Mobilität der Zukunft: Modul "Aerodynamik / Strömungswiderstände"

Mobilität der Zukunft

AERODYNAMIK / STRÖMUNGSWIDERSTÄNDE

Vorschläge für einen techniknahen naturwissenschaftlichen Unterricht in der Sekundarstufe I

In diesem MINT Modul: Strömungswiderstände in der Natur und am Automobil

Genius MINT Modul

Vorwort

Liebe Lehrerinnen und Lehrer, wir freuen uns, Ihnen ein neues Genius-MINT-Modul vorzustellen!

Die Idee unserer Module unter dem zentralen Thema „Mobilität der Zukunft“ ist, Ihnen Themenblöcke für zwei bis drei Doppelstunden anzubieten. Diese sind in sich abgeschlossen und beinhalten Hintergrundinformationen zur Unterrichtsvorbereitung sowie Aufgaben und Lösungen zum jeweiligen Thema. Der Aufbau des Moduls bietet Ihnen Impulse für einen flexiblen Einsatz im Unterricht.

Das vorliegende Genius-MINT-Modul „Aerodynamik/Strömungswiderstände“ befasst sich mit den angepassten Formen von Tieren zu ihrer jeweiligen Lebenswelt, führt damit den Begriff Bionik ein und erläutert, wie beispielsweise Automobilbauer bei der Gestaltung von Karosserien von der Natur lernen.

Der Aufbau des Moduls nimmt damit den Anspruch von MINT-Bildungsplänen ernst, einen fächerübergreifenden Unterricht durchzuführen, und schlägt den Bogen von der Biologie zur angewandten Technik.

Seit 2010 machen wir uns mit Genius stark für technische Bildung und fördern das Interesse von Jungen und Mädchen an technischen Themen.

Im fachlichen Austausch von Ingenieurinnen und Ingenieuren mit Lehrkräften und in Zusammenarbeit mit Klett MINT erarbeiten wir Arbeitshefte für die Grundschule und die Sekundarstufe I.

Diese und weitere spannende Informationen für Sie und Ihre Schülerinnen und Schüler hält die Website http://www.geniuscommunity.com und der Genius Channel auf YouTube http://www.youtube.com/user/GeniusCommunityTeam bereit. Wir hoffen, dass wir Ihnen viele neue Ideen und Impulse bieten und wünschen Ihnen viel Freude damit im Unterricht.

1. Auflage

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

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Eine Zusammenarbeit der Genius-Initiative der Mercedes-Benz Group AG und der Klett MINT GmbH.

Autoren: Dr. Tillmann Berger, Sindelfingen; Helmut Graf, Wörth; Hans-Harald Hanson, Sindelfingen; Hanne Lier, Stuttgart; Dr. Adelheid Löbert, Sindelfingen; Alexander Mößner, Sindelfingen; Volker Rust, Karlsruhe; Jürgen Springer, Karlsruhe

Redaktion: Medienwerk Hanne Lier, Stuttgart

Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart

Gestaltung und Satz Inhalt: Gabriele Kiesewetter, JUNG MEDIENPARTNER, Limburg

Illustrationen: Alexander Schmitt, as-illustration, Rimpar

Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg

Bildquellennachweis: 7, 11, 16 Mercedes-Benz Group AG; 8 thinkstockfotos

Team Genius | Team Klett MINT

Das Modul „Aerodynamik/Stömungswiderstände“ ist ein in sich abgeschlossener Themenblock aus dem Arbeitsheft „Design und Aerodynamik“.

Es enthält 5 Arbeitsblätter mit umfangreichen Versuchsbeschreibungen und weiterführende Lehrerinformationen mit Differenzierungsangeboten

Wenn Sie mehr Themen daraus behandeln möchten, können Sie die Materialien hier downloaden: http://www.genius-community.com/macht-schule/unterrichtsmaterialien

Inhaltsverzeichnis

I.

•Methodisch-didaktische Einführung und Hinweise zur Differenzierung

den Arbeitsblättern

II.

