Vorversuche
Vorversuche
I : Vorversuch zum Testen des Auffangmaterials am 18.07.2002
Teilnehmer:
- Univ.-Prof. Dr. Fischler
- Univ.-Prof. Dr. Hamprecht
- Julia Bähr
- Marilen Logé
- Kathrin Mechelk
- Alexandra Operhalsky
Ziel:
Mit dem Versuch wollten wir das geeignetste Material für die Auffangvorrichtung herausfinden. Der Versuch sah so aus, dass die Kugeln mit einer Schleuder auf das entsprechende Material geschleudert wurden, um die Geschwindigkeit und damit die Aufprallwucht zu simulieren, die die Kugeln beim Fall aus großer Höhe erreichen können. Die Kugeln sollten am Material weder abprallen, noch darin zu große Krater schlagen. Des Weiteren wollten wir mit den Physikprofessoren diskutieren, inwieweit sich die Materialien bei verschiedenen thermischen Gegebenheiten verändern.
Versuchsaufbau:
Für den Versuch verwendeten wir eine Gummischleuder. Diese bestand aus einer langen Gummischnur, welche an einem Gewicht bzw. an einem Stein befestigt wurde. Um die zu schleudernden Kugeln in die Schleuder betten zu können, benutzten wir ein Stück Stoff. Die Kugel wurde aus ca. 2 m Höhe senkrecht nach unten zunächst in eine Schüssel geschleudert, in welcher sich das zu testende Material befand.
Um den Versuch für den Fallturm simulieren zu können, mussten wir durch die Gummischleuder eine dem 100 m - Fall der Kugel im Vakuum entsprechende Geschwindigkeit erzeugen. Dazu musste die Gummischleuder mit einer bestimmten Kraft (ungefähr 130 N) angezogen werden, um die Kugeln so zu beschleunigen, dass sie beim Aufschlag dem 100 m - Fall entsprach. Dies berechneten wir durch eine Federwaage, mit der wir das Band hochzogen. Jedoch erreichten wir auch bei größter Anstrengung nur etwa die Hälfte der Kraft.
Simulation der Fallgeschwindigkeit durch Bau einer Steinschleuder
Erster Versuch mit Material: Ton
Nachdem einige Kugeln die Schüssel verfehlt hatten, traf eine Kugel (Ø 1cm) den Tonblock (5 cm hoch). Die Kugel blieb dort in einer Tiefe von 1,5 cm stecken. Das Einschlagloch wies keine Kraterbildung auf und zeigte einen exakten Rand.
Tonblock
Zweiter Versuch:
Wir legten eine ca. 2 cm dicke Tonmatte auf ein Holzbrett und führten den Versuch in gleicher Weise durch.
Ergebnis: Die Kugel durchschlug die Tonmatte und wurde durch den Aufprall auf die Holzplatte wieder hochgeschleudert, wodurch sich in der Tonmatte ein Krater bildete. Da der Krater dennoch sehr klare Ränder aufwies, hätte man auch so recht eindeutig den Mittelpunkt des Einschlagloches bestimmen können.
Dritter Versuch:
Wir füllten in eine große Schüssel 10 cm Sand, drückten diesen sehr fest und führten den Versuch in gleicher Weise durch.
Ergebnis: Durch den Einschlag wurde Sand aufgeworfen, was die Messung der Ostabweichung bei einem Fallversuch sehr erschwert hätte.
Vierter Versuch:
Wir führten den gleichen Versuch mit einer Styroporplatte durch, die mit einer 1,5 cm dicken Tonplatte bezogen wurde.
Ergebnis: Die Kugel schlug durch den Ton in die Styroporplatte und durchdrang auch dieses bis zum unteren Ende. Es entstand ein Krater, da der Ton sich wegen des Styropors nicht nach unten ausdehnen konnte und nach oben wegdrängte.
Fünfter Versuch:
Beim fünften Besuch verwendeten wir Sand unter einer 1,5 cm dicken Tonschicht.
Ergebnis: Die Kugel drang in den Sand und hinterließ einen genauen Einschussrand im Ton. Jedoch konnten wir bei genauer Betrachtung feststellen, dass der Sand durch den harten Aufschlag der Kugel nachgab. So rutschte der Ton beim Kugeleinschlag und durch das Wegsacken des Sandes ein wenig nach unten nach.
Sechster Versuch:
Als letzten Versuch nahmen wir Bienenwachs als Auffangmaterial. Wir stellten fest, dass der Rand des Einschlagloches sehr unscharf war, da das Wachs viele Risse aufwies.
Endergebnis:
Wir entschieden uns, Ton als Auffangmaterial zu verwenden, da es die besten Materialeigenschaften für diesen Versuch zeigte. Die Kugel sprang nicht zurückt und warf keine Krater auf, sondern hinterließ ein der Größe der Kugel entsprechendes, sehr exaktes Einschlagloch.
Des Weiteren überlegten wir uns, bei der Versuchsdurchführung im Bremer Fallturm, aufgrund der dort entsprechend der Höhe größeren Kraft, zwei Tonblöcke übereinander zu legen, was einer Höhe von ca. 10 cm entsprochen hätte.
Nachtrag:
Nachdem wir uns für Ton entschieden hatten, schickten wir eine Probe an den Fallturm, um sie im Vakuum hinsichtlich einer möglichen Konsistenzveränderung testen zu lassen. Es wurde festgestellt, dass der Ton im Vakuum hart und brüchig und somit für unseren Versuch unbrauchbar wurde.
