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Bitte beachten Sie:
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Strömungsbilder auf Velourspapier
| Strömungsbilder auf Velourspapier | |
 Darstellung der Strömungslinien auf Velourspapier | |
| Kurzbeschreibung | |
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| Mit Hilfe einfacher Mittel sollen Strömungslinien an verschiedenen Profilen dargestellt und diskutiert werden können. | |
| Kategorien | |
| Mechanik, Strömungslehre | |
| Einordnung in den Lehrplan | |
| Geeignet für: | Klasse 7/8 |
| Basiskonzept: | Wechselwirkung |
| Sonstiges | |
| Durchführungsform | Gruppenexperiment, Demoexperiment |
| Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie | 1 |
| Anspruch des Aufbaus | leicht |
| Informationen | |
| Name: | Stefanie Gaede |
| Kontakt: | @ |
| Uni: | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Betreuer*in: | Wiebke Musold |
Das Thema Fliegen sorgt bei vielen Schülern immer wieder für Begeisterung. Um diesem Bereich in der Schule jedoch umfassend gerecht zu werden, werden meist komplexe Zusammenhänge benötigt, welche durch Experimente unterstützt werden können. Dabei stellt die Sichtbarmachung der Strömungslinien im Physikunterricht die Lehrer vor große Aufgaben. Anstelle eines Windkanalaufbaus soll dieses Experiment eine einfachere Alternative bieten. Durch die Nutzung von Velourspapier und Wasser (statt Luft) lassen sich auch für Schüler einfach Ergebnisse erzielen, die dann im Unterrichtsgeschehen auf ihre Allgemeingültigkeit überprüft werden können.
Inhaltsverzeichnis
Didaktischer Teil
Dieses Experiment soll als Modellexperiment dienen. Modellexperimente werden in verschiedenen Teilen der Physik und anderen Naturwissenschaften genutzt, um komplexe Zusammenhänge zu vereinfachen und mit einfacheren Mitteln auf ähnliche Erkenntnisse und Gesetzmäßigkeiten zu gelangen. Dabei sollen störende Faktoren eliminiert und Abhängigkeiten verschiedener Variablen deutlich werden.[1] Dieses Experiment dient zum Erkenntnisgewinn der Schüler im Bereich Umströmung und allgemein Fliegen. Das Fliegen fasziniert die Menschen und somit auch die Schüler (vgl. Weltner[2](2000), S. 340) immer wieder aufs Neue. Um dieses Thema also sinnvoll in der Schule einzubetten, ist es nötig auf Modellexperimente zurückzugreifen. Für die Schule sind größere Aufbauten nur schwer finanzierbar bzw. oft zu umständlich in der Benutzung, daher wird auf Experimente mit einfacheren Mitteln zurückgegriffen. Wichtig ist hierbei, den Schülern deutlich zu machen, dass es natürlich zu Unterschieden in der Ergebnisbetrachtung kommt, da dieses Modellexperiment nicht nur auf eine präzise Ausführung angewiesen ist, es muss auch herausgestellt werden, dass bei diesem Experiment natürlich andere Medien betrachtet werden, als für das aerodynamische Fliegen eines Flugzeuges. Dabei verhält sich die Strömung der Tinte durch das Velourspapier der Umströmung einer Tragfläche mit Luft nur ähnlich. Außerdem muss gesichert werden, dass die entstandenen Strömungsbilder nur als Beispiel für Umströmung ohne Zirkulation, dienen können. Dabei wird deutlich, dass nicht bei jeder Anströmung sofort Auftrieb erzeugt wird und die Selbstverständlichkeit eines Strömungsbildes kann bei den Schülern abgebaut werden. Diese Erkenntnisse können noch mit Hilfe weiterer Modellexperimente überprüft werden, indem das Strömungsverhalten eines Modells in Wasser und Glycerin[3] untersucht wird. Das Experiment ist sowohl als Demonstrationsexperiment, als auch als Gruppenexperiment für Schüler geeignet.
Versuchsanleitung
Aufbau
- 1 gefülltes, eckiges Gefäß (ca. 5cm hoch, 10cm breit) auf erhöhter Lage
- mehrere Streifen Velourspapier/Pastellpapier mit unterschiedlichen Profilen
- 1 Auffangbecken für hinunterlaufendes Wasser
- 1 Tintenfüller/ Tinte
Für den Versuch werden mehrere Blatt Velourspapier bzw. Pastellpapier benötigt, welche im herkömmlichen Künstler-/Bastelbedarf gekauft werden können. Das Velourspapier muss vor dem Versuch in etwa 10cm x 20cm große Stücke geschnitten werden. In 5cm Abstand zur kürzeren Seite sollte eine waagerechte Linie markiert werden, an der das Papier umgeknickt wird (samtige Oberfläche liegt vorn).[3] Auf das lange Stück können nun verschiedene Profile die später umströmt werden sollen vorgezeichnet und sorgfältig ausgeschnitten werden. Dabei ist zu beachten, dass keine Ecken oder unsaubere Schnitte gemacht werden dürfen, da diese später die Stromlinien ungewollt ablenken und verändern können.
Um einen gleichmäßigen Verlauf der Strömungslinien zu gewährleisten, sollten an der Knicklinie mit einem Bleistift kurze Linien, etwa 5mm lang, gekennzeichnet werden, die später mit dem Füller nachgezeichnet werden.
Durchführung
Das eckige Gefäß wird zunächst randvoll mit Wasser gefüllt und der verwendete Velouspapierstreifen mit der umgeknickten Falz in das Gefäß gehängt. Dieses durchzieht sich von selbst mit Wasser. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann man es vorher kurz unter fließend Wasser halten. Es ist wichtig, dass das Papier komplett mit Wasser getränkt ist, um einen guten Verlauf des Experimentes zu gewährleisten. Das Auffangbecken wird unter dem Papierstreifen platziert, da dort ständig Wasser hindurchfließt und aufgefangen werden muss.