1 Wie sich Fortbewegung und Lebensraum beeinflussen

2 Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Form

3 Von der Natur lernen: Formen von Automobilen

A Luftwiderstand beim Fahrradfahren (zur Binnendifferenzierung)

B Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Fläche (zur Binnendifferenzierung)

Lehrerinformationen

Einführung

Mit diesem Modul können Sie zwei bis drei abwechslungsreiche, fächerübergreifende und praxisbezogene Schulstunden gestalten.

Die Arbeitsblätter (AB) 1 bis 3 sind dabei als Grundmodul vorgesehen, die bei Bedarf erweitert werden können um die beiden Arbeitsblätter A und B.

Im Grundmodul geht es von biologischen Fragen (AB 1 Wie sich Fortbewegung und Lebensraum beeinflussen) zur Physik (AB 2 Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Form). Dabei sollen die Schülerinnen und Schüler (SuS) durch praktische Versuche selbstständig die Zusammenhänge erkennen und beschreiben. Im letzten Teil wird der Bogen zur Technik geschlagen (AB 3 Von der Natur lernen: Formen von Automobilen) und die SuS können das Gelernte anwenden. Zum Schluss und als Lockerungsübung sollen die SuS das ihrer Meinung nach optimale Auto malen oder beschreiben.

Praxistipp:

Zur Einführung in das Modul können Sie

• den bereits schülergerecht formulierten Text unter „Informationen zum Begriff Bionik“ kopieren, austeilen und in Gruppen bearbeiten lassen,

• den Text vorlesen und eine Diskussion durchführen oder

• die SuS im Internet unter den angegebenen Links recherchieren lassen.

Zur Binnendifferenzierung bieten wir Ihnen die beiden Arbeitsblätter A und B. A knüpft direkt an die Lebenswirklichkeit der SuS an und eignet sich als Einstieg in das Thema von einem eher physikalischen Standpunkt aus. Anschließend lässt sich der Aspekt „Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Fläche“ durch Arbeitsblatt B vertiefen – wiederum durch praktische Versuche, die von den SuS selbstständig durchgeführt und ausgewertet werden.

Praxistipp:

Beachten Sie zur Unterrichtsvorbereitung die Materiallisten und Versuchsaufbauten in den beiden Arbeitsblättern 2 und B. Wenn Sie das komplette Modul bearbeiten lassen, weisen Sie die SuS darauf hin, dass auch der Luftwiderstand beim Fahrradfahren ein Strömungswiderstand ist und nennen Sie den Strömungswiderstand als Oberbegriff für Widerstände in Flüssigkeiten (AB 2) und Luft (AB B, siehe Formel zur Luftwiderstandskraft unten).

Luftwiderstandskraft (allgemein die Strömungswiderstandskraft FW)

Der Strömungswiderstand ist von der Querschnittsfläche A des Körpers, seiner Form und der Geschwindigkeit v abhängig. Damit ergibt sich für die Kraft FW, die den Körper bremst:

Luftwiderstandskraft: FW = ½ · cw· ρ L· A · v 2 (ρ L: Dichte der Luft)

Der sogenannte cw-Wert hängt von der Form des Körpers ab. Er ist umso größer, je mehr Kraft (Energie) die Luft benötigt, um um einen Körper herumzufließen.

Der cw-Wert wird experimentell über Windkanalmessungen bestimmt oder über Computersimulationen von Strömungen berechnet. Im Windkanal wird die Luftwiderstandskraft gemessen; bei bekannter Querschnittsfläche (Stirnfläche) A, der Luftdichte ρ  L und der (im Windkanal eingestellten) Luftgeschwindigkeit lässt sich die Formel nach dem cw-Wert auflösen.

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

Hinweise zu den einzelnen Arbeitsblättern

AB 1 „Wie sich Fortbewegung und Lebensraum beeinflussen“

Das Arbeitsblatt ist als Einstieg in die Thematik des Spannungsfeldes „Form und Zweck“ gedacht. Die Brücke zur Bionik bildet die Frage „Wo dient die Natur als Vorbild?“ Die Schülerinnen und Schüler (SuS) vergleichen bestimmte Formen von Meeresbewohnern und deren Lebensraum und Fortbewegung.

