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Formel M - Das Rennen mit der Mausefalle

Formel M 2017 - HSG-Racing-Team ergattert 2. Platz

Am Mittwoch den 22. Februar 2017 war es wieder so weit. Bereits zum 5. Mal fand das sogenannte „Formel-M“-Rennen am HSG statt. Bei dem Rennen treten Teams verschiedener Schulen mit ihren selbstgebauten Autos, welche lediglich von einer Mausefalle angetrieben werden dürfen, an. Ziel ist es, innerhalb einer 1 Meter breiten Fahrbahn die längste Strecke zurückzulegen.

Die Physik-und-Technik-AG, welche von Frau Schumann geleitet wird, hatte bereits letztes Jahr damit begonnen sich auf das Rennen vorzubereiten. Die zehn Schülerinnen und Schüler (Elias Deldjouye Shahir (9e), Laura Kollert (10a), Sonja Lehnhart (10e), Paul Mönch (10e), Benjamin Orlik (9e), Kolya Saß (10e), Helena Schuh (10e), Nadja Spannowsky (10e), Klaus Wiegmann (9e) und Evelyn Wirschke (10d)) teilten sich in zwei Gruppen auf, welche zwei individuelle Autos bauten, um diese anschließend in einem internen Rennen gegeneinander antreten zu lassen. Das Siegerauto des internen Wettkampfs sollte dann beim eigentlichen Rennen starten. Trotz einer langen Vorbereitungszeit gelang es den beiden Gruppen erst kurz vor knapp ihr jeweiliges Auto fertigzustellen. Nachdem das Siegerauto feststand, wurden an diesem noch letzte Vorbereitungen und Feinschliffe für das Rennen vorgenommen. Dazu zählte unter anderem das Design des Autos. Am Tag des Wettkampfs erzielte das „HSG-Racing-Team“ mit einer zurückgelegten Strecke von 20,87 Metern den 2. Platz und musste sich dem Team „REHV“ geschlagen geben, welches mit 23,66 Metern den 1. Platz erreichte. Des Weiteren gelang es dem Team des HSG den Design-Preis zu gewinnen, da die farbenfrohe Gestaltung des Autos die Jury überzeugt hatte. Insgesamt war es ein sehr gelungener und erfolgreicher Tag, den die AG mit zwei Preisen beendete.

Sonja Lehnart für die Physik-und-Technik AG

Cloudwalk – Eine Reise ins All

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Bergung der Nutzlast 1 - Funker-Box

Am Samstag, 03.12.16 gelang es nun, nachdem sich das Laub gelichtet hatte, die letzte Nutzlast zu bergen. Vielen Dank an die Klettergruppe, die sich nach dem Let`s talk about-Abend erneut dazu bereit erklärt hat, einen Versuch zur Bergung zu wagen und an Herrn Zimmermann, der dies koordiniert hat. Wir sind sehr froh, dass nun alle Materialien geborgen werden konnten.

Let`s talk about Cloudwalk

Am Dienstag, 29.11.16 referierten Schülerinnen und Schüler der Physik-und-Technik-AG, sowie Mitglieder der Amateurfunkforschungsgruppe der TU Kaiserslautern und der AG Didaktik der Physik der TU Kaiserslautern zum Start des Wetterballons am HSG.

Zum Vortrag der Schülerinnen und Schüler

Der Starttag

"Am Donnerstag, 01.09.16 war es so weit. Nach langer Vorbereitungszeit ließen wir unseren Wetterballon endlich steigen. Nachdem wir die Box (Messgeräte) am Dienstag weitestgehend fertiggestellt hatten, trafen wir uns am Donnerstag in der ersten Stunde, um die letzten Vorbereitungen zu erledigen. Unter anderem analysierten wir mehrere Wetterprognosen, um die Flugbahn des Ballons zu berechnen. Im Laufe des Vormittags trafen unsere Kooperationspartner ein und wir bereiteten gemeinsam den Start vor. ..."

Sonja Lenhart, Paul Mönch und Nadja Spannowsky im Namen der Physik und Technik AG

Zum vollständigen Bericht

Das Bergungsteam:

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Erste Eindrücke

Wenige Sekunden nach dem Start: Das HSG aus der Vogelperspektive und die Sicht auf Kaiserslautern

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Ausblick aus ca. 30 km Höhe und der Zeitpunkt des Platzens des Ballons in ca. 30 km Höhe

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Es ist so weit!

Der Start verlief reibungslos. In Kürze folgen ein Bericht und Impressionen zum Start und Flug des Ballons und zur Landung und Bergung der Transportboxen.

