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Autor: spr 02.03.2011 17:19:18 701	Physik-AG

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:

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:

• 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 v_x wählen) mit der Einstellung von 30 Bildern / Sekunde ergibt folgendes Diagramm:


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.

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