AB 2 „Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Form“

Diese Versuche erfüllen nicht vollständig die Anforderungen an ein naturwissenschaftliches Experiment. Entweder ändert sich die Kraft geringfügig bei anderer Form oder die Querschnittsfläche bleibt nicht exakt konstant, wenn beispielsweise aus gleichem Volumen verschiedene „Fische“ modelliert werden. Folglich lassen sich in allen Schülerexperimenten nur qualitative Aussagen ableiten. Entschädigt wird man aber durch den fächerübergreifenden Aspekt der Versuche und die praktische Arbeit, die von den SuS mit Begeisterung durchgeführt werden.

Praxistipp:

Die Blumenkästen sollten nicht mit Wasser gefüllt transportiert werden. Sie sollten mit einer Gießkanne gefüllt und nach den Versuchen mithilfe eines Schlauches entleert werden (Schlauch mit Wasser füllen, ein Ende in den Blumenkasten, das andere Ende tiefer als den Kasten in einen Eimer halten).

AB A „Luftwiderstand beim Fahrradfahren“

Dieses Arbeitsblatt knüpft an eigene Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler beim Fahrradfahren an. Darauf aufbauend können die SuS andere Radfahrsituationen überdenken und unabhängig von abstrakten physikalischen Herleitungen den Zusammenhang von Luftwiderstand zu Angriffsfläche und Geschwindigkeit qualitativ erfassen. Der quadratische Zusammenhang zwischen Luftwiderstandskraft F und Geschwindigkeit v wird qualitativ und im Diagramm halb quantitativ erkannt.

AB B „Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Fläche“

Wie bei allen praktischen Arbeiten müssen die SuS eine Einweisung an den benötigten Werkzeugen und Maschinen erhalten. Fächerübergreifend (Mathematik/Informatik) wird die Erstellung einer Excel-Tabelle zur Erfassung der Fläche und des Diagramms empfohlen. Bei der Umsetzung der Messanordnung muss man unbedingt auf die möglichst reibungsarme Drehung des Stabes und die Einhaltung der rechten Winkel achten.

Wenn diese praktischen Versuche durchgeführt werden, sollte dies direkt nach der Bearbeitung von AB A erfolgen.

Leitfragen

• Was versteht man unter dem Begriff „Bionik“?

• Wo kann die Natur als Vorbild für technische Entwicklungen dienen?

• Welche technischen Umsetzungen sind bekannt?

Dieses AB ist eine Erweiterung und Ergänzung von AB 1 und bildet den Abschluss des Moduls durch die Beantwortung der Frage „Wo kann man von der Natur lernen?“. Ein weiterer fächerübergreifender Aspekt ist möglich, indem man die SuS nach allen Versuchen und theoretischen Erläuterungen ihren Autofavoriten zeichnen oder sogar modellieren lässt (Kunstunterricht)

• Von welchen Faktoren hängen Strömungswiderstände ab? (qualitative Aussage)

• Wie können Strömungswiderstände in Versuchen erforscht werden? (halbquantitative Aussagen)

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

AB 3 „Von der Natur lernen: Formen von Automobilen“

Informationen zum Begriff „Bionik“

Der Begriff Bionik bezeichnet die Verbindung von Biologie und Technik. Dabei beobachten Forscher Phänomene der Natur und versuchen, ihre Grundprinzipien zu verstehen, um sie dann in die Technik zu übertragen.

Es gibt viele Dinge, die von Tieren oder Pflanzen abgeschaut wurden:

• Für Schwimmflossen, die man zum Tauchen verwendet, dienten z. B. die Schwimmhäute von Fröschen als Vorbild.

• Der Klettverschluss entspricht dem Klettprinzip von Klettenfrüchten, einer Pflanzenart mit vielen winzigen elastischen Häkchen, die sich an Objekten festhängen können.

