen es transportiert wird,
und lädt sich elektrisch auf: bis zu etwa 20.000 Volt.
Diese elektrische Ladung wird auf die große Metallkugel
übertragen. Wenn du die Metallkugel berührst, geht die
Ladung auf deinen isoliert stehenden Körper über und lädt
ihn auf.
Da sich gleichnamige Ladungen gegenseitig abstoßen,
versuchen alle leichten Gegenstände, sich vom Körper weg
zu bewegen, vor allem die Haare: Sie sträuben sich.
Dieser Vorgang ist trotz der hohen Spannungen völlig
ungefährlich, da nur äußerst geringe Strommengen fließen.
Dieser Bandgenerator kann im Leerlauf etwa 150.000 Volt
erzeugen. Bei einem Kurzschluss fließt aber nur ein Strom
von maximal 6 millionstel Ampere.
Woher und wozu?
Der Bandgenerator ist eine Weiterentwicklung der
Influenzmaschinen – jener frühen Elektrisiermaschinen,
mit denen in den physikalischen Kabinetten des
18. Jahrhunderts elektrostatische Phänomene
erforscht wurden.
Sehr beliebt waren diese Maschinen auch in Hofgesellschaften. Dort dienten sie der unterhaltsamen
Demonstration elektrostatischer Effekte: von
tanzenden Papierschnipseln bis zum elektrischen
Kuss.
Der amerikanische Physiker Robert Jemison Van de
Graaff (1901 – 1967) entwickelte 1929 den Bandgenerator, daher auch Van de Graaff-Generator
genannt. 1933 konstruierte er am Massachusetts
Institute of Technology einen 10 Meter hohen
Generator zur Erzeugung von 7 Millionen Volt als
Energiequelle für einen Teilchenbeschleuniger in der
Kernforschung.
Bandgenerator
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Ab 1937 wurden Van de Graaff-Generatoren auch
in der Röntgenographie und der Krebstherapie
eingesetzt. Heute benutzt man für diese Zwecke
andere Hochspannungsquellen.
Magnetfelder
1
2
Welche Kräfte sind hier am Werk?
Was geschieht hier?
Lege die Magnete auf das Feld mit den vielen kleinen
Kompassnadeln. Die stabförmigen Magnete kannst
du auch in den durchsichtigen Zylinder stecken. –
Den Zylinder vorher gut schütteln!
Die kleinen Kompassnadeln sind selbst magnetisch.
Deshalb richten sie sich nach den stärkeren Feldern
der großen Magnete aus. Ihre Nordpole werden
vom Südpol des großen Magneten angezogen und
umgekehrt.
Im durchsichtigen Zylinder ist Öl mit feinen Eisenspänen.
Auch die Späne richten sich nach dem Feld der
großen Magnete aus. So kannst du ein Magnetfeld
in 3D beobachten.
3
Genauer betrachtet
Im Feld des großen Magneten werden die Eisenspäne
selbst magnetisch und verhalten sich deshalb wie
die Kompassnadeln.
Wusstest du schon, dass es außer Eisen nur zwei
weitere Metalle gibt, die auf Magnete reagieren:
Nickel und Kobalt?
Wenn elektrischer Strom fließt, erzeugt er ebenfalls
Magnetfelder (siehe Versuch „Magnetspule“). Erst
durch sie können Elektromotoren (siehe Versuch
„Elektromotor“) und Generatoren (siehe Versuch
„Motor-Generator“) funktionieren.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Magnetfelder
4
Magnetspule
1
2
Wie lässt sich ein Magnet
an- und ausschalten?
Was geschieht hier?
Wenn das grüne Lämpchen am Knopf leuchtet, kannst
du kurz drücken und Strom durch die Spule fließen
lassen. Beobachte dabei die kleinen Kompassnadeln.
Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht das
gleiche Magnetfeld wie bei einem großen, stabförmigen Magneten.
Die kleinen Kompassnadeln sind Dauermagnete, also
von sich aus magnetisch. Deshalb richten sie sich nach
dem Magnetfeld der Spule aus. Ihre Nordpole werden
vom Südpol des Spulen-Magnetfelds angezogen
und umgekehrt.
Ohne Strom wird die Spule sofort wieder unmagnetisch,
und die Nadeln können sich beliebig ausrichten.
3
Genauer betrachtet
Nach kurzer Zeit schaltet sich der Strom wieder aus;
das Lämpchen leuchtet dann rot. Was machen die
Kompassnadeln jetzt?
Jedes stromdurchflossene Kabel ist von einem
Magnetfeld umgeben. Seine Feldlinien verlaufen
kreisförmig um das Kabel. Die Richtung der Feldlinien
zeigt immer auf den magnetischen Südpol.
Wenn du das Kabel zu einer Spule wickelst, dann
addieren sich die kreisförmigen Felder zu einem
größeren, länglichen Feld, das aussieht und wirkt
wie bei einem Stabmagneten.
Woher und wozu?
An- und ausschaltbare Elektromagnete sind sehr
praktisch:
• Auf dem Schrottplatz können sie Autowracks anheben und absetzen.
•
Im richtigen Takt ein- und ausgeschaltet versetzen sie andere Magnete in Drehung. So funktionieren Elektromotoren. Probiere es
an unserem Versuch „Elektromotor“ doch
einmal aus.
Magnetspule
4
• In sogenannten Relais können sie Schalter
betätigen, indem sie ein Metallblättchen
anziehen.
• Im Rhythmus der Musik können sie sich von
einem Dauermagneten abstoßen und dabei
Schallwellen erzeugen. So funktionieren
Lautsprecher.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Vielleicht kennst du sogar noch mehr Beispiele aus
dem Alltag?
Induktion
1
2
Elektrizität aus dem Magneten?
Was geschieht hier?
Nimm den Kupferdraht und führe ihn entlang des
Stabmagneten, der vor dir steht. Beobachte das
Messgerät.
Wenn ein Leiter an einem Magneten vorbeigeführt
wird, entsteht in ihm eine elektrische Spannung.
Je schneller du den Leiter im Magnetfeld bewegst,
umso höher ist die Spannung und umso heftiger
schlägt das Messgerät aus.
Wenn du nun die Leitung noch in Windungen legst
und als Spule über den Magneten bewegst, schlägt
das Messgerät noch heftiger aus.
3
Genauer betrachtet
Dieser Vorgang wird elektromagnetische Induktion
genannt. Darunter versteht man das Entstehen
einer elektrischen Spannung in einem Leiter (Draht),
wenn dieser ein Magnetfeld „schneidet“. Dies ist
der Fall, wenn ein Leiter quer durch ein Magnetfeld
bewegt wird.
Je länger der Draht ist und je schneller er die Feldlinien schneidet, umso höher ist die Spannung, die
„induziert“ wird. Deshalb wickelt
man in der Elektrotechnik den
Draht auf Spulen und bewegt
ihn möglichst schnell im
Magnetfeld.
Woher und wozu?
Bei dem Versuch, die Wirkung des Elektromagneten
umzukehren, entdeckte der Engländer Michael
Faraday 1831 die elektromagnetische Induktion.
Im Jahr 1866 verbesserte Werner von Siemens
dieses Prinzip so weit, dass er mit seinem Dynamo
Elektrizität in großen Mengen erzeugen konnte.
Induktion
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Die Induktionswirkung wird technisch vor allem zur
Stromerzeugung im Generator und für Transformatoren genutzt. Aber auch im Mikrofon wandelt
die Induktionswirkung Schallwellen in elektrische
Schwingungen um.
Elektromotor
1
3
Wieso dreht sich der Magnet?
Genauer betrachtet
Drücke die drei grünen Knöpfe nacheinander. Wenn
du den richtigen Takt findest, beginnt der Magnet
in der Mitte zu kreisen. Noch besser geht’s zu zweit
oder zu dritt. Versuche doch einmal, den Magneten
richtig auf Touren zu bringen.
Dieses Experiment entspricht der Bauweise eines
Synchronmotors. Wenn du die Spulen im richtigen
Takt ein- und ausschaltest, erzeugst du ein
drehendes Magnetfeld. Der Magnet in der Mitte
dreht sich dann so schnell wie das Magnetfeld.
Richtige Synchronmotoren werden mit Drehstrom
angetrieben. Ihre Drehzahl beträgt bei einer Spannungsfrequenz von 50 Hertz 3000 Umdrehungen
pro Minute.
2
Was geschieht hier?
Solange du einen Knopf gedrückt hältst, fließt
Strom durch die zugehörige Spule. Diese Spule wird
dadurch magnetisch.
Der Magnet in der Mitte dreht sich, weil dann einer
seiner beiden Pole von der Spule angezogen und
der andere Pol abgestoßen wird.
Wieso eine stromdurchflossene Spule magnetisch
wird, kannst du beim Experiment „Magnetspule“
erfahren.
Synchron-Drehstrom-Motoren bleiben stehen,
wenn sie nicht angeworfen oder durch eine
Belastung zu stark gebremst werden. Zudem laufen
sie immer mit der gleichen Drehzahl. Deshalb finden
sie in der Technik selten Verwendung. Sie eignen
sich aber zum Antrieb elektrischer Uhren, wo ein
gleichmäßiger Gang bei gleichmäßiger Belastung
verlangt wird.
Weiter verbreitet sind Asynchronmotoren. Sie sind
anders gebaut, sodass ihre Drehzahl immer unterhalb der des Magnetfeldes liegt. Wenn ein
Asynchronmotor belastet wird, sinkt seine Drehzahl,
aber sein Antrieb wird stärker.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Elektromotor
4
Motor-Generator
1
3
Was ist das für eine
Kraftübertragung?
Genauer betrachtet
Drehe an einer der Kurbeln und schaue, was mit
der anderen passiert.
Du kannst auch beide Kurbeln gleichzeitig drehen –
in die gleiche Richtung oder entgegengesetzt.
Beobachte dabei den Zeiger in der Mitte.
2
Was geschieht hier?
Wenn du kurbelst, dann treibst du über ein Getriebe
einen Generator an. Wie schnell er sich dreht, kannst
du an der schwarz-weißen Scheibe sehen.
Der Strom aus dem Generator treibt dann auf der
anderen Seite einen Motor an.
Die Seiten sind vertauschbar, weil du einen Generator
auch als Motor benutzen kannst und umgekehrt.
Das Instrument in der Mitte zeigt den Strom an, der
zwischen Generator und Motor fließt. Dieser wird
stärker, wenn du den Motor belastest – ihn also
bremst oder sogar in die entgegengesetzte Richtung drehst.
Der Generator muss dann auch diesen zusätzlichen
Strom erzeugen und lässt sich dadurch schwerer
drehen. Folglich überträgt sich eine Belastung des
Motors direkt auf den Generator.