DIE RHEINPFALZ berichtete: "Der Start war perfekt. Fast senkrecht erhob sich der Wetterballon vom Sportplatz des Hohenstaufen-Gymnasiums (HSG) gestern gen Himmel. Schulleiter Roland Frölich, Schüler, Mitarbeiter des Fachbereiches Physik der Technischen Universität (TU) Kaiserslautern und die zehn Teilnehmer der Technik AG des HSG applaudierten, als der Wetterballon kurz nach 12 Uhr in Richtung Osten Fahrt aufnahm und schnell außer Sichtweite geriet. Erleichtert über den gelungenen Start zeigten sich Nathalie Bell, Lehramtskandidatin und Initiatorin des Projekts, und Daniela Schumann, die Leiterin der Technik AG." (DIE RHEINPFALZ, 02.09.2016)

Artikel der RHEINPFALZ vom 01.019.16

Artikel der RHEINPFALZ vom 02.019.16

Am Donnerstag, 01.09.16 startet um 12 Uhr die "Reise ins All" vom Sportplatz unserer Schule aus. Der Flug des Ballons kann unter der Webseite zur Ballonverfolgung beobachtet werden. Alternativ geht dies auch mit folgendem QR-Code:

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Der Ballon wird ca. eine Höhe von 30 km erreichen, dort platzen und nach einer Flugzeit von ca. 2,5 Stunden landen. Die Schülerinnen und Schüler der Physik und Technik AG werden den Ballon orten, bergen und anschließend zurück zum HSG transportieren. Unterstützt wird die AG hierbei von der Amateurfunkforschungsgruppe der TU Kaiserslautern.

Einen Überblick zum Aufbau des Ballongespannes kann man in folgender Abbildung gewinnen:

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Allgemeine Informationen

Die Physik und Technik AG der neunten und zehnten Klassen des Hohenstaufen-Gymnasiums wird bis zu den Sommerferien ein neues spannendes Projekt in Zusammenarbeit mit einer Lehramtsstudentin, Frau Natalie Bell (TU KL), realisieren.

„Cloudwalk – Eine Reise ins All“ nennen die zehn Schülerinnen und Schüler der AG ihr zukünftiges Projekt, bei dem ein Wetterballon in Höhen von bis zu 30.000 Metern aufsteigen soll. Dabei können atemberaubende Videoaufnahmen, sowie Messungen vom Rande des Weltalls aufgezeichnet werden. Diese werden im Anschluss ausgewertet. Der Bau des Wetterballons soll bis zu den Sommerferien abgeschlossen sein, sodass der Ballon im September starten kann. Das Projekt ist realitätsnah angelegt, sodass die Schülerinnen und Schüler nicht einfach fertige Materialien zusammenbauen, sondern sich auch maßgebliche an der Planung zum Marketing, zu Finanzierungsmöglichkeiten und zu den technische Realisierung beteiligen. Damit sich dieses außergewöhnliche Projekt umsetzen lässt, sind wir auf finanzielle Unterstützung angewiesen. Wir freuen uns daher sehr, dass wir den Fachbereich Physik der TU Kaiserslautern, insbesondere die AG Didaktik der Physik und die Stiftung Pfalzmetall als Kooperationspartner für unsere "Reise ins All" gewinnen konnten. Zusätzlich erhalten wir Unterstützung von der Amateurfunkforschungsgruppe der TU Kaiserslautern, dem Fachbereich Physische Geographie und Didaktik der TU Kaiserslautern, dem deutschen Wetterdienst, dem Landesbetrieb Mobiltät Rheinland-Pfalz, der deutschen Flugsicherung, dem Chemikalienlager der TU Kaiserslautern und Mitgliedern des Studienseminars für RSP in Kaiserslautern. (Su)

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Projekt-Tagebuch

Über den Fortschritt der Arbeit wird im Projekt-Tagebuch der Schülerinnen und Schüler berichtet:

30. August 2016 13.15-17:30 Uhr

"Dies war unser letztes Treffen für abschließende Vorbereitungen für den Start des Wetterballons. Mit Unterstützung von der Funkergruppe von der TU Kaiserslautern und der AG Physikdidaktik bauten wir unsere Transportbox fertig und machten Prognosen zum Flugverlauf des Ballons."