Nach mehreren Überlegungen entschieden wir uns dann für Plastilin als Auffangmedium, da dies auf Ölbasis, und nicht, wie Ton, auf Wasserbasis, hergestellt wird und sich in seiner Konsistenz im Vakuum nicht verändert, was wir im Fachbereich Physik mittels einer Vakuumglocke austesteten. Darüber hinaus verfügt Plastilin aber über die gleichen geeigneten Eigenschaften, die wir beim Ton herausgefunden hatten.
II: Vorversuch zum Testen der erforderlichen Elektromagneten am 21.11.2002
Teilnehmer:
- Univ.-Prof. Dr. Fischler
- Univ.-Prof. Dr. Hamprecht
- Marilen Logé
- Julia Bähr
- Alexandra Operhalsky
- Kathrin Mechelk
Ziel:
Das Ziel unserer Versuchsreihe war es herauszufinden, welche Magnetstärke für den Fallversuch geeignet ist. Dazu mussten die Drahtlänge, die Drahtdicke, die Spannung und die Stromstärke als versuchsbeeinflussende Faktoren beachtet werden.
Materialien:
- Elektromagnet, hergestellt aus einem Stück Rundstahl (8 mm Durchmesser), umwickelt mit Kupferdraht
- Netzgerät (für geglätteten Gleichstrom)
- Widerstand
- Messgeräte für die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand
- Vierfüßiger „Dreifuß“
- Eine Kugel aus Stahl (11 mm Durchmesser)
- Ein 10x10 cm großes Holzbrett, 13 mm hoch, mit einem Loch (8,1 mm Durchmesser)
Erster Versuch:
Beim ersten Versuchsdurchgang brachten wir an das ca. 10 cm lange Stück Rundstahl Schrumpfschlauch an. Darauf wickelten wir 2 mm dicken, isolierten Kupferdraht (35 Wicklungen). Dabei erleichterte der Schrumpfschlauch das Wickeln, da so der Draht weniger verrutschen konnte. Eine Seite des Stahls blieb auf einer Länge von ca. 10 mm frei. Dieses Endstück steckten wir in die Bohrung des Holzstückes und legten dieses auf den Dreifuß, so dass man die Kugel an der freihängenden Unterseite des Holzbrettes an das Loch, und damit an den Magneten, anlegen konnte.
Zwischen Kugel und Endstück des Magneten sollte ein Abstand von 1 mm sein. Deshalb errechneten wir zuerst, dass die Kugel bei 11 mm Durchmesser in das Bohrungsloch von 8,1 mm Durchmesser 1,78 mm hineinragte und mit den Seiten genau abschloss. Da das Holz eine Dicke von 13 mm hatte, musste der Magnet 10,2 mm in das Loch hineinragen, so dass der 1 mm Abstand zwischen Kugel und Magnet gewährleistet war. Den Magneten richteten wir danach aus.
An die beiden Enden des Kupferdrahtes, bei denen die Isolierung entfernt wurde, schlossen wir die Stromquelle an und stellten fest, dass der Magnet wegen der geringen Wicklungszahl die Kugel nicht halten konnte.
Zweiter Versuch:
Im zweiten Versuchsdurchgang wickelten wir um den Rundstahl lackisolierten 0,5 mm dicken Kupferdraht in mehreren Lagen. Wir schlossen die Stromquelle an und stellten fest, dass der Draht zu schnell heiß wurde. Des Weiteren erforderte der Magnet zum Halten der Kugel 5 Volt/ 3 Ampere. Da sich die Spannung bei den zu dieser Zeit angenommenen 49 in Reihe geschalteten Magneten addiert, hätten wir beim Originalversuch 250 V geglätteten Gleichstrom gebraucht. Da dies sehr viel ist, nahmen wir für den nächsten Versuch dickeren Draht, da dabei der Widerstand verringert wird.
Dritter Versuch:
Für den dritten Versuch wickelten wir 1 mm dicken lackisolierten Kupferdraht in mehreren Lagen um den Rundstahl. Nach dem Anschließen an die Stromquelle stellten wir fest, dass wir die Spannung auf 0,2 Volt und die Stromstärke auf 1,1 Ampere verringern können, ohne dass die Kugel bei leichten Erschütterungen herunterfällt. Zwischen 1,1 und 1,4 A hielt die Kugel gut und der Draht erwärmte sich nicht zu schnell.
Bei 49 Magneten im Originalversuch hätte dieser Aufbau ca. 10 V erfordert, was auch durch eine handelsübliche Autobatterie zu gewährleisten gewesen wäre, falls im Bremer Fallturm keine Stromquelle vorhanden gewesen wäre, die Gleichstrom liefert.
| 1 Magnet | 50 Magnete | |
| Spannung (U) | 0,2 V | 10 V |
| Stromstärke (I) | 1,0 A | 1,0 A |
| Widerstand (R) | 0,2 W | 10 W |
Endergebnis:
Die Versuche zeigten, dass wir einen 1 mm dicken Kupferdraht von 10,35 m für jeweils einen Elektromagneten nehmen mussten. Bei gleich bleibenden Eigenschaften der Kugel und des Magneten hätten wir im Turm ca. 10 V Gleichspannung benötigt. Da wir für einen Magneten 0,09 m Rundstahl und 10,35 m Draht brauchten, ergab sich für 50 Magnete die Menge von 517,50 m Draht und 4,50 m Rundstahl insgesamt.
Nachtrag:
Aufgrund veränderter Versuchsbedingungen im Bremer Fallturm konnten wir die ermittelte Stromstärke und Spannung nicht übernehmen. Die Länge und die Dicke des Kupferdrahtes sowie die Maße des Rundstahles konnten wir jedoch verwenden.