An diesem Modell erfährst du im Kleinen ein großes
Problem der Energieversorgung: Die Kraftwerke
müssen den Strom genau in dem Augenblick erzeugen,
wenn er gebraucht wird. Ein einzelnes Kraftwerk
kann aber nicht so schnell auf wechselnde Belastungen
reagieren.
Um dieses Problem zu entschärfen, bilden
Energieversorger große Netze. So können sie
sich den Strom gegenseitig abkaufen und solche
Schwankungen ausgleichen.
Manche Energieversorger benutzen auch Pumpspeicherwerke: In Zeiten niedrigen Verbrauchs treibt
ihr Strom große Pumpen an, die Wasser in einen
höher gelegenen See befördern. Wenn der Verbrauch wieder zunimmt, läuft das Wasser wieder
bergab und erzeugt durch eine Turbine Strom.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Motor-Generator
4
Springender Ring
1
3
Lass mal was springen!
Genauer betrachtet
Drücke den grünen Knopf, wenn das grüne Licht
brennt.
Der Versuchsaufbau ist nichts anderes als ein
Transformator, der aus der feststehenden Kupferwicklung als Primärspule und dem beweglichen
Aluminiumring als Sekundärspule besteht.
Durch die Spule fließt ein Wechselstrom, der wie
in einem Elektromagneten ein Magnetfeld erzeugt,
das sich dauernd umpolt.
Nur wegen dieser dauernden Feldänderung wird
auch im Ring eine Wechselspannung induziert, die
einen Wechselstrom fließen lässt. Dieser hat immer
die umgekehrte Flussrichtung wie in der Spule und
erzeugt deshalb ein wechselndes Magnetfeld, das
dem der Spule entgegengesetzt ist.
2
In einer Sekunde wechseln die Magnetpole der
Spule und des Rings 50-mal, bleiben aber immer
umgekehrt gepolt und stoßen sich pulsierend ab.
Der Ring fliegt nach oben weg.
Was geschieht hier?
Wenn du genau zuhörst, kannst du einen Brummton
hören, der durch die dauernden Wechsel erzeugt
wird.
Der Aluminiumring, der auf einer Spule mit einem
Kern aus Eisenstäben ruht, fliegt nach oben und
fällt zurück.
Weil der Aluminiumring eine Sekundärspule mit nur
einer Windung ist, also ein extremes Übersetzungsverhältnis vorliegt, fließt dort ein immenser Strom.
Hielte man den Ring fest, dann
würde er sofort zu schmelzen
beginnen.
Das Induktionsprinzip, hier bei diesem Versuch
spielerisch demonstriert, wird in der Praxis unter
anderem für sogenannte Linearmotoren genutzt.
Mit diesen Motoren erzeugt man keine rotierende,
sondern eine geradlinige Bewegung zum Beispiel
für den Antrieb von Magnetschwebebahnen.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Springender Ring
4
Transformator
1
2
Warum brummt’s hier?
Was geschieht hier?
Klappe den oberen Eisenkern mit dem grünen Griff
hoch und setze eine der drei angebundenen Spulen
auf den rechten Eisenkern. Schließe die rechte Spule
dann mit den beiden roten Steckern an, drücke
auf den grünen Startknopf und klappe den oberen
Eisenkern wieder herunter. Achte nun auf die
Glühbirne und die Messinstrumente.
Zwei Spulen auf einem im Kreis geschlossenen
Eisenkern bilden einen Transformator. Die linke, fest
installierte Spule heißt Primärspule, weil sie direkt
mit der Wechselstromquelle verbunden ist. Die
rechte, austauschbare Spule heißt Sekundärspule
und gibt den transformierten Wechselstrom ab.
Der Strom hat eine Frequenz von 50 Hertz, wechselt
also 100-mal in der Sekunde seine Polung. Der
Transformator schwingt mechanisch im Takt des
Stromes mit und erzeugt so den typischen Brummton.
3
Genauer betrachtet
Die Primärspule erzeugt ein Magnetfeld, wie der Versuch
„Magnetspule“ beschreibt. Dieses Magnetfeld wechselt mit
dem Strom 100-mal in der Sekunde die Polung. Der geschlossene Eisenkern leitet das wechselnde Magnetfeld
weiter in die Sekundärspule, wo es wiederum eine Wechselspannung erzeugt (siehe Versuch „Induktion“). Die erzeugte
Spannung wird umso größer, je mehr Windungen die Sekundärspule hat.
Auf beiden Seiten des Transformators (Primär- und Sekundärseite)
werden Spannung (Volt) und Stromstärke (Ampère) angezeigt.
Die elektrische Leistung ist das Produkt dieser beiden Größen.
Im Idealfall, wenn der Transformator ohne Verluste arbeiten
würde, wäre das Produkt auf beiden Seiten gleich groß.
Das Verhältnis der Spannungen zueinander entspricht dem
Verhältnis der Windungszahlen
in den Spulen.
Woher und wozu?
Der größte Vorteil des Wechselstroms ist, dass er
sich transformieren lässt. Um den Strom über
weite Strecken zu transportieren, verwenden die
Energieversorger möglichst hohe Spannungen und
möglichst niedrige Stromstärken. Das verringert
enorm die Energieverluste, wie der Versuch „Hochspannungsleitung“ zeigt.
Aber auch das Gegenteil kann sehr nützlich sein:
Bei Halogenbeleuchtungen mit offenen Leitungen,
wie sie besonders in den 1990er Jahren in Mode
waren, transformierte man die Spannung auf
ungefährliche 12 Volt herunter. Du konntest diese
Leitungen anfassen, ohne einen Schlag zu bekommen.
Dafür wird die Stromstärke entsprechend größer.
Transformator
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Niedrige Spannungen und hohe Stromstärken sind
auch beim Elektroschweißen gefragt. Die hohe
Stromstärke bringt die Metalle am Schweißpunkt
zum Schmelzen.
Hochspannungsleitung
1
3
Wieso stehen Fernleitungen
unter Hochspannung?
Genauer betrachtet
Mit den grünen Knöpfen kannst du die zugehörigen
Glühlampen einschalten.
Beobachte dabei die Modelle der Fernleitungen und
die Helligkeiten der Lampen.
2
Was geschieht hier?
Die elektrische Leistung, die ein Verbraucher benötigt,
ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke.
Die Fernleitung ohne Transformator hier im Versuch
transportiert die Elektrizität mit niedriger Spannung
und hoher Stromstärke. Die hohe Stromstärke erhitzt
die Drähte, und so geht viel Energie verloren.
Die Fernleitung mit Transformatoren leitet Elektrizität
mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke. Die
Drähte werden nicht so heiß und es geht weniger
Energie verloren. Deshalb werden in der Praxis
Fernleitungen mit Hochspannung betrieben.
Wie ein Wechselstrom-Transformator aufgebaut ist,
wie er funktioniert und wie die Zusammenhänge
zwischen Spannung und Stromstärke sind, kannst
du beim Versuch „Transformator“ näher erforschen.
Bei der Fernleitung mit Hochspannung wird auf der
Erzeugerseite die Spannung vor dem Transport
hochtransformiert; auf der Verbraucherseite wird
sie wieder heruntertransformiert. Diese Art der Übertragung funktioniert wegen der Transformatoren nur
mit Wechselstrom.
Die Internationale Elektrotechnische Ausstellung in
Frankfurt am Main 1891 brachte für Fachwelt und
Öffentlichkeit eine beeindruckende Demonstration
der Kraftübertragung: Hochgespannter Drehstrom,
also Dreiphasenwechselstrom, mit 15.000 Volt
wurde ohne größere Verluste vom Wasserkraftwerk
Lauffen am Neckar über 175 km nach Frankfurt
übertragen. Damit war die Frage, ob elektrische
Energieversorgungsnetze künftig mit Gleichstrom
oder mit Wechselstrom betrieben werden sollten,
entschieden zugunsten des Wechselstroms.
Hochspannung verringert also den Energieverlust
in Fernleitungen. Deshalb bestehen Stromnetze aus
Hochspannungsleitungen, die bis zu 400.000 Volt
führen.
Allerdings haben solche Leitungen auch Nachteile:
Wegen der hohen Spannung müssen die einzelnen
Drähte weit genug auseinander hängen, damit keine
Blitze zwischen ihnen überspringen. Wegen des großen
Abstandes der Drähte können sich ihre Magnetfelder
(siehe Versuch „Magnetspule“) nicht mehr gegenseitig auslöschen. So entstehen starke wechselnde
Magnetfelder in der Nähe der Leitungen, deren
Auswirkungen auf Mensch und Umwelt bis heute
umstritten sind.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Hochspannungsleitung
4
Leiter und Nichtleiter
1
2
Was leitet den Strom?
Was geschieht hier?
Im linken Stromkreis kannst du den Schalter schließen
und öffnen, also die Lampe ein- und ausschalten.
Damit die Lampe leuchtet, muss der Stromkreis
geschlossen sein. Dann fließt der Strom von einem
Pol der Spannungsquelle durch die Lampe zum
anderen Pol. Das funktioniert nur, wenn der Strom
dabei auch durch den Schalter fließen kann.
Wenn du einen elektrischen Nichtleiter als Schalter
nimmst, kann der Strom nicht durch ihn fließen und
die Lampe leuchtet nicht.
Im rechten Stromkreis ist eine Lücke, an der du
Stäbe aus verschiedenen Materialien als Schalter
testen kannst. Beobachte dabei die Lampe.
3
Genauer betrachtet
Wenn ein Stoff den Strom leitet, besitzt er frei
bewegliche Ladungen. Das sind elektrisch geladene
Teilchen, die sich im Material bewegen können. Bei
Metallen sind es nur Elektronen. In Salzlösungen
bewegen sich außer Elektronen auch positiv geladene Ionen.
Je leichter die Ladungen sich bewegen können,
desto besser leitet der Stoff den Strom. Beispielsweise leitet Kupfer siebenmal so gut wie Eisen.
Leiter und Nichtleiter sind in der Technik gleichermaßen
nützlich. Nimm als Beispiel ein einfaches Stromkabel.
Im Inneren muss sich ein guter Leiter wie Kupfer
befinden. Außen herum ist ein Nichtleiter, auch
Isolator genannt. Dieser sorgt dafür, dass der Strom
nur im Kabel fließt und keine Irrwege durch andere
Leiter nimmt – wie den menschlichen Körper.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Leiter und Nichtleiter
4
Reihen- und Parallelschaltung
1
3
Zwei Lampen an einer
Stromquelle – Wie geht das?
Genauer betrachtet
Probiere in beiden Schaltungen die grünen
Drehschalter aus. Achte dabei auf die Messgeräte
und auf die Helligkeit der Lampen.