27. Juni 2016 13.15-15:30 Uhr

"An unserem letzten Treffen vor den Sommerferien liefen wir erneut an die Universität, um dort unsere Transportbox zusammenzubauen. Wir durften erstmals alle Messgeräte sehen und erfuhren von Herrn Molz (Doktorand der AG Physikdidaktik) welches Gerät welche Werte messen wird. Mit der Masse der Geräte konnten wir auch die genaue Gewichtsverteilung errechnen und die Sensoren“schutzkäfige“, die benötigt werden, um die Sensoren vor direkter Sonneneinstrahlung zu schützen, bauen. Außerdem legten wir die Kamerablickwinkel fest."

13. Juni 2016 13.15-15:30 Uhr

"Nachdem wir heute nach der Schule zur TU Kaiserslautern gelaufen waren, begannen wir in den Räumen des Fachbereich Physik-Didaktik die Box, in denen die Geräte für die Messungen untergebracht werden, zu bauen. Wir bauen diese aus Styrodur, ein Material, welches Styropor ähnlich ist, aber die Kälte, die den Wetterballon im Himmel erwarten wird, besser isoliert. Außerdem schrieben wir einen Zettel, den wir zur Kontaktinformation für Finder auf die Box kleben werden und wir designten ein Logo für unser Projekt."

23. Mai 2016 14:00-15:30 Uhr

"Bei unserem vierten AG- Treffen erfuhren wir, dass wir mit dem Physikfachbereich der TU Kaiserslautern kooperieren würden und unser Wetterballon mit Smartphones ausgestattet sein würde, die die Messwerte auf einer App und einer Homepage überträgt. Außerdem erreichte uns die erfreuliche Nachricht, dass alle anfallenden Kosten und Materialien von der TU, dem Hohenstaufen-Gymnasium und der Stiftung PfalzMetall abgedeckt werden. Nebenbei fertigten wir Plakate für spätere Präsentationen an. Dabei behandelte ein Teil der Gruppe die thermische Schichtung und die Druckverhältnisse der Erdatmosphäre, die andere beschäftigte sich mit der Zusammensetzung der Atmosphäre, dem Treibhauseffekt und dem Auf- und Abbau von Ozon. Diese erworbenen Informationen sollten uns ein Basiswissen über die Umgebung bieten, die wir mithilfe des Wetterballons „erforschen“ werden."

02. Mai 2016 14:00-15:30 Uhr

"Ziel unseres dritten Treffens war es, die Abhängigkeit der Dichte unseres Wetterballons zu der Dichte der Luft zu ermitteln. Diesbezüglich führten wir einen Versuch durch, bei dem wir drei unterschiedlich gefüllte Luftballons(mit Wasser, Sand und Luft) in ein mit Wasser gefülltes Behältnis legten und die Bewegungen beobachteten. Wir konnten eine Regelung ermitteln, die besagt, dass Gegenstände mit einer geringeren Dichte als das Wasser, aufsteigen (in dem Falle Luft), solche mit einer vergleichbaren Dichte schweben und diese mit einer geringeren Dichte sinken. Aus diesem Versuch konnten wir einen Rückschluss auf unseren Wetterballon ziehen. Dementsprechend muss die Dichte unserer Ballonkonstruktion geringer sein als die Dichte der Luft."

25. April 2016 14:00-15:30 Uhr

"Bei unserem 2. Sitzungstermin überlegte sich die AG gemeinsam mit ihren Leiterinnen, welche Vorbereitungen bezüglich der Konstruktion des Wetterballons getroffen werden müssen. Desweiteren hielten wir unsere Ergebnisvorstellungen fest, die wir mit dem Wetterballon erreichen wollen. Letztendlich kamen wir zu folgendem Plan:

Vorbereitung:

  • 1. Material und Tests
    Die erste Frage, die uns beschäftigte, war die des Aufbaus eines Wetterballons und die dafür benötigten Materialien. Um eine ungefähre Vorstellung zu bekommen, wie so ein Ballon aussieht, schauten wir uns einige Videos auf Youtube an. Hier haben wir jetzt die wichtigsten Materialien aufgezählt:
    Wetterballon, stabiles Transportboxmaterial, Fallschirm, Messgeräte, Kamera, GPS-Geräte/Smartphone, Helium, Akku/Batterien
  • 2. Modellierung und Tests
    Damit der Wetterballon unter Idealumständen fliegen kann, müssen einige Punkte berücksichtigt werden. Mit dieser Aufgabe setzt sich in den folgenden Sitzungen die Modellierungsgruppe auseinander:
    Transportbox (optimale Größe etc.), Neigungswinkel der Transportbox, Abstand Ballon, Fallschirm, Box, Heliummenge, Balance
  • 3. Finanzierung
    Da die Materialien für den Ballon sehr teuer sind, kümmerte sich die Finanzgruppe um einen Finanzplan, die Sponsorensuche und das Anschreiben verschiedener Sponsoren. Letztendlich konnten wir die TU Kaiserslautern, insbesondere den Fachbereich Physikdidaktik und die Stiftung Pfalzmetall als wichtige Sponsoren gewinnen.
  • 4. Marketing
    Die Marketinggruppe ist unter anderem für das Projekttagebuch hier auf der Schulhomepage, aber auch für Foto-und Videomaterial, die Gestaltung der Box und des Logos unseres Projektes, sowie für weitere Artikel (z.B Zeitung, Jahresbericht, HSG-Aktuell etc.) verantwortlich.