• Die Lotusblume hat eine spezielle Oberfläche, an der das Wasser mitsamt aller Schmutzpartikel abperlt. Der Trick der Lotuspflanze besteht aus zwei besonderen Eigenschaften der Oberfläche ihrer Blätter: Erstens sind sie von einer feinen Wachsschicht überzogen. Diese ist wasserabweisend und bewirkt, dass Feuchtigkeit, die auf das Blatt gelangt, sich zu schmalen, hohen Tropfen formt und vom Blatt abperlt. Zweitens ist die Oberfläche von kleinen Noppen übersät: Befindet sich Schmutz auf dem Blatt, dann bleibt dieser oben auf den Noppen sitzen – wie ein Fakir auf einem Nagelbrett. Die Wassertropfen, die vom Blatt abperlen, können so die Schmutzpartikel mit sich reißen und vom Blatt wegtragen. Die Blätter der Lotuspflanze sind deswegen immer glänzend sauber. Dieses Prinzip haben sich auch Wissenschaftler zu Nutze gemacht und eine Fassadenfarbe entwickelt, die ähnlich wie die Lotuspflanze funktioniert und sich durch Regentropfen selbst reinigt.

• Der Flugpionier Otto Lilienthal beobachtete jahrelang Vögel, bevor er den ersten funktionierenden Flugapparat entwickelte.

• Saugnäpfe, mit denen man Objekte an glatten Flächen befestigen kann, kennt man auch von den Tentakeln der Kraken.

• Die Form eines U-Boots orientiert sich an der rundlichen, aber dennoch dynamischen Rumpfform des Pinguins.

• Ein weiteres Wunderwerk der Natur ist die Haihaut. In Schuppen von Haien findet man viele kleine Rillen. Diese sind so ausgerichtet, dass in Schwimmrichtung große, zusammenhängende Rillen entstehen – die ganze Haut des Hais ist von diesem Rillenmuster überzogen. Dadurch wird der Reibungswiderstand des Wassers verringert und somit benötigt der Hai weniger Kraft zum Schwimmen und kommt schneller voran. Diese Erkenntnisse machen sich Forscher in verschiedenen Bereichen zunutze: Für Schwimmer wurden spezielle High-Tech-Anzüge entwickelt, die ähnlich wie die Haihaut gebaut sind und so dazu führen, dass die Profis noch schneller durchs Wasser schießen. Auch bei Flugzeugen kommt die Haihaut zum Einsatz: Forscher entwickeln momentan eine spezielle Folie ähnlich der Haihaut, die auf Flugzeuge geklebt wird. Dadurch soll bei einem Flug der Strömungswiderstand der Luft verringert werden und das Flugzeug verbraucht weniger Treibstoff. Eine solche Erfindung ist also nicht nur ein technisches Wunderwerk, sondern hilft auch noch, die Umwelt zu schützen.

Es gibt noch viele weitere Beispiele aus der Bionik, die einen zum Staunen bringen:

Roboter, die sich wie Insekten fortbewegen, Tsunamiwarnsysteme, die ähnlich wie die Kommunikation zwischen Delphinen funktionieren, Flugzeuge, deren Flügel denen von Vögeln nachempfunden sind… Von der Natur gibt es noch einiges zu lernen und dank der Bionik sind schon viele Probleme gelöst und neue Erfindungen getätigt worden.

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

Ein Forschungsfahrzeug: Mercedes-Benz bionic car

Auch in der Automobilindustrie dient die Natur bei der Konstruktion von Fahrzeugen als Vorbild. Daraus ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, wie Fahrzeuge noch sicherer und effizienter hergestellt werden können, um das Autofahren für den Menschen noch einfacher zu gestalten. Durch die entsprechende Optimierung von Fahrzeugen lassen sich außerdem Energie und Treibstoff sparen und so wird ein wichtiger Beitrag zur Schonung von Klima und Ressourcen geleistet.

Beispielsweise untersucht Mercedes-Benz mit dem Konzeptfahrzeug bionic car das große Potenzial der Bionik für die Automobilentwicklung und erzielt im Zusammenspiel mit zukunftsweisender Dieselmotorentechnik und einer neuartigen Abgasreinigung Bestleistungen bei Kraftstoffverbrauch und Emissionen.