2
Einfacher Stromkreis mit Stromquelle, einem Schalter und
einer Lampe:
Parallelschaltung mit Stromquelle, zwei Schaltern und
zwei an der gleichen Spannung liegenden Lampen:
Was geschieht hier?
Die blauen Elemente sind die Stromquellen. Die
Messgeräte zeigen die Spannung in Volt (V) und die
Stromstärke in Ampere (A) an.
Vergleicht man elektrischen Strom mit strömendem
Wasser in einer Leitung, dann entspricht die elektrische
Spannung dem Wasserdruck.
Auf der linken Seite siehst du eine Parallelschaltung:
Beide Lampen bekommen die gleiche Spannung.
Ihre Stromstärken addieren sich zur gesamten
Stromstärke, die die Stromquelle liefert.
Auf der rechten Seite siehst du eine Reihenschaltung:
Der Strom, dessen Stärke angezeigt wird, fließt
durch beide Lampen. Die Lampen teilen sich die
gesamte Spannung der Stromquelle. Das heißt, an
jeder Lampe liegt nur die halbe Spannung, daher
die geringere Helligkeit. Die linke Lampe in dieser
Schaltung kannst du überbrücken. Dann entsteht
ein einfacher Stromkreis.
Bei der Parallelschaltung bekommen beide Lampen die gleiche
Spannung und die gleiche Stromstärke wie im einfachen
Stromkreis. Deshalb brennt jede auch genauso hell wie eine
einzelne Lampe im einfachen Stromkreis.
Reihenschaltung mit Stromquelle, einem Schalter und zwei
vom selben Strom durchflossenen Lampen:
Bei der Reihenschaltung zweier Lampen liegt an jeder Lampe
nur die halbe Spannung. Deshalb brennt jede mit geringerer
Helligkeit als bei der Parallelschaltung oder
im einfachen Stromkreis.
In der Parallelschaltung brennen also mehrere
Lampen genauso hell wie sonst eine einzelne. Aber
diese Schaltung hat noch mehr Vorteile.
Wenn von mehreren parallelgeschalteten Lampen
eine durchbrennt, leuchten die anderen unverändert
weiter. Bei einer Reihenschaltung würden gleich alle
erlöschen, weil der Stromkreis unterbrochen wäre.
Außerdem wäre es dann umständlicher herauszufinden, welche Lampe kaputtgegangen ist.
Die Spannung in der Parallelschaltung bleibt an
jeder Lampe oder an jedem sonstigen elektrischen
Gerät gleich. Das ist praktisch, weil die meisten
Elektrogeräte für eine bestimmte Spannung
ausgelegt sind.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Reihen- und Parallelschaltung
4
Handbatterie
1
3
Elektrizität aus den Händen?
Genauer betrachtet
Stecke die Stecker in die Buchsen von zwei
unterschiedlichen Metallstäben.
Nun umfasse die beiden Metallstäbe jeweils mit
einer Hand.
Die Haut deiner Hände enthält immer Feuchtigkeit
und Salz. Wenn du die Metallstäbe anfasst, greift
diese Salzlösung die Stäbe an.
Da die beiden Stäbe über deinen Körper miteinander
verbunden sind, entsteht eine elektrische Spannung
zwischen den Metallen.
Das Messgerät zeigt diese Spannung an. Wie hoch sie
ist, hängt von der Art der Metalle ab, genauer: von
ihrer Stellung in der sogenannten elektrochemischen
Spannungsreihe.
Je größer der Abstand zweier Metalle in dieser
Spannungsreihe, desto höher die Spannung
zwischen ihnen beim Anfassen.
Ordnet man die hier eingebauten sechs Metalle
nach der elektrochemischen Spannungsreihe, dann
ergibt sich die Abfolge: Edelstahl, Kupfer, Eisen,
Messing, Aluminium, Zink. Und deshalb ist hier die
Spannung zwischen Edelstahl und Zink am größten.
2
Was geschieht hier?
Auf dem Messgerät kannst du jetzt eine Spannung
in Volt ablesen.
Versuche nun herauszufinden, zwischen welchen
beiden Metallen die höchste Spannung entsteht.
Woher und wozu?
Der italienische Arzt Luigi Galvani entdeckte in den
1780er Jahren diesen Effekt, als er einen präparierten
Froschschenkel mit zwei verschiedenen Metallen
berührte und dieser zu zucken begann.
Er hatte damit das später nach ihm benannte
galvanische Element gefunden: eine Kombination
zweier verschiedener Metalle, die über ein Elektrolyt
miteinander verbunden sind und zwischen denen
eine Spannung entsteht.
Im Jahr 1800 verbesserte Alessandro Volta die
Entdeckung Galvanis durch Hintereinanderschalten
mehrerer solcher Elemente zu einer Batterie.
Handbatterie
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Batterien sind aus unserem täglichen Leben schon
lange nicht mehr wegzudenken: ob als Zink-Kohle
Element (Leclanché-Element) in der Taschenlampe,
als Nickel-Cadmium Akku im Handy oder als
Blei-Akkumulator im Auto. Neuere Entwicklungen
führten zur Alkali-Mangan- oder Alkaline-Batterie
und zum Nickel-Metallhydrid-Akkumulator.
Stationstext
Kommunikation
Neue Verkehrs- und Kommunikationsmittel beschleunigten den Austausch von
Nachrichten und vervielfachten ihn. Elektrische Telegrafenlinien, zunächst für den
Eisenbahnbetrieb eingerichtet, umspannten gegen Ende des 19. Jahrhunderts den
gesamten Erdball als Kommunikationsnetz für jedermann.
Telegrafen übermitteln Nachrichten verschlüsselt als Punkte und Striche. Direkte
Gespräche ermöglichte nach Mitte des Jahrhunderts das Telefon. Nachrichten in
materieller Form konnte man zu dieser Zeit innerhalb von Großstädten wie London
oder Berlin per Rohrpost verschicken.
Ein Kommunikationsmittel, das erst im 20. Jahrhundert die Massen faszinieren sollte,
hat seine Wurzeln ebenfalls im 19. Jahrhundert: der Film. In einfachen Apparaten
konnte man die ersten Laufversuche der Bilder bestaunen.
Rohrpost
1
2
Hier geht die Rohrpost ab!
Was geschieht hier?
Öffne den Schieber am Aufgabefach, lege die
Kartusche ein und schließe das Fach.
Ziehe am Blasebalg, damit er sich mit Luft füllt, und
drücke ihn kräftig zusammen, um die Post abzuschicken.
Wie oft musst du pumpen, bis die Kartusche in der
Empfangsstation landet?
Die aus dem Blasebalg herausgetriebene Luft
schiebt die Kartusche durch die Rohrleitung.
3
Genauer betrachtet
Die Rohrpost ist ein Kommunikationssystem, mit
dem sich nicht nur Nachrichten, sondern auch kleine
Mengen stofflicher Güter sehr schnell transportieren
lassen.
Reale Systeme werden mit Verdichter und
Sauggebläsen betrieben. Sie sind außerdem mit
Zwischenstationen und Weichen versehen, sodass
verschiedene Adressaten angesteuert werden können.
Besonders geeignet sind sie für ein begrenztes
räumliches Umfeld, etwa für eine Stadt oder für
einen Großbetrieb. Weiter ausgreifende Systeme
werden dagegen zu teuer.
Die ersten Rohrpostsysteme entstanden kurz nach
1850 in London. Zwischen 1875 und 1945 fanden
sie große Verbreitung.
Durch die Konkurrenz von Telefon, Fernschreiber
und elektronischen Medien ist die Rohrpost dann
in den Hintergrund gedrängt worden. Erst in den
letzten Jahren erlebt sie eine gewisse Renaissance,
etwa zum Transport von Medikamenten und
Laborproben in Krankenhäusern.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Rohrpost
4
Morsetisch
1
3
Du kannst nicht morsen?
Genauer betrachtet
Probiere es trotzdem mal aus! Suche dir einen Partner
und nehmt beide Platz, jeder auf einer Seite des
Tisches.
Du merkst sicher, dass das am Anfang nicht ganz
einfach ist. Stelle dir vor: Ein geübter Funker kann in
der Minute 300 Buchstaben direkt verstehen bzw.
eingeben!
Wenn du den schwarzen Knopf drückst, leuchtet
beim Gegenüber die Diode auf. Du kannst mit
„kurz“ und „lang“ Buchstaben und Worte aus dem
Morse-Alphabet auf der Tafel zusammensetzen.
Was dein Partner zurück morst, kannst du mit Kreide
notieren: entweder erst mal im Morse-Alphabet
oder gleich entschlüsselt mit dem Empfangscode.
2
Was geschieht hier?
Als Sender codierst (übersetzt) du unsere Buchstabenschrift in eine Form, die das Übertragen als elektrisches Signal erleichtert.
Als Empfänger musst du diese Signale decodieren
(rückübersetzen).
Woher und wozu?
Mit dem Bau der Eisenbahnnetze seit etwa 1830
wurde klar, dass man für den sicheren Betrieb dieser
neuen Großtechnik sehr schnell über weite Strecken
musste kommunizieren können. Die neu entstehende
Elektrotechnik bot dafür bessere Möglichkeiten als
die optischen Telegrafen, die es seit der Antike gab.
Der Amerikaner Samuel Morse entwickelte in den
1830er Jahren einen Schreibtelegrafen und die ersten
Anfänge des Codes, der später nach ihm benannt
wurde. 1865 wurde dieser Code standardisiert.
Morsetisch
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Trotz der rasanten Weiterentwicklung der
Kommunikationstechniken ist der Morsecode immer
noch in Gebrauch und wird sogar noch weiter
entwickelt: Im Jahre 2004 wurde eine Zeichenfolge
für das @, den „Klammeraffen“ in Internetadressen,
aufgenommen.
Zoetrop
1
3
Als die Bilder laufen lernten
Genauer betrachtet
Drehe den Zylinder in der markierten Richtung und
betrachte durch die Sehschlitze die Bilder auf der
gegenüber liegenden Innenseite.
Immer wenn ein Schlitz am Auge vorbeiläuft, gibt
er für einen kurzen Moment den Blick frei auf das
gegenüber liegende Bild.
Die Bilder zeigen aufeinander folgende Bewegungsphasen. Sie werden in so rascher Folge wahrgenommen, dass das Auge die einzelnen Phasenbilder
nicht mehr auseinander halten kann.
So entsteht die Illusion einer fließenden,
lückenlosen Bewegung – wie im Kino.
2
Was geschieht hier?
