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24. Crashtest
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Mit dem Crashtest durch die Dynamik
Dr. Jürgen Godau, Halle (Saale)
Warum werden in Crashtests immer
wieder schöne, nagelneue Autos
auf Testanlagen bewusst zu Schrott
gefahren? Weil die Ingenieure der
Autoindustrie so unter realitätsnahen,
genormten Bedingungen zu wertvollen
Erkenntnissen über die Qualität der
Sicherheit ihrer Fahrzeuge gelangen!
Vom realen Crashtest …
O
V
Ihr Plus:
4–8 Stunden
üspektakulärer Crashtest als Motivation
ümoderne Medien im Schuleinsatz
üanspruchsvolle Schüleraufträge für
„Experten“
üspannende Schüler- und
Lehrerversuche
… zur Teststrecke im Physikraum
Der Beitrag im Überblick
Klasse: ab 9.
Dauer:
Foto: J. Godau
H
C
S
R
Zeigen Sie zwei Filme
zum Thema
(CD-ROM 35)1!
U
A
© ADAC
Steigen Sie anhand des Beispiels
„Crashtest“ handlungsorientiert in die
Dynamik ein. Lassen Sie Ihre Schüler
einen Crashtest im Klassenzimmer mit
ihrem neuen Wissen und Können analysieren, modellieren und simulieren.
I/B
Inhalt:
• Crashtest im Klassenzimmer
• Newton’sche Gesetze der Dynamik
– „lex prima“ (Trägheitsprinzip)
– „lex secunda“ (Aktionsprinzip)
– „lex tertia“ (Reaktionsprinzip)
• Modellieren und Simulieren
1
„Die zweite Haut“ © Adam Opel AG und „Newton in Space“ © ESA
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35 RAAbits Physik Mai 2014
24. Crashtest
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Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise
Fachlicher Hintergrund
I/B
Unter der Überschrift „Axiome oder Bewegungsgesetze“ (AXIOMATA SIVE LEGES
MOTUS) erscheinen die Sätze, die heute
jeder Schüler beherrschen sollte.
Ob es sich um Axiome oder Gesetze
handelt, hat Newton offen gelassen. Das
nämlich hängt vom philosophischen bzw.
didaktischen
Verwendungszweck
ab.
Bauen Sie mit Ihren Schülern ein Theoriegebäude für die Bewegungslehre auf,
dann basiert es auf diesen Axiomen.
U
A
H
C
© Andrew Dunn - www.andrewdunnphoto.com. Lizenz: CC BY-SA 2.0
Die Newton’schen Gesetze der Bewegungslehre gehören zum Kern eines jeden Lehrplans
Mechanik. Daher erübrigen sich tief greifende Bemerkungen zum fachlichen Inhalt. Wir
folgen dem Motto „back to the roots“. Selbige gehen bis ins Jahr 1687 zurück. In diesem
Jahr legte Newton sein Hauptwerk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“
(PHILOSOPHIAE NATURALIS PRINCIPIA MATHEMATICA) der Royal Society als Manuskript
vor.
Titelblatt von Newtons Hauptwerk
© Library of Congress
S
R
O
V
Mit der in diesem Beitrag vorgeschlagenen Vorgehensweise erarbeiten wir
anhand der Untersuchungen allgemeine,
wesentliche, objektive und wiederholbare
Zusammenhänge, die in Gesetzesaussagen münden.
Für uns sind Newtons ursprünglich in
lateinischer Sprache verfassten Sätze also
„die Bewegungsgesetze“.
Newtons „Bewegungsgesetze”
LEX I
Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum,
nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare. (original Newton,
Isaac)
LEX II
Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam
rectam qua vis illa imprimitur. (original Newton, Isaac)
LEX III
Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones
in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi. (original Newton, Isaac)
35 RAAbits Physik Mai 2014
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24. Crashtest
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Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz
Allg. physikalische
Kompetenz
I/B
F 1, F 2, F 4
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Anforderungsbereich
Die Schüler …
II
… untersuchen, beschreiben und sagen Bewegungen von Körpern vorher, schließen aus der
Bewegungsänderung eines Körpers auf das Wirken
einer Kraft und charakterisieren diese Kraft unter
Einbeziehung der Newton’schen Gesetze,
III
E 7, E 9, E 10
… führen selbstständig Experimente nach schriftlicher Anleitung durch und werten sie aus,
II / III
K 5, K 7
… interpretieren Diagramme und diskutieren das
Vorgehen zur Lösung physikalischer Probleme und
die Arbeitsergebnisse,
I
B 2, B 3
U
A
… begründen Verhaltensregeln und Verordnungen
im Straßenverkehr mithilfe der Newton’schen
Gesetze.