Erstmals suchen die Ingenieure für das Fahrzeug gezielt in der Natur nach einem Vorbild, das nicht nur durch Details, sondern ganzheitlich in Form und Struktur den Vorstellungen von einem aerodynamischen, sicheren, komfortablen und umweltverträglichen Auto nahekommt. Gestoßen sind sie dabei auf den Kofferfisch. Dieser Fisch, der in tropischen Gewässern lebt, hat trotz seines kantigen, würfelähnlichen Rumpfes hervorragende Strömungseigenschaften und stellt deshalb ein aerodynamisches Ideal dar. Mit einem originalgetreuen Modellnachbau des Kofferfisches erzielen die Ingenieure im Windkanal einen Luftwiderstandsbeiwert (cW-Wert) von 0,06.

Links

Zum Vergleich: Ein Fahrradfahrer erreicht ganz unterschiedliche cW-Werte, je nach Fahrposition. Die reicht von einem cW-Wert von 1,0 bei einem Tourenfahrer bis zu 0,3 bei Rennfahrern im Zeitfahren.

Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen nutzen die Wissenschaftler und Ingenieure bei der Entwicklung des MercedesBenz bionic car, einem voll funktionstüchtigen, fahrbereiten Kompaktwagen von 4,24 m Länge. Er bietet Platz für vier Personen plus Gepäck. Mit einem cW-Wert von 0,19 zählt das Konzeptfahrzeug zu den strömungsgünstigsten Automobilen dieser Größenklasse.

http://www.genius-community.com/community/magazin/phaenomene/126

http://www.genius-community.com/community/genius-reporter/reportagen/3008

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

Wie sich Fortbewegung und Lebensraum beeinflussen

Info

Bestimmte Fische haben sich im Laufe der Evolution, auch durch die Art ihrer Fortbewegung, an bestimmte Lebensräume angepasst. So gibt es als Lebensraum einerseits das offene Meer, andererseits Korallenriffe mit vielfältigem Pflanzenwuchs und vielen Verstecken. Es gibt standorttreue Meeresbewohner und solche, die sehr weite Entfernungen in den Weltmeeren zurücklegen.

1. Beschreibe die Körperform und die Fortbewegung der drei abgebildeten Meeresbewohner.

Lebensraum: Riffe

Ernährung: Kleinstlebewesen

Lebensraum: offene Weltmeere

Ernährung: Kleinstlebewesen

Lebensraum: offene Weltmeere

Ernährung: größere Lebewesen

Körperform: Körperform: Körperform:

Fortbewegung: Fortbewegung: Fortbewegung:

2. Inwiefern sind Körperform und Fortbewegung für die Erschließung des Lebensraumes optimiert?

Kofferfisch:

Wal: Hai:

3. Die Bionik versucht, Lösungen der Natur für bestimmte Vorgänge auf technische Prozesse zu übertragen. Nenne mindestens drei Beispiele.

Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Form

Strömungswiderstand in Wasser: geometrische Formen

Material:

Knete, Stoppuhr, Zylinder aus Plexiglas/Glas mit Deckel, Haken, Hakengewicht, Schnur, Trinkhalm.

Versuchsbeschreibung:

• Schließe den Zylinder nach unten mit dem passenden Deckel ab.

• Befestige am Hakengewicht eine Schnur, welche senkrecht nach oben gezogen werden kann.

• Forme die Knete nach den folgenden Angaben (Formen und Maße) und stoße in der Mitte ein Stück Trinkhalm durch, damit die Führung nur wenig Reibung hat.

• Die Halbkugeln erhält man durch Teilung der Kugel.

• Führe den Faden durch die Form, befestige ihn mittig-oben und halte die Form genau in Höhe des Wasserspiegels.

• Nach dem Loslassen ist die Sinkdauer tSink zu bestimmen.

Formen:

Versuchsaufbau:

Versuchsdurchführung:

a) Bereite die vier Formen vor. Ermittle die zugehörigen Sinkzeiten tSink zum Durchlaufen der Strecke s dreimal und trage die Zeiten in die Tabelle ein.

b) Bilde den Mittelwert und trage diesen ein.