Die Bilder fließen ineinander zu einer stufenlosen
Bewegung. Die einzelnen Phasen des Schmiedens
gehen über in einen fortlaufenden Arbeitsvorgang.
Woher und wozu?
Im 19. Jahrhundert wurden vielerlei Apparate
entwickelt, die dem Auge eine fortlaufende
Bewegung vortäuschen konnten: mit Einzelbildern
auf Trommeln oder Scheiben und Betrachtungshilfen
wie Schlitzen, Spiegeln oder Beleuchtung durch
Lichtblitze.
Zoetrop
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Zu den frühesten Geräten dieser Art gehörte das
Zoetrop (griech. Lebensrad) von 1834. In der zweiten Jahrhunderthälfte wurden Filmaufnahme- und
Projektionstechniken entwickelt.
Stationstext
Wahrnehmung
Mit den Sinnen nehmen wir unsere Umwelt wahr und machen uns ein Bild von ihr.
Doch wie zuverlässig sind unsere Sinne? Oft genug täuschen sie uns, wenn wir
Entfernungen, Höhen, Flächen, Gewichte oder Temperaturen einschätzen.
Sinnestäuschungen lassen sich nicht vermeiden. Sie wirken unmittelbar, denn sie
beruhen auf elementaren Funktionen unserer Wahrnehmung, die wir durch
Denkprozesse kaum beeinflussen können.
Doch wir können Sinneswahrnehmung objektivieren: durch Vergleich, Experiment
und Messung. Das sind grundlegende Methoden der Naturwissenschaften und der
Technik. Messinstrumente verwenden wir in Forschung, Entwicklung und industrieller
Produktion, überall dort, wo der unmittelbare Sinneseindruck nicht ausreicht oder
unsere Wahrnehmung nicht fein genug ist.
„Magische“ Klötzchen
1
3
Wie gut kannst du Gewichte
schätzen?
Genauer betrachtet
Lege die Klötzchen aufeinander und hebe beide mit
einer Hand an.
Hebe anschließend nur das obere Klötzchen.
Na? Überrascht?
Aus Erfahrung wissen wir, dass zwei Körper zusammen
schwerer sind als jeder einzelne. Und wenn sich beide
Körper so ähnlich sehen wie unsere Klötzchen, dann
sind sie in der Regel auch aus demselben Material
und gleich schwer; jeder trägt also die Hälfte zum
Gesamtgewicht bei.
Diese durchaus sinnvollen und vielfach bewährten
Erfahrungen lenken unsere Erwartung, wenn wir
das obere Klötzchen abheben: Wir erwarten, dass
es halb so schwer ist wie beide zusammen.
Weil es aber aus viel schwererem Material ist als das
untere, überrascht uns sein Gewicht und kommt
uns noch viel größer vor, als es tatsächlich ist. Ja,
wir halten das obere Klötzchen sogar für schwerer
als beide zusammen.
Der Verstand sagt uns zwar, dass das nicht sein
kann. Aber unsere Wahrnehmung wird so stark von
unseren Lernerfahrungen und Erwartungen geprägt,
dass wir uns der Täuschung kaum entziehen können.
2
Was geschieht hier?
Das obere Klötzchen wird dir unerwartet schwer
vorkommen, wahrscheinlich sogar schwerer als beide
Klötzchen zusammen. Woran liegt das? Hast du eine
Vermutung?
Sinnestäuschungen lassen sich nicht vermeiden.
Sie wirken unmittelbar, denn sie beruhen auf
Lernerfahrungen und elementaren Funktionen
unserer Wahrnehmung, die wir durch Denkprozesse
kaum beeinflussen können.
Doch wir können Sinneswahrnehmung objektivieren:
durch Vergleich, Experiment und Messung. Das sind
grundlegende Methoden der Naturwissenschaften
und der Technik.
Messinstrumente wie zum Beispiel Waagen zur
Bestimmung von Gewichten helfen uns überall
dort, wo der unmittelbare Sinneseindruck täuscht
oder unsere Wahrnehmung nicht fein genug ist.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
„Magische“ Klötzchen
4
Welche Tischfläche ist größer?
Schätzen Sie zuerst nach Augenmaß. Prüfen Sie dann die Größe der
Tischflächen mit der Schablone. Sie werden verblüfft sein.
Der Schablonentest beweist: Die Tischflächen sind deckungsgleich.
Trotz dieses Beweises werden Sie der Täuschung immer wieder erliegen. Das beruht auf wichtigen Funktionen unserer Wahrnehmung.
Wir überschätzen die Länge senkrechter Strecken, also die nach oben
laufenden Kanten der Tischflächen. Und wir deuten perspektivisch
wirkende Zeichnungen räumlich: Die Tische verlängern sich zusätzlich
nach hinten in den Raum hinein.
Temperaturfühlen
1
2
Teste dein Temperaturgefühl!
Was geschieht hier?
Lege deine Hände zuerst auf die beiden vorderen
Köpfe: auf jeden Kopf eine Hand.
Lasse die unterschiedlichen Temperaturen etwa eine
halbe Minute lang auf dich wirken.
Lege dann beide Hände auf den hinteren, größeren
Kopf.
Was fühlst du?
Die Temperaturanzeige verrät: Der linke Kopf ist
etwa 45 °C warm, der rechte etwa 15 °C; der
hintere Kopf hat Raumtemperatur.
Aber deine linke Hand, die zuvor auf dem warmen
Kopf gelegen hat, empfindet den RaumtemperaturKopf viel kälter als es die rechte Hand tut, die zuvor
auf dem kalten Kopf war.
3
Genauer betrachtet
Unser Temperaturempfinden ist subjektiv. Wie wir
eine Temperatur einschätzen, hängt stark davon ab,
ob wir uns ihr vom Wärmeren oder vom Kälteren
her nähern.
Das wird an diesem Experiment besonders deutlich:
Die Hände kommen von entgegengesetzten
Richtungen auf das Niveau der Raumtemperatur.
Sinnestäuschungen lassen sich nicht vermeiden.
Sie wirken unmittelbar, denn sie beruhen auf
elementaren Funktionen unserer Wahrnehmung, die
wir durch Denkprozesse kaum beeinflussen können.
Doch wir können Sinneswahrnehmung objektivieren:
durch Vergleich, Experiment und Messung. Das sind
grundlegende Methoden der Naturwissenschaften
und der Technik. Messinstrumente wie in unserem
Experiment die Thermometer zur Bestimmung der
Temperatur helfen uns überall dort, wo der
unmittelbare Sinneseindruck täuscht oder unsere
Wahrnehmung nicht fein genug ist.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Temperaturfühlen
4
Stangenfangen
1
3
Prüfe deine
Reaktionsgeschwindigkeit!
Genauer betrachtet
Hänge beide Stangen in die Magnet-Halterungen
oben im Kasten.
Eine Zufallsschaltung lässt sie nach einigen
Sekunden herabfallen.
Versuche, die Stangen zu fangen.
20 cm Fallhöhe entsprechen ungefähr
0,2 Sekunden Fallzeit.
So lange braucht ein aufmerksamer Erwachsener
mit guter Kondition, um die Fallbewegung der
Stangen wahrzunehmen und darauf zu reagieren.
Bei Kindern dauert das normalerweise deutlich
länger.
Unterschiede in den Fangzeiten beider Hände
weisen darauf hin, dass unsere Hände nicht gleich
trainiert und in ihrer Geschicklichkeit nicht gleich
ausgebildet sind.
2
Was geschieht hier?
Bevor du zugepackt hast, sind die Stangen 20 cm
oder mehr gefallen.
Meist ist dabei eine Hand schneller als die andere,
in der Regel immer dieselbe.
Reaktionsschnelligkeit ist bei der Arbeit an Maschinen
und in gefährlichen Situationen wichtig. Deshalb
begann man Ende des 19. Jahrhunderts damit, sie
zu testen.
Der Stangenfallapparat war ein Gerät der Psychotechnik, das in den 1920er Jahren für Reaktionstests
entwickelt wurde.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Stangenfangen
4
Feinzeiger
1
Wie misst man Längen, die
man kaum noch sieht?
Drehe den Aluminiumzylinder am geriffelten
Knopf.
Beobachte die Formabweichung des Zylinders
und den Ausschlag des Zeigers.
2
3
Was geschieht hier?
Genauer betrachtet
Der Zylinder ist im hinteren Teil leicht exzentrisch.
Diese Abweichung von der Zylinderform ist rot
markiert.
Unsere Feinzeiger machen mit dem Hebelprinzip Abweichungen
sichtbar, die im Bereich von 1 bis 2 Millimetern liegen.
Am einfachen Feinzeiger erzeugt die Formabweichung über den kurzen Hebelarm am Ende
des langen eine deutliche, gut an der Skala
ablesbare Bewegung.
Beim Doppel-Feinzeiger wirkt die Abweichung über
einen Taster auf zwei hintereinander liegende Hebel
und erzeugt an der Skala eine mehrfach größere
Bewegung.
Sie sind aber etwa 10fach vergrößert gegenüber den
Originalen aus der Zeit um 1900. Die waren entsprechend
kleiner und ertasteten feine Abweichungen zwischen zehntel
und hundertstel Millimetern.
Einfache Feinzeiger haben Übersetzungen von 1:10 bis 1:20,
maximal 1:50. Unser Modell liegt bei etwa 1:15.
Beim Doppelfeinzeiger multiplizieren sich die
Übersetzungen, man kommt ohne
weiteres auf 1:50, 1:100 oder mehr
(unserer erreicht 1:60).
Woher und wozu?
In der Technik wächst das Verlangen nach
geometrischer Genauigkeit. Vor 1800 tolerierte man
bei Maschinenteilen oft noch Abweichungen von
mehreren Millimetern bis über einen Zentimeter.
1850 musste man im Maschinenbau häufig auf
zehntel oder gar hundertstel Millimeter genau
arbeiten, und um 1900 kam es manchmal schon
auf das Tausendstel an.
Feinzeiger
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
So feine Differenzen ließen sich mit bloßem Auge
und einfachen Maßstäben nicht mehr wahrnehmen.
Mechanische Feinzeiger waren ein Hilfsmittel, mit
dem das damals möglich wurde. Heute kann man
mit optischen und optoelektronischen Geräten
noch viel feinere Abweichungen messen.
Stationstext
Aerodynamik
Die ersten Fluggeräte aus der Zeit vor 1800, die Heißluft- und Gasballons, waren
leichter als Luft. Kaum manövrierbar trieben sie im Wind. Motorisierte Luftschiffe ab
1900 waren zwar lenkbar, aber unförmig und langsam.