II
III
H
C
Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie
auf der beiliegenden CD-ROM 35.
Mediathek
S
R
Literatur
Gálvez, Christián: 30 Minuten Storytelling. Gabal Verlag. Offenbach 2009, 79 S.
Godau, Jürgen: Knautschzonen retten Leben (I). Physik in der Schule 1996 (9). S. 329–334
Godau, Jürgen u. a.: Knautschzonen retten Leben (II). Physik in der Schule 1996 (10).
S. 359–362
O
V
Herbst, Dieter: Storytelling. UVK-Verlagsgesellschaft. Konstanz 2011, 206 S.
Newtono, Isaaco: Philosophiae naturalis principia mathematica. Editio tertia. Regis Societatis typographos. Londini 1726, S. 13–14
Recknagel, Alfred: Physik Mechanik. Verlag Technik. Berlin 1965, S. 303
Schüller, Volkmar: Die mathematischen Prinzipien der Physik. Walter de Gruyter. Berlin,
New York 1999. S. 33–34
35 RAAbits Physik Mai 2014
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24. Crashtest
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Materialübersicht
 V = Vorbereitungszeit
 D = Durchführungszeit
M1
I/B
Ab
 V:
M3
5 min
LV, SV
 V: 20 min
SV, LV
 V: 10 min
LV
 V:
5 min
Ab, SV
 V:
SV
5 min
5 min
 V: 10 min
 D: 20 min
M8
 verschiedene Untergründe
zum Ausrollen
 Gegenstand, Hindernis (Klotz)
U
A
 schiefe Ebene
 Wagen, Kugel, Rolle
 Messlineal, Stoppuhr
H
C
 schiefe Ebene
 Wagen (Kugel, Rolle)
S
R
 verschiedene Untergründe
 Federkraftmesser (100 mN)
 Messtabelle aus M 3 und M 4  Luftballon
 Luftkissenfahrzeug
 Video der ESA
(Eigenbau M 6)
→ Abschnitt „Trägheit“ (5:15 min)
„Luftkissenfahrzeug“
a) Bastelanleitung
b) Bastelbogen
 D: 30 min
LV
 Dummy (kleine Puppe,
Figur)
 Knautschzonenmaterialien
 PowerPoint-Präsentation
von CD-ROM 35
Die Ursache für das Abbremsen – das Wechselwirkungsprinzip
O
V
 V:
M7
Videokamera (digital)
Videobearbeitungssoftware
Luftkissenbahn mit Gleiter
Stativmaterial
Wenn wir nur nicht so träge wären! – Trägheitsprinzip
 D: 45 min
M6
Crashtest im Physikraum: Wie weit fliegt ein Dummy?
Das Wechselwirkungsprinzip: Ursachen genauer betrachtet
 D: 15 min
M5
 Video „Die zweite Haut“
(14:32 min)

(Projektwoche) 

 D: 45 min

 D: 30 min
M4
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
Fo = Folie
Ausflug in die Geschichte – Automobilbau gestern und heute
 D: 45 min
M2
SV = Schülerversuch
LV = Lehrerversuch
LV
 V: 10 min
 D: 20 min
35 RAAbits Physik Mai 2014
 Pappe (1x glatt und 1x dick)
 Klebstoff (Alleskleber)
 Stopfnadel, Stricknadel
 Luftballon
 Zeichengeräte
 Schere, Nähnadel
Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (1)
 Druckkraftmesser
 Lineal
 Luftkissenbahn mit Gleiter
 Stativmaterial
Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (2)
 Druckkraftmesser
 Waage
 Luftkissenbahn mit Gleiter
 Stativmaterial
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24. Crashtest
M 9a
LV
 V: 10 min
 D: 20 min
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Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter?
a) Crashdauer
 Luftkissenbahn mit Gleiter
 Stativmaterial
 elektronische Uhr (∆t = 0,01 s)
zur Kontaktzeitmessung
 leichter (dünner)
Kupferdraht
 Knautschzonen hart z. B. massive Vorderfront, federnd z. B.