Konstant: Anströmfläche A = 20 cm2 (gerundet)

Aufgaben

1. Ordne die Formen nach Sinkzeit.

2. Gib den Strömungswiderstand der Formen in Prozent an. Lege die beste Form mit 100 % zugrunde.

Strömungswiderstand in Wasser: Formen der Natur

Vorüberlegungen

Die Natur hat für die Fortbewegung im Wasser optimale Formen ausgebildet. Nun wird untersucht, wie bei gleichem Volumen die Strömungswiderstände von der Form beeinflusst werden.

Material:

Schwimmknete (ca. 200 ml), Hakengewicht (10 g – 20 g), Blumenkasten aus Kunststoff (0,8 m – 1 m), Bindfaden, Akkubohrschrauber, Bohrer (4 mm), 2 Zahnstocher, 2 Rollen, Stativmaterial, Stoppuhr, 2 Gummibänder (die dazu dienen, die Start- und Zielposition = Bugspitze genau festzulegen), Tischklemmen, Gießkanne, Schlauch, Eimer.

Versuchsbeschreibung:

• Bohre in mittlerer Höhe seitlich zwei Löcher in den Blumenkasten, welche ca. 2 cm weniger Abstand haben als der Zahnstocher lang ist.

• Befestige vor dem Blumenkasten mittels Tischklemmen zwei Rollen, welche den gleichen Abstand wie die Bohrungen haben und parallel zum Kasten verlaufen.

• Lass über beide Rollen einen Bindfaden laufen, welcher im Kasten und nach den Rollen an den Enden des Zahnstochers befestigt wird.

• Innen wird der Zahnstocher fest an die Schwimmknete gedrückt und außen wird bifilar (an zwei Fäden) ein kleines Gewicht angehängt, um die Knete zu ziehen.

• Spanne die beiden Gummibänder über den Kasten. Sie kennzeichnen die zurückzulegende Strecke s vom „Bug“ des Schwimmkörpers aus gemessen.

• Der Kasten wird bis beinahe in Lochhöhe aufgefüllt und später durch den Schlauch sicher geleert (Schlauch füllen, beide Enden mit Daumen zuhalten, ein Ende in den Kasten, das andere Ende in den Eimer am Boden halten, Daumen wegnehmen).

Versuchsaufbau Querschnitt:

Draufsicht:

Frontansicht:

Löcher im Kasten

bifilare Aufhängung

© Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

Versuchsdurchführung:

Bei allen Versuchen soll die Masse/das Volumen der Schwimmknete gleichbleiben.

a) Forme einen Kofferfisch, einen Wal, einen Hai und ermittle die zugehörigen Zeiten t zum Durchlaufen der Strecke s.

b) Finde eigene Formen, von denen du glaubst, dass sie schneller sein können.

Konstant: Masse des Beschleunigungsgewichtes = g

Länge der Strecke s (immer an der Körperspitze gemessen) = cm

Form Strecke in cm Zeit 1 in s Zeit 2 in s Zeit 3 in s Mittelwert in s

Kofferfisch

Wal Hai beste Eigenform

1. Interpretiere die Ergebnisse der Wal- bzw. Fischformen.

2. Wo findest du diese Formen in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, ... wieder?

Kofferfisch:

Begründung:

Wal: Begründung:

Hai: Begründung:

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Von der Natur lernen: Formen von Automobilen

1. Hier siehst du drei unterschiedliche Autotypen. Ergänze die Steckbriefe.

Viano

SLS AMG Smart

Autotyp: Autotyp: Autotyp:

Volumen/Einsatz: Volumen/Einsatz: Volumen/Einsatz:

Entfernungen und Geschwindigkeiten: Entfernungen und Geschwindigkeiten: Entfernungen und Geschwindigkeiten:

2. Ordne zu: Welche Parallelen siehst du bei den Meeresbewohnern und den Autotypen?

Kofferfisch: Wal: Hai:

3. Beschreibe hier das für dich optimale Auto. Oder male dein Traumauto auf einem leeren DIN-A4-Blatt.

Luftwiderstand beim Fahrradfahren

Erinnere dich: Was spürst du, wenn du mit dem Fahrrad fährst?