Erstmals mit Geräten schwerer als Luft flog 1891 Otto Lilienthal. Mit seinen
Gleitdrachen ahmte er den Vogelflug nach, den er jahrelang studiert hatte. 1903
gelang den Brüdern Wright mit ihrem Doppeldecker der erste Motorflug. Aus diesen
frühen Flugapparaten entwickelte sich, beschleunigt durch Weltkrieg und zivile
Wettrennen, bis 1940 das moderne Hochleistungsflugzeug.
Großen Anteil an dieser Entwicklung hatte eine neue Ingenieurwissenschaft, die mit
der Flugtechnik entstand: die Aerodynamik. Mit ihr untersucht und optimiert man
Luftströmungen und Auftriebskräfte an Tragflügelprofilen.
Strömungswand
1
3
Welche Profile sind
strömungsgünstig?
Genauer betrachtet
Ziehe mit dem Magneten die verschiedenen Körper
durch die Flüssigkeit.
Welche Verwirbelungen kannst du so erzeugen?
Geht es auch ohne Wirbel?
Glatte Strömung nennt man „laminar“, verwirbelte
„turbulent“. Turbulente Strömung deutet auf hohen
Widerstand und großen Energieverlust beim Bewegen
des Profilkörpers. Laminare Strömung verweist auf
das Gegenteil: Das Profil ist strömungsgünstig oder
„stromlinienförmig“.
Zum Fliegen braucht man stromlinienförmige Profile
wie das orangefarbene. Aber auch bei diesen Profilen
muss die Strömung an der Oberseite weitgehend
anliegen und laminar sein, damit der Unterdruck
entsteht, der zum Aufbau der Druckdifferenz und
damit zum Fliegen notwendig ist.
2
Was geschieht hier?
Die Flüssigkeit umströmt den bewegten Körper:
Sie wird von ihm zur Seite gedrängt und tritt hinter
ihm wieder zusammen.
Die Strömung bleibt an Vorderseiten glatt, an
Rückseiten, im Strömungsschatten, bildet sie meist
Wirbel. Das Strömungsbild als Ganzes hängt ab von
der Form, der Lage und der Geschwindigkeit der
Körper.
Strömungsgünstige Formen zu finden, ist eine wichtige
Aufgabe bei der Entwicklung von Fahrzeugen,
Fluggeräten oder Schiffen, aber auch beim Entwurf
von Leitungssystemen für Wasser oder andere
Flüssigkeiten wie zum Beispiel Öl.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde auf den
Forschungsgebieten Aerodynamik und Hydrodynamik
eine Vielzahl von mathematischen und experimentellen
Verfahren entwickelt, auch unter Nutzung der
gewaltigen Rechenleistung moderner Datenverarbeitungsanlagen.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Strömungswand
4
Stromlinien
1
3
Was macht die Strömung am
Profil?
Genauer betrachtet
Drücke auf den grünen Starttaster.
Ändere am Drehknopf die Windgeschwindigkeit
und am Handrad den Anstellwinkel des Profils.
Probiere, wie sich dabei die Strömung ändert,
dabei glatte und verwirbelte Abschnitte ausbildet.
2
Was geschieht hier?
Unter dem Profil liegt die Strömung immer an.
Oben ist sie bei kleinen Anstellwinkeln und
Geschwindigkeiten glatt, bei größeren entsteht
weiter hinten ein verwirbelter Bereich.
Bei einem Winkel von etwa 15° löst sich die
Strömung an der ganzen Oberseite ab und bildet
eine große Wirbelblase, in der die Luft zurückströmt.
Glatte Strömung nennt man “laminar“, verwirbelte
“turbulent“.
Um ein schweres Flugzeug am Fliegen zu halten,
braucht man eine ausreichende Druckdifferenz am
Flügel.
Sie entsteht zum einen durch Überdruck an der
Unterseite, wo die Luft partiell gestaut und nach
unten abgelenkt wird, vor allem aber durch den
Unterdruck an der Oberseite. Der ist am größten,
wenn die Strömung weitgehend anliegt und
großenteils laminar fließt.
Wächst der Anstellwinkel, bis sich die obere Strömung
völlig ablöst, verliert das Flugzeug seinen Auftrieb
und sackt weg.
Erst das Sichtbarmachen der Strömung am Profil
ließ die Ingenieure verstehen, wozu eine bestimmte
Profilgeometrie taugt.
Für die Piloten ergab sich die Möglichkeit,
das Verhalten des Flugzeugs bei verschiedenen
Geschwindigkeiten und Fluglagen zu interpretieren.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Stromlinien
4
Klebeluft
1
2
Was macht die Platte im
Luftstrom?
Was geschieht hier?
Schalte mit dem grünen Knopf das Gebläse ein.
Hebe die Platte langsam bis an den Teller mit der
Ausblasöffnung.
Beim Heben spürst du anfangs den Druck der
ausströmenden Luft auf die Platte.
Wenn diese aber nah an den Teller kommt, wird sie
angehoben und schwebt frei.
3
Genauer betrachtet
Das ist erstaunlich, denn man erwartet ja, dass der
Luftstrom die Platte nach unten drückt. Stattdessen
wird sie an den Teller gesaugt.
Hier wirkt das Gesetz von Bernoulli. Es besagt, dass in
schnellen Strömungen geringerer Druck herrscht als in
langsamen.
Der Luftstrom trifft die Mitte der Platte und fließt
nach allen Seiten zum Rand ab. Näherst du die Platte
dem Teller, fließt die Luft dort immer schneller und
erzeugt so einen Unterdruck, der die Platte nach oben
zieht.
Daniel Bernoulli (1700 – 1782) gehört zu einer
Schweizer Familie, aus der einige Mathematiker und
Physiker hervorgingen, die im 17. und 18. Jahrhundert
wichtige Beiträge zu Strömungslehre und Technischer
Mechanik lieferten.
Bernoullis Gesetz beschreibt mathematisch den
Effekt, der das Fliegen von Objekten, die schwerer
als Luft sind, überhaupt erst möglich macht: die
Druckdifferenz zwischen Unter- und Oberseite des
umströmten Profils.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Klebeluft
4
Flugzeug
1
3
Hier kannst du abheben!
Genauer betrachtet
Drücke auf den grünen Starttaster. Gib „Gas“ mit dem
grünen Drehknopf und steuere mit dem Steuerknüppel.
Starte und lande mehrere Male. Beobachte, wie das
Flugzeug reagiert auf Windgeschwindigkeit und
Steuerausschlag!
Das Tragflügelprofil steht schräg zum Luftstrom,
mit einem „Anstellwinkel“ von etwa 5 – 10°.
Das Höhenruder beeinflusst diesen Winkel:
Vergrößert man ihn, steigt das Flugzeug schneller,
verkleinert man ihn, geht es in den Horizontalflug
und schließlich in den Sinkflug über.
Dahinter steckt etwas, das hier nicht zu sehen ist,
aber am Versuch „Stromlinien“ deutlich wird:
Mit dem Winkel ändert sich die Strömung am Profil
und damit die Druckdifferenz zwischen unten und
oben, die das Flugzeug steigen oder sinken lässt.
Auch die Geschwindigkeit verändert die Strömung.
Deshalb kann man starten und landen,
ohne das Höhenruder zu Hilfe zu nehmen.
2
Was geschieht hier?
Das Flugzeug ruht ausbalanciert auf einer Waage,
die du unter dem Tisch sehen kannst, und wird von
Ventilatoren angeblasen.
Bei höherer Windgeschwindigkeit hebt es ab und
steigt so weit, wie die Waage es zulässt.
Mit dem Seitenruder ändert man die Flugrichtung
nach links oder nach rechts.
Mit dem Höhenruder beeinflusst man den Steigflug
und kann in Horizontalflug oder Sinkflug übergehen.
Woher und wozu?
Fliegen kann man nicht nur mit Geräten, die leichter
sind als Luft, wie etwa Heißluft- oder Gasballons.
Auch mit solchen, die schwerer sind, kann man fliegen,
wenn sie so eine Form haben, dass die Auftriebskräfte
der Luftströmung wirken.
Bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatte Albrecht
Ludwig Berblinger in Ulm Gleitflug-Versuche
unternommen – letztlich ohne überzeugenden Erfolg.
Der Durchbruch gelang ab 1891 Otto Lilienthal
in Berlin. Mit seinen Flugapparaten ahmte er den
Gleitflug der Vögel nach, den er zuvor jahrelang
studiert hatte.
Flugzeug
4
Einen Antrieb in Fluggeräte zu integrieren, gelang
den Brüdern Wright in den USA: 1903 startete
ihr Doppeldecker zum ersten Motorflug. Dies war
der Beginn einer Entwicklung, die zum modernen
Hochleistungsflugzeug führte.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Entscheidenden Anteil an dieser Entwicklung von
Fluggeräten schwerer als Luft hatte eine neue
Wissenschaft, die mit der Flugtechnik entstand:
die Aerodynamik. Mit ihr untersucht und optimiert
man Luftströmungen und Auftriebskräfte an
Tragflügelprofilen.
Stationstext
Thermodynamik
Thermodynamik ist die Wissenschaft von den Zusammenhängen zwischen Wärme
und mechanischer Arbeit. Sie war grundlegend für die Verbesserung und die
Neuentwicklung von Wärmekraftmaschinen: Maschinen, die Wärme in mechanische
Antriebskraft umsetzen. Diese wurden wichtige Motoren der Industrialisierung.
Dampfschiffe und Lokomotiven revolutionierten das Verkehrswesen im 19.
Jahrhundert. In Gegenden ohne ausreichende Wasserkraft konnten stationäre
Dampfmaschinen mechanische Energie erzeugen. Eine kleinere und zudem mobilere
Wärmekraftmaschine sorgte für noch feinere Energieverteilung: der
Verbrennungsmotor.
Auch als sich das „Jahrhundert des Dampfes“ seinem Ende zuneigte und das
„Zeitalter der Elektrizität“ anbrach, blieb Dampfkraft wichtig: zur Erzeugung
elektrischen Stroms.
Adiabatische Erwärmung
1
3
Was geschieht, wenn man
Luft zusammendrückt?
Genauer betrachtet
Pumpe mehrmals kräftig und beobachte die
Temperatur-Anzeige.
Wenn du Luft oder irgendein anderes Gas
zusammendrückst, leistest du Kompressionsarbeit.
Diese Arbeit wird in Wärme umgesetzt:
Mechanische Energie und Wärmeenergie sind
gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik
äquivalent, also gleichwertig in dem Sinne, dass es
sich um zwei Formen von Energie handelt, die
ineinander umgewandelt werden können.
Wenn du das Gas schnell genug zusammendrückst oder wenn die Pumpe gut isoliert ist, kann
keine Wärme an die Umgebung abfließen und die
Temperatur des komprimierten Gases steigt. Man
spricht dann von adiabatischer Erwärmung.