Auswertung:

Nachdem diese Vorbereitungen abgeschlossen sind, wird der Wetterballon nach den Sommerferien starten. Mithilfe der GPS-Geräte können wir den Flug des Ballons genau verfolgen und ihn später an seinem Landeort wieder einsammeln. Danach werden wir unsere Ergebnisse auswerten. Dazu gehören Daten- und Bildauswertung, verschiedene Bestimmungen (Flugbahn, maximale Flughöhe, Dicke der Troposphäre). Des weitern möchten wir die Sichtweite am höchsten Punkt berechnen und die Lage der Tropopause ermitteln. Anschließend werden wir verschiedene Diagramme, sowie eine Präsentation und Stellwände erstellen."

18. April 2016 14:00-15:30 Uhr

"Heute starteten wir, die Physik-und-Technik-AG der 9. und 10. Klassen, unser neues Projekt "Cloudwalk-Auf dem Weg ins All". Wir werden einen Wetterballon in Begleitung von Frau Bell, eine Studentin der TU Kaiserslautern, die in Verbindung mit diesem Projekt ihre Abschlussarbeit schreiben wird, bauen. Heute starteten wir mit der Planung für unseren Wetterballon: Wir überlegten was für Material wir brauchen würden, ob wir Testversuche durchführen müssen, wie wir das Projekt finanzieren können und welchen Namen wir ihm überhaupt geben. Zur Auswahl standen "Bird set free", "Cloudwalk", "Spaceflight-Auf dem Weg ins All" und "Spacecam". Nach einer Abstimmung entschieden wir uns für "Cloudwalk-Eine Reise ins All". Schließlich teilten wir uns in drei verschiedene Arbeitsgruppen auf: Die Materialgruppe, die Marketinggruppe und die Finanzgruppe. Die Materialgruppe wird die richtigen Materialien suchen und in Verbindung mit der Finanzgruppe, welche einen Sponsor für unser Projekt sucht, diskutieren wie viel diese Kosten dürfen. Die Marketinggruppe wird Artikel wie diesen hier schreiben, versuchen einen Artikel in der Zeitung zu bekommen und versuchen das Projekt möglichst Publik zu machen."

Bau von Wasserraketen

Als erstes Projekt sollen in diesem Schuljahr Wasserraketen gebaut und ihr Flug physikalisch untersucht werden. Aus der Projektwoche von 2006 steht noch eine selbst gebaute Wasserraketen-Abschuss-Rampe (Sprau) bereit. Mit dieser können die Raketen getestet werden.

Die folgenden Bilder zeigen die Schüler/innen beim Bau der Raketen:
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Analyse des Raketenstarts

Nach erfolgreicher Erprobung der selbst gebauten Raketen, sollen nun einige physikalische Fragestellungen zum Raketenflug untersucht werden. Aus den Versuchen ergeben sich z.B. folgende Fragen:
Abschuss 1Abschuss 2
Urheber Foto: Matthias Sprau - Lizenz: CreativeCommons BY-NC-SA 3.0

  • Was passiert bei einem Raketenstart?
  • Wie lange dauert ein Raketenstart?
  • Mit welcher Geschwindigkeit fliegt eine Rakete los?
  • Welche Höhe erreicht eine Wasserrakete?

Da die Raketen in Sekundenbruchteilen losfliegen, ist ein direktes Beobachten bzw. Messen nicht möglich. Daher wurden die Raketenstarts mit digitalen Kameras aufgenommen. Die angegeben Videos zu den Raketenstarts wurden sogar extra in einem Hochgeschwindigkeits-Modus aufgezeichnet:

  • Video 1 - Raketenstart, Dauer 1 s (Dateigröße: ca. 900 KB)
  • Video 2 - Raketenstart, Dauer 12 s (Dateigröße: ca. 11 MB), gleicher Start wie in Video 1, jedoch können noch die fallenden Wassertropfen beobachtet werden.