1. Wenn du sehr schnell mit dem Fahrrad fährst, kannst du den Fahrtwind und den Antrieb durch das Treten spüren. Beschreibe dies mit eigenen Worten.

2. Stell dir vor, du bist auf dem Fahrrad schnell einen Berg heruntergerollt und befindest dich nun auf einer langen, flachen Geraden. Was machst du, um ohne zu treten möglichst lange in Fahrt zu bleiben?

3. Wann spürst du den Fahrtwind stärker: wenn du schnell oder wenn du langsam fährst? Formuliere einen „je-desto“-Satz über die Abhängigkeit des Luftwiderstands von deiner Geschwindigkeit.

4. Ein Schüler fährt gleichmäßig mit dem Fahrrad (15 km/h) und hat eine Leistung von 80 W. Ein gut trainierter Radrennfahrer hat eine Leistung von 400 W und erreicht eine Dauergeschwindigkeit von 40 km/h. Übertrage die Geschwindigkeiten in das Diagramm. Eine Glühlampe symbolisiert 40 W. Zeichne die Kurve und überlege, warum die Geschwindigkeit nicht linear ansteigt.

Strömungswiderstände in Abhängigkeit von der Fläche

Versuch zur Flächenabhängigkeit des Strömungswiderstandes in Luft

Versuchsbeschreibung:

Wir untersuchen, wie der Strömungswiderstand FW (der Index W steht für „Widerstand“) bei gleicher Anströmgeschwindigkeit des Mediums (hier Luft) von der Fläche A abhängt.

Material:

Akkubohrschrauber, Schraubendreher, Ringschlüssel M4,1 Holzbrett (30 cm x 15 cm x 2 cm), Schraube M4 (5 cm), Bohrer, Senker, Holzstab (40 cm x 1,5 cm x 1,5 cm), 2 Schrauben M4 (3 cm), 5 Muttern, Pappkarton, Fön, Stativmaterial, Zollstock, Federkraftmesser, Schnur.

Versuchsaufbau Seitenansicht:

• Zeichne zuerst von oben die Diagonalen auf dem Brett ein.

• Bohre dann „mittig“ durch das Brett (Unterlage verwenden).

• Bohre das untere Loch mit einem Senker kegelförmig auf.

• Stecke die Schraube durch und fixiere sie oben mit einer Mutter.

• Durchbohre den Holzstab mittig.

• Drehe den Holzstab um 90 Grad und durchbohre ihn jeweils 2 cm vor dem Ende.

• Fixiere den Holzstab (s. Skizze), aber zieh die obere Schraube nur so fest an, dass sich der Stab noch sehr leicht drehen lässt.

• Nun werden durch die äußeren Löcher Schrauben gedreht, wobei auf der linken Seite die Scheibe aus Karton festgeschraubt wird und rechts der Federkraftmesser gegengleich eingehängt wird.

Beim Versuch muss die Anströmgeschwindigkeit der Luft vergleichbar sein, weshalb der Abstand des Föns gleich gehalten werden muss und der Winkel überall senkrecht sein sollte. Auch muss die angeströmte Fläche A deutlich kleiner sein als der Luftkegel des Föns.

Von jedem Vorgang werden drei Versuche gemacht, der Mittelwert bestimmt und alle Ergebnisse in die Tabelle (Messprotokoll) auf der nächsten Seite eingetragen.

Versuchsaufbau Draufsicht:

Konstant: Länge der Strecke s (Luftstrom und Fläche stehen immer senkrecht) = cm

Aufgaben

1. Stelle die Abhängigkeit in einem FW-A-Diagramm dar.

2. Formuliere den Zusammenhang.

3. Nenne zwei Beispiele aus dem Alltag, aus denen dieser Zusammenhang deutlich wird.

Als Kopiervorlage freigegeben. Genius – Die junge WissensCommunity von Mercedes-Benz, Stuttgart 2013

Fläche A in cm2

FW in N