2
Was geschieht hier?
Wenn du pumpst, machst du dasselbe wie beim
Aufpumpen deines Fahrradreifens: Du drückst
Luft zusammen. Beim Aufpumpen des Reifens
spürst du sofort, dass die Pumpe warm wird.
Bei diesem Versuch hier kannst du an der
Temperatur-Anzeige verfolgen, wie sich die Luft
beim Pumpen erwärmt.
Mit den Zusammenhängen zwischen Druck,
Temperatur und Volumen befasst sich die
Thermodynamik. Sie entwickelte sich im
19. Jahrhundert aus der wissenschaftlichen
Untersuchung von Dampfmaschinen und
erforschte die Grundlagen für jede Art von
Wärmekraftmaschinen: von Maschinen, die
Wärme in mechanische Antriebskraft umsetzen.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der
Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass mechanische
Energie und Wärmeenergie äquivalent sind. Den
Umrechnungsfaktor zwischen diesen beiden
Energieformen, das sogenannte mechanische
Wärmeäquivalent, fand 1842 Julius Robert Mayer.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Adiabatische Erwärmung
4
Gaskinetik
1
3
Wie bewegen sich Gasteilchen?
Genauer betrachtet
Drücke auf den grünen Startknopf und beobachte,
was geschieht.
Das Modell veranschaulicht die kinetische Gastheorie.
Diese Theorie interpretiert Wärme als Bewegung
von Gasteilchen.
Drehe den schwarzen Schalter nach links und nach
rechts. Ändert sich dadurch etwas?
2
Was geschieht hier?
Stelle dir vor, du hättest eine kleine Menge Gas in
einem Glaszylinder und könntest es mit einer Lupe
ins Riesenhafte vergrößern.
Dann würdest du ungefähr das sehen, was du hier
beobachten kannst, wenn die Kügelchen hüpfen:
wild durcheinander fliegende Gasteilchen.
Wenn du die Temperatur steigen oder sinken ließest,
könntest du sehen, wie sich die Gasteilchen schneller
oder langsamer bewegen und mehr oder weniger
Raum einnehmen – genau wie die Kügelchen in
unserem Glaszylinder, wenn du den „Temperatur“Schalter drehst.
Je wärmer das Gas ist, desto heftiger bewegen sich
die Teilchen. Sie stoßen dann kräftiger gegen die
Gefäßwände, was wir als Erhöhung von Druck und
Temperatur messen können; und sie nehmen, falls
die Gefäßwände verschiebbar sind, mehr Raum ein,
was wir als Volumenvergrößerung messen können.
Woher und wozu?
Mit den Zusammenhängen zwischen Druck, Temperatur
und Volumen befasst sich die Thermodynamik. Sie
entwickelte sich im 19. Jahrhundert aus der
wissenschaftlichen Untersuchung von Dampfmaschinen
und erforschte die Grundlagen für jede Art von
Wärmekraftmaschinen: Maschinen, die Wärme in
mechanische Antriebskraft umsetzen.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der
Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass mechanische
Energie und Wärmeenergie äquivalent sind. Den
Umrechnungsfaktor zwischen diesen beiden
Energieformen, das sogenannte mechanische
Wärmeäquivalent, fand 1842 Julius Robert Mayer.
Gaskinetik
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Die kinetische Gastheorie wurde in den 1850er Jahren
von August Karl Krönig und Rudolf Clausius geschaffen.
Sie interpretierten Wärme als Teilchenbewegung
und führten so den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf das schon lange bekannte Prinzip der
Erhaltung mechanischer Energie zurück.
Fliehkraftregler
1
3
Lässt sich die obere Platte
beliebig schnell drehen?
Genauer betrachtet
Probiere es aus. Fange an der Kurbel langsam an
zu drehen und werde dann immer schneller. Was
passiert mit der oberen Platte?
Die Drehbewegung der Kurbel wird von der unteren
Platte auf die obere nur durch Reibung übertragen.
Wenn du schnell genug drehst, hebt der Fliehkraftregler mit seinen beiden Schwungmassen die obere
Platte so weit an, dass die Reibungskräfte nicht mehr
ausreichen, sie weiter zu beschleunigen.
Die obere Platte hat damit ihre höchste Drehzahl
erreicht. Diese lässt sich nicht überschreiten, auch
wenn du die Kurbel noch schneller drehst.
Du kannst das auch an den beiden Drehzahlmessern
verfolgen; die Anzeigen in kleinerer Schriftgröße
bedeuten jeweils Umdrehungen pro Minute.
Das obere Instrument zeigt, wie die Höchstdrehzahl
der oberen Platte allmählich erreicht, aber nicht
überschritten wird; das untere Instrument zeigt, wie
schnell die untere Platte rotiert, also wie schnell du
tatsächlich kurbelst.
2
Was geschieht hier?
Du kannst die obere Platte nicht beliebig schnell
antreiben. Der Fliehkraftregler begrenzt die Drehzahl.
Fliehkraftregler dienen der Regelung von Drehzahlen.
Läuft eine Maschine zum Beispiel wegen wechselnder
Belastung langsamer oder schneller als sie soll, dann
greift die Fliehkraftregelung ein und bringt die
Maschine selbsttätig wieder auf die Soll-Drehzahl.
Bei unserem Experiment müsste man eher von einer
Drehzahlbegrenzung sprechen. Denn der Fliehkraftregler sorgt nur dafür, dass die Grenzdrehzahl nicht
überschritten wird. Bleibt man unterhalb dieser
Drehzahl, kann der Regler nicht eingreifen.
Fliehkraftregler waren die wichtigste Gruppe der
Geschwindigkeitsregler im Zeitalter der Industrialisierung. In Dampfmaschinen wurden sie ebenso
eingesetzt wie beispielsweise in Grammophonen,
deren Abspielgeschwindigkeit konstant bleiben
musste, obwohl sie mit einem Federaufzugswerk
angetrieben wurden, dessen Kraft beim Ablaufen
nachließ.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Fliehkraftregler
4
Dampfmaschine
1
Also, wat is en Dampfmaschin?
Mit dem rechten Handrad (bitte nach rechts drehen) kannst
du die Maschine langsam drehen und die Funktion aller
beweglichen Teile verfolgen.
Mit dem linken Handrad steuerst du die untere Drosselklappe
und damit die Zufuhr des Dampfes bzw. hier im Modell der
Druckluft.
Wenn du das alles am laufenden Modell sehen möchtest –
frage unsere TECHNOscouts.
2
Was geschieht hier?
Anstelle des Dampfes lassen wir Druckluft arbeiten, die
durch ein Gebläse in die Maschine geleitet wird.
Du siehst, wie der Luftdruck, stellvertretend für die Kraft des
Dampfes, in Bewegung umgesetzt wird und wie er einen
Generator antreibt, der Glühbirnen mit Strom versorgt.
Und du kannst beobachten, wie der Fliehkraftregler
Belastungsschwankungen ausgleicht, wenn du eine oder
mehrere Glühbirnen einschaltest.
3
Genauer betrachtet
Bei eingeschaltetem Gebläse kannst du den Weg der Druckluft über Drosselklappen, Schiebersteuerung und Zylinder bis
zum Auspuff verfolgen. Das Einströmen in den Zylinder wird
durch rote Fähnchen markiert, das Ausströmen durch blaue.
Du siehst, wie der Luftdruck Kolben, Pleuelstange und
Schwungrad in Bewegung setzt und wie über den Riemen
der Generator angetrieben wird, der die Glühbirnen mit
Strom versorgt. Wie du am Frequenzmesser ablesen kannst,
beträgt die Spannungsfrequenz rund 50 Hertz.
Du kannst auch beobachten, wie der Fliehkraftregler wirkt:
wie er je nach Belastung des Generators die Drosselklappe
und damit die Luftzufuhr so einstellt, dass die Belastungsschwankungen ausgeglichen werden und die Drehzahl nur
im Bereich von plus/minus 10 Prozent schwankt. Völlig
vermeiden lassen sich Drehzahlschwankungen mit solch
einer einfachen Regler-Ausführung nicht, aber
ungeregelt wären die Schwankungen
noch viele größer.
Woher und wozu?
Dampfkraft war eine zentrale Antriebskraft für die
Industrialisierung. In einer Lobesrede auf James
Watt hieß es: „Mit einigen Pfund Kohlen wird der
Mensch die Elemente besiegen, Windstille, widrige
Winde, Stürme wird er verlachen.“
James Watt (1736 – 1819) hatte die Dampfmaschine
zwar nicht erfunden, denn ihre Entwicklung lässt
sich über John Smeaton, Thomas Newcomen,
Thomas Savery, Denis Papin und Christiaan
Huygens zurückverfolgen bis in die Mitte des
17. Jahrhunderts, als Otto von Guericke die
Arbeitsfähigkeit des atmosphärischen Luftdrucks
demonstrierte.
Fliehkraftregler dienen der Regelung von Drehzahlen.
Obwohl bereits im Mühlenbau eingesetzt, begann
ihre große Zeit mit der Entwicklung rotierender
Dampfmaschinen im ausgehenden 18. Jahrhundert.
James Watt führte 1788 erstmals das Fliehkraftpendel
für die Regelung der Dampfmaschinen-Drehzahl
ein. Nahezu jede rotierende Dampfmaschine der
Folgezeit bis ins 20. Jahrhundert hinein hatte einen
Fliehkraftregler. Aufwändiger ausgeführt als hier
im Modell, konnten diese Regler die Drehzahl auch
bei Belastungsschwankungen selbsttätig konstant
halten.
Dampfmaschine
4
Aber Watt war es gelungen, ausgehend von
Newcomens atmosphärischer Dampfmaschine eine
Maschine mit deutlich höherem Wirkungsgrad zu
entwickeln. Wichtige Verbesserungen in Konstruktion
und Funktionsweise waren zum Beispiel die Nutzung
des Dampfüberdrucks für die Arbeitsleistung und
die Umsetzung der auf- und abgehenden Kolbenbewegung in Drehbewegung.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Dampfschiffe und Lokomotiven revolutionierten das
Verkehrswesen im 19. Jahrhundert. In Gegenden
ohne ausreichende Wasserkraft konnten stationäre
Dampfmaschinen mechanische Energie erzeugen.
Urmotor
1
3
Wodurch wird das Schwungrad
gedreht?
Genauer betrachtet
Halte den schwarzen Knopf gedrückt!
Führe mit der anderen Hand den Gebläseschlauch
abwechselnd an die Öffnungen unter dem Knopf.
Versuche durch geschicktes Wechseln,
das Schwungrad gleichmäßig in Gang zu halten!