Nun werden die vorgezeichneten Bleistiftstriche mit der Tinte nachgezeichnet. Dies geschieht von links nach rechts und wird solange fortgeführt, bis das Expermient abgeschlossen ist, d.h. alle Stromlinien bis unten reichen. Dabei ist auf ein gleichmäßiges Nachzeichnen zu achten, welches vorzugsweise mit einem alten Tintenfüller o.ä. durchgeführt werden sollte. Nachdem die gemachten Beobachtungen notiert wurden kann der Versuch mit einem weiteren Velourspapierstreifen mit anderem Profil erneut durchgeführt werden.
Es ist zu beachten, dass die Verlouspapierstreifen nach etwas Zeit sehr instabil werden, d.h. sie sich am unteren Ende nach hinten zusammenziehen. Um dies zu vermeiden, ist es möglich, am unteren Ende eine Beschwerung des Papiers vorzunehmen oder es vom Experimentierpartner festhalten zu lassen.
| Durchführung am Tragflächenprofil |
| Durchführung an der schrägen Platte |
Ergebnisse
Das Wasser durchströmt das Velourspapier von oben nach unten und nimmt so die aufgebrachte Tinte langsam und gleichmäßig mit. Dabei entstehen verschiedene Stromlinienbilder für verschiedene Profile. Die Strömung legt sich an das Profil und umströmt dieses gleichmäßig. Dabei werden an bestimmten Punkten die Stromlinien enger zusammengedrängt. Es ist bei verschiedenen Profilen zu beobachten, dass die Stromlinien an der Hinterkante des Profils wieder nach oben laufen.
Die Ergebnisse des Experiments müssen noch während der Durchführung bzw. kurz danach notiert werden, da das Wasser die Tinte natürlich weiter durch das Papier zieht. Wird nicht mehr nachgezeichnet verschwinden die Stromlinien nach ein paar Minuten wieder. Das Gleiche passiert, wenn versucht wird die Streifen mit Stromlinien zu trocknen. Dabei werden dem Papier sowohl Tinte als auch Wasser entzogen.
Auswertung
Die oben geschilderten Ergebnisse müssen nun in einen fachspezifischen Kontext[4] gebracht werden. Wird ein Profil angeströmt und es zeigt sich ein Strömungsbild wie in diesem Experiment, so entsteht an dem Profil kein Auftrieb. An den Stellen, an denen die Stromlinien eng zusammenliegen müssen Unterdruckgebiete vorliegen, die dafür sorgen, dass das Profil in eine bestimmte Richtung bewegt wird. Für das Beispiel der schrägen Platte greifen also zwei gleichgroße Kräfte an der oberen und unteren Ecke an. Daraus resultierend würde sich diese Platte nur drehen, jedoch keinen Auftrieb erlangen. Das Gleiche gilt für das Tragflächenprofil. Mit der im Experiment erhaltenen Umströmung erhält auch diese keinen Auftrieb. Um den Druckunterschied an den Stellen der eng beieinanderliegenden Strömungslinien nachzuvollziehen, bietet sich im Anschluss ein Demonstrationsexperiment zur Messung des Druckunterschieds ober- und unterhalb der Tragfläche an. Daraus lassen sich außerdem weitere Schlüsse zur Umströmung mit Auftrieb ziehen.
Um dennoch Schlussfolgerungen aus dem Modellexperiment ziehen zu können, müssen andere Faktoren berücksichtigt werden. Das erhaltene Stromlinienbild gilt für das Anfahren eines Flugzeuges. Zu Beginn dieser Bewegung strömt die Luft noch sehr langsam, welches gut vergleichbar zu unserem Experiment ist. Während des Fluges strömt die Luft jedoch sehr schnell und verläuft nicht an der Hinterkante nach oben. Dies zeigt die deutliche Grenze dieses Modellexperiments auf. Um den Vergleich dieser beiden Umströmungen noch deutlicher zu machen, lässt sich ein ähnliches Experiment mit einem Tragflächenmodell in Wasser/Glycerin[3] durchführen, bei dem erneut beide Arten gezeigt werden können.
Eine weitere wichtige Schlussfolgerung aus dem Experiment ist, dass die Umströmung eines Profils nicht in jedem Fall Auftrieb erzeugt. Es muss klar werden, dass dies abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Viskosität des strömenden Mediums ist.
Literatur
- ↑ Universität Leipzig: Einführung in den Forschungsprozess und die Methoden der empirischen Kommunikations - und Medienforschung ; http://home.uni-leipzig.de/stiehler/images/download/powerpoint/vm07.pdf [27.09.2017]
- ↑ Weltner, K. (2000): Physik des Fliegens, Strömungsphysik, Raketen, Satelliten. In: Handbuch des Physikunterrichts. Sekundarbereich I. Bd.2: Mechanik II: Hydro- und Aerostatik. Akustik, Kinematik, Dynamik. Flugphysik. Köln, S. 340-390
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Wodzinski, R. (2000): Wie erklärt man das Fliegen in der Schule? [1]
- ↑ Die Physik des Fliegens [2]
Alle Bilder und Videos in diesem Beitrag wurden selbst erstellt.
Siehe auch
Modellexperimente
Modellexperiment zum Stromtransport
Modellversuch zur Straßenverkehrsampel
Fliegen
Dynamischer Auftrieb und Strömungswiderstand - Messung im Windkanal
Bestimmung der Umströmungsgeschwindigkeit an einem Tragflächenprofil im Nebelwindkanal