Zunächst werden die Videos von der Kamera auf den Rechner überspielt und anschließend die unwichtigen Passagen rausgeschnitten. Dies gelingt äußerst leicht mit dem Programm Avidemux (unter Linux) bzw. VirtualDub (unter Windows). Hier sind noch Hinweise zur Videoanalyse.

Phasen des Raketenstarts:

Betrachtet man das Video 1 mit Avidemux, so kann man Bild für Bild die einzelnen Phasen des Starts gut beobachten:

  • Bild 0 - 11: Der Griff der Grip-Zange wird aus der Ferne durch eine rote Schnur gelöst.
  • Bild 12: Das Wasser beginnt (links unten) aus der Rakete auszutreten.
  • Bild 12 - 17: Die Rakete wird nach oben beschleunigt. Nur wenig Wasser schießt zwischen der Flaschenöffnung und dem Führungsrohr heraus.
  • Bild 18: Die Flasche ist gerade knapp über dem Rohr.
  • Bild 19 - 22: Das Wasser kann nun durch die ganze Flaschenöffnung ausgestoßen werden. Mann sieht schön den Wasserstrahl. Der Wasserstrahl trifft auf das Rohr bzw. auf das vorher ausgestoßene Wasser. Das auftreffende Wasser spritzt nach allen Seiten.
  • Bild 23: Man erkennt nun ein ähnliches Phänomen wie vorher. Das Wasser ist nahezu vollständig aus der Flasche ausgestoßen worden. Nun wird durch den verbleibenden Überdruck auch noch die restliche Luft nach unten beschleunigt. Diese Luft trifft auf den Wasserstrahl und zerstäubt diesen wiederum in alle Richtungen.
  • ab Bild 24: Die restliche Luft wird augestoßen.
  • Bild 27: Die Rakete verlässt den Aufnahmebereich.
Dauer des Raketenstarts:

Im Video 1 beginnt der Start ab Bild 12, Zeit: 0.400 s, mit dem Austreten des Wassers. Nimmt man an, dass die Beschleunigungssphase mit Bild 27 endet, Zeit: 0.900 s, so dauert der Startvorgang nur 0,500 s.

Startgeschwindigkeit der Wasserrakete

Für den ausgewerteten Raketenstart aus Video 1 liegen folgende Werte zugrunde:

  • Die Rakete ist aus einer 500 ml - Flasche gebaut und mit ca. 200 ml Wasser gefüllt.
  • Druck: 7,5 bar!
  • Die Rakete hat eine Gesamthöhe (Flügelspitze - Raketenspitze) von l = 29,0 cm.
  • Kameraeinstellung: Es werden 30 Bilder pro Sekunde aufgenommen.
  • Hochgeschwindigkeits-Modus: Eine Aufnahmezeit von 13 s (reale Zeit) werden von der Kamera in 1 Minute dargestellt. D.h. der Zeitlupen-Faktor beträgt 60/13.
  • Verwendete Kamera: Casio EXILIM High-Speed

Die Videoanalyse mit VIANA (hier: Geschwindigkeit vx wählen) mit der Einstellung von 30 Bildern / Sekunde ergibt folgendes Diagramm:
Auswertung

Urheber Foto: Matthias Sprau - Lizenz: CreativeCommons BY-NC-SA 3.0

Bei t = 0,783 s liest man eine Geschwindigkeit von v = 7 m/s ab. Unter Berücksichtigung des Zeitlupenfaktors berechnet sich die Startgeschwindigkeit aus: v0 = 7 m/s ⋅ 60/13 = 32,3 m/s = 32,3 ⋅ 3,6 km/h

Ergebnis: Die Startgeschwindigkeit der Wasserrakete ist v0 ≈ 116 km/h!

Nimmt man den letzten Messwert, den man dem Video entnehmen kann und rechnet mit v ≈ 8 m/s, so ergibt sich eine Startgeschwindigkeit von v0 ≈ 132 km/h! Also beim Abschießen von Wasserraketen bitte den Kopf einziehen :-).

Tipps zur Videoaufnahme:

  • Möglichst nahe rangehen und nur den wichtigen Bereich aufnehmen (sonst wird das Video für die Auswertung zu unscharf).
  • Kamera ggf. auf ein Stativ stellen und in einer geeigneten Höhe positionieren.
  • Für die Videoauswertung einen kontrastreichen Hintergrund wählen.
  • Vor der Auswertung die Video-Datei nur wenig konvertieren, da sich die Videoqualität verschlechtert.