Beim Guericke-Kran in der Elementa 1 schiebt der äußere
Luftdruck den Kolben in einen Zylinder, in dem durch Auspumpen Unterdruck entstanden ist, und leistet dabei Arbeit.
Das kann erst wiederholt werden, nachdem man das
Zwischengefäß erneut ausgepumpt hat.
Hier beim Urmotor dagegen arbeitet der Überdruck der eingeblasenen Luft, und der Kolben kann durch Umsteuern in
beiden Richtungen („doppelt wirkend“) die Arbeitsleistung
des Überdruckes aufnehmen. Im Prinzip lässt sich dafür auch
der Druck von Dampf oder von heißen Verbrennungsgasen
nutzen.
Außerdem wandelt der Kurbeltrieb die hin- und hergehende
Kolbenbewegung in gleichförmige Rotation – eine
Bewegungsform, die technisch sehr effektiv ist und in den
meisten Maschinen zur Anwendung kommt.
2
Was geschieht hier?
Wird links oder rechts vom Kolben Luft in den Zylinder
eingeblasen, entsteht dort jeweils ein Überdruck.
Dieser Überdruck wirkt auf den Kolben und setzt
ihn in Bewegung. Über Kolbenstange und Pleuel
wird das Schwungrad in Drehung versetzt.
Gleichmäßige Drehbewegung erreicht man, wenn
man mit dem Gebläseschlauch zur anderen
Öffnung wechselt, sobald der Kolben einen
Umkehrpunkt im Zylinder überschritten hat.
Wir haben hier die Grundform der Hubkolbenmaschine, die
für Antriebe als Dampfmaschine, Wassersäulenmaschine
oder Verbrennungsmotor Verwendung findet. Und wenn
man das Schwungrad antreibt, dient sie als Kolbenpumpe,
mit der sich Wasser oder Luft und andere Gase fördern
lassen.
Sehr wichtig ist, dass solche Maschinen exakt gesteuert
werden. Deshalb wird das, was du hier von Hand machst,
nämlich das rechtzeitige Trennen und Verbinden der
Gaskanäle, an richtigen Hubkolbenmaschinen von
automatisch gesteuerten Ventilen bewirkt, wie beim Versuch
„Dampfmaschine“.
Woher und wozu?
Nach diesem Prinzip baute Thomas Newcomen
um 1710 in England die erste einsatzfähige Dampfmaschine. Sie lieferte allerdings nur hin- und hergehende Bewegung und blieb deshalb auf den
Antrieb von Bergwerkspumpen beschränkt.
James Watt verbesserte sie nach 1760 entscheidend:
An Stelle der atmosphärischen Luft nutzte er Dampf
als Arbeitsmedium, führte die „doppelte Wirkung“
des Dampfdruckes in beiden Bewegungsrichtungen
ein und baute seit den 1780er Jahren auch
Maschinen, die rotierende Bewegung lieferten.
Nach Auslauf der Wattschen Patente fanden sich
seit etwa 1800 viele Nachfolger, die den Druck und
damit die Leistungsfähigkeit steigerten und so die
Dampfmaschine zum wichtigsten Motor der
Industrialisierung im 19. Jahrhundert machten. Die
liegende Anordnung wurde zum Haupttyp für
Fabrikantriebe.
Mit dem Verbrennungsmotor, der um 1870 entstand
und seit den 1880er Jahren auch als Fahrzeugmotor
genutzt wurde, hat die Hubkolbenmaschine dann
im 20. Jahrhundert eine ungeheure Verbreitung
gefunden.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Otto von Guericke, Christiaan Huygens und Denis
Papin hatten im 17. Jahrhundert versucht, mit
Luftpumpe, Schießpulvergasen und Dampf in einem
Zylinder Vakuum zu erzeugen und den äußeren
Luftdruck am Kolben arbeiten zu lassen.
Urmotor
4
Gleislauf
1
Welcher Rollkörper bleibt
sicher im Gleis?
Lege die Rollkörper gerade und mittig auf und lasse
sie losrollen.
Starte die Körper auch seitlich versetzt oder schräg
zur Gleisrichtung.
2
Was geschieht hier?
Der Zylinder bleibt nur bis zur Kurve in der Spur,
spätestens dort fällt er vom Gleis.
Ein Doppelkegel mit kleinem Mittendurchmesser
gerät noch schneller aus der Bahn.
Ein Doppelkegel mit großem Mittendurchmesser
schafft die Strecke auch bei leicht schrägem Start.
Der Radsatz bleibt im Gleis, wird aber gebremst:
Er rollt, bis ein Spurkranz an die Schiene läuft,
und kommt dann zum Stillstand.
3
Genauer betrachtet
Entscheidend für den Gleislauf sind zwei Faktoren:
die beiden Rolldurchmesser, mit denen der Körper auf den
Schienen läuft, und die Lage zum Gleis, aus der er startet.
Beim Zylinder sind die Durchmesser immer gleich, er rollt
deshalb rechtwinklig zur Startlage stets geradeaus,
unabhängig vom Verlauf der Schiene.
Wenn man die Doppelkegel nicht ganz gerade und mittig
auflegt, sind die Rolldurchmesser immer unterschiedlich
groß. Sie bilden einen gedachten Kegel. Um dessen Spitze
bewegt sich der Rollkörper auf einer Kreisbahn, die ihn von
der Richtung des Gleises weglenkt. Dabei verändert sich
aber ständig der Bahnradius, weil die Rolldurchmesser auf
dem Doppelkegel wandern.
Ein Doppelkegel mit kleinem Mittendurchmesser rollt
instabil: Je stärker er abgelenkt wird, desto mehr verstärkt
sich die Tendenz zur Ablenkung.
Ein Doppelkegel mit großem Mittendurchmesser rollt stabil:
Je stärker er abgelenkt wird, desto stärker wird die Tendenz
zum Zurücklaufen in die Mittellage.
Der Radsatz rollt ebenfalls stabil, aber nicht wegen der
Spurkränze, sondern weil die Laufflächen der Räder Teile
eines Doppelkegels mit großem Mittendurchmesser sind,
also sich nach außen hin konisch verjüngen.
4
Gleislauf
Woher und wozu?
Schienenfahrzeuge nutzen den Effekt des stabil
rollenden Doppelkegels: Ihre Räder haben konische
Laufflächen. Die Spurkränze dienen nur der zusätzlichen Sicherheit gegen Entgleisen in den Kurven
und dem sicheren Befahren von Weichen.
Spurkranzgeführte Schienenfahrzeuge hatte es
vereinzelt schon vor 1800 gegeben. Mit der Ausbreitung der Eisenbahnen nach 1830 gewannen sie
enorm an Bedeutung.
Dass die Kegelflächen den Lauf stabilisieren, wurde
wahrscheinlich empirisch herausgefunden. Um
1840 gehörte es bereits zum Grundwissen der
Eisenbahntechnik.
Der Vorteil besteht in der verringerten Abnutzung.
Bei Fahrt geradeaus halten allein die Laufflächen
den Radsatz im Gleis; der Spurkranz reibt nur dann
an der Schiene, wenn er in den Kurven anläuft.
Flachschienen aus Holz, Räder mit Spurkranz, um 1730
(Troitzsch, Weber: Die Technik. Von den Anfängen bis zur Gegenwart.
1982)
01.06.2013 TECHNOSEUM
Lokomotiv-Räder mit konischen Laufflächen und Spurkranz
(Armengaud d. Ä., Carl Armengaud: Das Eisenbahnwesen. 1841)
Stationstext
Kreisel
Rotierende Körper sind bestrebt, die Richtung ihrer Drehachse beizubehalten. Auf
den Versuch, diese zu ändern, reagieren sie mit “Kreiselkräften“, die eine
Ausgleichsbewegung hervorrufen.
Rechnerisch beschrieben wurde dieser Effekt 1758 von Leonhard Euler. Praktisch
genutzt hatten ihn Büchsenmacher schon vorher: Sie bauten Feuerwaffen mit
gezogenem Lauf, sodass der Drall die Geschossbahn stabilisierte.
Erst schnell rotierende Teile industrieller Maschinen nötigten dazu, Kreiselkräfte im
Maschinenbau zu berücksichtigen. Sie konnten aber auch genutzt werden: Der
Kreiselkompass entstand um 1900 als Navigationshilfe, die vom Magnetfeld der Erde
unabhängig ist, und das Fahrrad, das damals seinen ersten Boom erlebte,
funktioniert nur dank der stabilisierenden Kreiselwirkung seiner Räder.
Kreiselrad
1
2
Wohin will der Kreisel?
Was geschieht hier?
Halte die Radgabel an einem der Handgriffe fest und
versetze das gelbe Rad in schnelle Drehbewegung.
Stelle dich so auf die innere Plattform am Fuß der
Säule, dass du beide Handgriffe fassen kannst.
Versuche nun, das rotierende Rad um die Gabelachse
zu schwenken.
Wenn du die Kreiselachse aus ihrer ursprünglichen
Richtung drehst, braucht das Kraft, und der Kreisel
vollführt mit Säule, Plattform und dir darauf eine
Drehbewegung um die senkrechte Achse.
3
Genauer betrachtet
Rotierende Körper sind bestrebt, die Richtung ihrer
Drehachse beizubehalten.
Auf den Versuch, diese zu ändern, reagieren sie mit
„Kreiselkräften“, die eine Ausgleichsbewegung
hervorrufen.
Woher und wozu?
Schnell rotierende Teile in industriellen Maschinen
nötigten die Ingenieure dazu, Kreiselkräfte zu
berücksichtigen.
Zugleich zeigten sich Nutzungsmöglichkeiten:
Der Kreiselkompass entstand um 1900 als eine
Navigationshilfe, die vom Magnetfeld der Erde
unabhängig ist.
Kreiselrad
4
01.06.2013 TECHNOSEUM
Und das Fahrrad, das damals seinen ersten Boom
erlebte, fällt dank der stabilisierenden Kreiselwirkung
seiner Räder nicht um.
Wilder Koffer
1
3
Was ist mit dem Koffer los?
Genauer betrachtet
Hebe den Koffer am Griff aus der Halterung.
Bewege ihn hin und her und drehe ihn.
Im Koffer befindet sich ein schweres, schnell drehendes
Kreiselrad. Es setzt jeder Änderung seiner Achsrichtung
Widerstand entgegen.
Wenn man versucht, die Achse aus ihrer Lage zu
schwenken, reagiert der Kreisel im Koffer mit einer
Bewegung senkrecht dazu.
Was hier im Verborgenen geschieht, kannst du
nebenan, beim Kreiselrad, an einer offenen
Konstruktion ausprobieren.
2
Was geschieht hier?
Wenn du den Koffer gerade bewegst, passiert
nichts Ungewöhnliches. Drehst du ihn aber, dann
musst du erhebliche Kraft aufwenden.
Der Koffer macht merkwürdige Bewegungen und
bäumt sich auf.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Wilder Koffer
Stationstext
Schwingungen
Schwingungen und Wellen sind periodische Zustandsänderungen. In der Natur treten
sie in vielerlei Form auf: zum Beispiel als Wasserwellen, Schwingungen fester
Körper, Schallwellen in der Luft oder als Licht.
In der Technik sind Schwingungen von großem Nutzen, wie etwa die Schwingungen
von Pendel, Unruh oder Quarz im Uhrenbau, die Schwingungen von Metall oder Holz
beim Bau von Musikinstrumenten oder die elektromagnetischen Wellen in der
Nachrichtentechnik.
Sie können aber auch störend oder gar gefährlich werden: als Lärm, als lästige
Vibrationen in Fahrzeugen oder wenn eine Brücke durch den Wind so heftig in
Schwingung gerät, dass sie zerstört wird. Deshalb werden Schwingungen sowohl
aus naturwissenschaftlichem wie aus technischem Interesse gründlich erforscht.
Wellenwanne
1
3
Welche Muster machen
Wellen?
Genauer betrachtet
Bitte einen Tutor um Hilfe.
Wähle einen der drei Wellenerzeuger aus, drücke
den Startknopf und regle am Drehknopf die Dichte
der Wellenfolge (die Frequenz).
Lege eine der Barrieren oder eine Glaslinse in den
Wellenlauf.
Beobachte im Becken und auf der weißen
Projektionsfläche unten, wie sich die Wellen
bewegen und sich überlagern.
Was ist Licht? Besteht es aus schwingenden Wellen oder aus
rasch bewegten Teilchen? Beide Vorstellungen gehen auf
das 17. Jahrhundert zurück. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts
erkannte man: Licht ist, wie jede Strahlung, im Grunde beides
– Welle und Teilchen. Manche Effekte lassen sich anschaulicher
mit der Teilchen-Vorstellung erklären (wie etwa der PhotoEffekt), andere wiederum mit der Wellen-Vorstellung (wie
zum Beispiel Lichtbrechung oder Polarisation).
Spiegelung (Reflexion)
Die gerade Wellenfront, die vom Linear-Anreger in unserer
Wellenwanne ausgeht, entspricht einem Bündel paralleler
Lichtstrahlen. Die verschieden geformten geschlossenen
Barrieren entsprechen Spiegeln, die das Licht reflektieren.
Die parabelförmige Barriere bündelt die Wellen in einem
Brennpunkt.
Doppler-Effekt
2
Was geschieht hier?
Der Linear-Anreger hinter der Glaswand erzeugt
gerade Wellenfronten, die von den Barrieren reflektiert
und an deren Kanten und Durchlässen gebrochen
werden.
Hinter der konvexen, bauchigen Linse werden die
Wellen gebündelt. Hinter der konkaven, in der
Mitte dünneren Linse werden die Wellen gestreut.
An den Punkt-Anregern entstehen konzentrische
Kreiswellen. Beim doppelten Anreger überlagern
sie sich und bilden ein typisches Muster.
Ein weiterer Effekt bei der Ausbreitung von Schwingungen
lässt sich in der Wellenwanne schön demonstrieren. Wenn
du den einfachen Punkt-Anreger bewegst, werden die
Wellenkreise exzentrisch zueinander verschoben. Vor dem
Anreger rücken sie enger zusammen, dort wird die Frequenz
erhöht; dahinter wird der Abstand größer, die Frequenz
sinkt.
Das ist der berühmte Doppler-Effekt, benannt nach dem
Physiker Christian Doppler (1803 – 1853). Dieser Effekt kann
bei allen Arten von Schwingungen auftreten. Im Alltag nehmen
wir ihn hauptsächlich akustisch wahr, etwa wenn ein Polizeiauto mit Sirene an uns vorbei fährt. Wir hören dann das
typische „iiiiiiiiiiiieeeeaaoouuuuuuu“. Denn vor dem Wagen
sind die Schallwellen zusammengedrückt; die Sirene klingt
also höher, wenn er sich uns nähert. Und hinter dem Wagen
werden sie auseinander gezogen;
die Sirene klingt also tiefer,
wenn er sich von uns
entfernt.
Auch die Lichtbrechung in Linsen kann man in der Wellenwanne gut veranschaulichen. Auf den Linsenoberseiten
werden die Wellen gebremst, sie laufen also langsamer als
im tieferen Wasser ringsherum. Deshalb werden sie zu den
dickeren Zonen der Linsen hin abgelenkt. Das hat zur Folge:
Hinter der konvexen, bauchigen Linse sammeln sich die
Wellen und hinter der konkaven mit den dickeren Rändern
außen werden sie gestreut.
Lichtwellen verhalten sich genauso: Sie bewegen sich im
dichteren Medium wie zum Beispiel in Glas langsamer als im
Vakuum. Deshalb wirken konvexe Linsen als Sammellinsen
und konkave als Zerstreuungslinsen.
Überlagerung (Interferenz)
Haben die Barrieren Durchlässe, dann wirken diese wie eine
Reihe punktförmiger Lichtquellen, von denen konzentrische
Kreiswellen ausgehen. Diese bilden durch Überlagerung
ein Muster aus bewegten und ruhigen Wasserflächen und
schließen sich nach einiger Entfernung wieder zu einer
Wellenfront zusammen.
Bei den Barrieren mit nur zwei Durchlässen lässt sich dieses
Muster genauer beobachten. Man sieht, was geschieht,
wenn Licht durch zwei dicht beieinander liegende Spalte
geht: die Beugung des Lichts beim sogenannten Doppelspalt-Versuch. Es bildet sich ein fächerförmiges Muster von
Zonen starker Wellenbewegung und Zonen völliger Ruhe.
In den bewegten Zonen überlagern sich Wellenberge mit
Wellenbergen und Wellentäler mit Wellentälern, sodass sich
die Wellenbewegung verstärkt, was im Falle von Lichtwellen
als helles Licht zu sehen wäre. In den Ruhezonen laufen die
Wellen wegen ihrer unterschiedlichen Ausgangspunkte und
Weglängen so versetzt hintereinander her, dass sich Wellenberge und Wellentäler gegenseitig auslöschen und die
Wasseroberfläche glatt bleibt, was im Falle von Lichtwellen
Dunkelheit bedeuten würde.
Dasselbe kann man auch bei dem doppelten Punkt-Anreger
beobachten. Hier lässt sich der Abstand zwischen den
„Lichtquellen“ zudem stufenlos verändern – und damit auch
das fächerförmige Wellenmuster.
Woher und wozu?
Das Sichtbarmachen der Wasserwellen und ihres Verhaltens
an Hindernissen lässt wichtige Schlüsse zu über das Verhalten
von Lichtwellen und anderen elektromagnetischen Wellen
sowie von Schallwellen.
Diese Erkenntnisse sind überall dort von Nutzen, wo es um
die Entstehung oder Erzeugung von Schwingungen und ihre
Ausbreitung geht, ob in Maschinenbau, Nachrichtentechnik,
Optik oder Akustik. Dabei kann es sich um gewollte Erzeugung
und Ausbreitung handeln, wie etwa von Schallwellen bei
Musikinstrumenten und bei der Raumakustik in Konzertsälen.
Es kann aber auch darum gehen, Entstehung und Weiterleitung
unerwünschter Schwingungen zu unterbinden: zum Beispiel
störender Geräusche oder lästiger Vibrationen. Gerade der
Lärmschutz am Arbeitsplatz, die Abschirmung von Verkehrslärm
in Wohngebieten und die Schalldämmung in Gebäuden sind
in den letzten Jahrzehnten wichtig geworden.
Herkömmliche Methode des passiven Schallschutzes ist die
Dämmung. Neue Verfahren, Lärm aktiv zu reduzieren, beruhen
auf dem Effekt, den du bei den beiden sich überlagernden
konzentrischen Wellenkreisen beobachten konntest: Wenn
Wellenberge und Wellentäler sich gegenseitig auslöschen,
dann herrscht Ruhe. Man spricht dann von aktiver Geräuschunterdrückung (engl. „Active Noise Cancellation“: ANC).
Der Lärmschall wird hier durch einen elektroakustisch erzeugten,
gleich starken Gegenschall überlagert. Dieser Gegenschall
wird so erzeugt, dass seine Wellenberge immer mit den Wellentälern des Lärmschalls zusammenfallen und seine Wellentäler
immer mit dessen Wellenbergen: Gegenschall und Lärmschall
löschen sich also gegenseitig aus. Exakt gelingt das natürlich
kaum, aber man erreicht eine deutliche Reduzierung des
Lärms.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Brechung (Refraktion)
Wellenwanne
4
Große Federn
1
Let it swing!
Rege die beiden Federn mit den Schubstangen an.
Ändere die Frequenz, d. h. den Zeitabstand
der Anregungsstöße.
Vergleiche die Form und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der entstehenden
Schwingungen.
2
3
Was geschieht hier?
Genauer betrachtet
Die linke Feder schwingt quer zu ihrer Achse (man
nennt das „transversal“), die rechte in Längsrichtung
(oder „longitudinal“).
Jede Feder, die man anstößt und frei schwingen
lässt, schwingt mit einer Eigenfrequenz, die von der
Drahtdicke, dem Durchmesser und der Länge der
Feder sowie der Elastizität des Materials bestimmt
wird. Auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
hängt von diesen Kennwerten ab.
Beide Schwingungen laufen gleich schnell hin und
her, aber die Dichte der Wellenfolge hängt von der
Anregungsfrequenz ab.
Für jede Feder gibt es eine Frequenz, bei der die
erzeugte Schwingung besonders stark ausfällt – das
ist ihre Eigenfrequenz.
Regt man die Feder weiter mit einer Frequenz an,
die nahe bei der Eigenfrequenz liegt, so schaukelt
sich die Feder auf und
schwingt immer weiter
aus – im Extremfall bis
sie zerreißt.
Alle realen mechanischen Systeme besitzen
Elastizität und können in Schwingung geraten.
Maschinenteile sind zwar meist kompakt gebaut
und haben daher hohe Eigenfrequenz.
Aber seit Ende des 19. Jahrhunderts stiegen die
Drehzahlen von Maschinen schnell an, sodass es
öfter zu Anregungen nahe der Eigenfrequenz
kommen konnte.
Deshalb erlangte die Analyse des Schwingungsverhaltens eine immer größere Bedeutung.
01.06.2013 TECHNOSEUM
Woher und wozu?
Große Federn
4
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