[Ring-]Feder, verformbar z. B. Aluminiumfolie (dünn)
M 9b
LV
 V: 10 min
 D: 20 min
M 10
SV, LV
 V: 5 min
 D: 45 min
M 11
SV, LV
 V: 5 min
 D: 25 min
I/B
Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter?
b) Kraftwirkungen
 Luftkissenbahn mit Gleiter
 Stativmaterial
 Computerinterface mit
Kraftsensor
U
A
 Knautschzonen hart z. B. massive Vorderfront, federnd z. B.
[Ring-]Feder, verformbar z. B. Aluminiumfolie (dünn)
Modellierung eines Crashs (für Experten)
 PC mit Beamer
 Modellierungssoftware
(bei Demonstration)
z. B. Dynasys, Moebius,
Yenka
 Computerkabinett
(bei selbstständigem Arbeiten
 Computeralgebrasystem
der Schüler)
z. B. Mathematica
 Tabellenkalkulationssoftware
z. B. Excel
S
R
H
C
Simulation
 Software aus M 10
 Modellierungsdatei aus M 10
O
V
 PC mit Beamer
(bei Demonstration)
 Computerkabinett
(bei selbstständigem
Arbeiten der Schüler)
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 24.
zur Vollversion
35 RAAbits Physik Mai 2014
24. Crashtest
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M1
Ausflug in die Geschichte – Automobilbau gestern und heute
Recherchiere zur Geburtsgeschichte des Automobils.
1. Wann wurde das erste Automobil zum Patent angemeldet?
Wie viele Räder hatte dieses Fahrzeug?
Jahr der Patentschrift:
Anzahl der Räder:
Der Ingenieur, der die Patentschrift einreichte,
Tipps
ist Carl Benz aus Mannheim.
Das Fahrzeug hieß damals auch „Tricycel“.
U
A
Ford Modell T Baujahr 1908
2. Ein zweiter bekannter Automobilpionier ist Gottlieb Daimler aus Cannstatt bei Stuttgart. Er baute etwa zeitgleich selbst konstruierte Motoren in Fahrzeuge ein.
Wie viele Räder sind bei seinen Fahrzeugen zu inden?
H
C
3. Berühmt wurden diese Automobilpioniere erst etwa drei Jahre später. In diesem Jahr
fand eine Weltausstellung in Paris statt. Beide Ingenieure stellten ihre Fahrzeuge aus.
In welchem Jahr war diese Weltausstellung?
Welches „Gebäude“ wurde zur Weltausstellung errichtet?
S
R
Dieses „Gebäude“ ist noch heute eine berühmte Sehenswürdigkeit in Paris.
Lies dir die kommenden Fragen schon einmal durch.
Zum Film
O
V
Schau dir den Film aufmerksam an. Beantwortet die Fragen anschließend in Partnerarbeit.
4. Wie nennen die Prois die „Testpersonen“ beim
Crashtest?
5. Wie lange dauert ein Crash?
6. Mit welchen Hilfsmitteln analysieren die Testingenieure
den Crashablauf?
Im Film werden verschiedene Fahrzeugteile betrachtet,
die der passiven Sicherheit dienen.
© ADAC
I/B
From the collections of The Henry
Ford
Aufgaben
ADAC-Crashtest
7. Was versteht man unter „passiver Sicherheit“?
8. Zähle mindestens drei Fahrzeugteile auf, die für passive Sicherheit im Auto sorgen.
Bei der Analyse des tatsächlichen Unfallgeschehens wurden vier typische Situationen beschrieben.
9. Nenne diese vier Unfalltypen.
10. Welche beiden physikalischen Größen werden zum Ende des Films als entscheidend
für das Verletzungsrisiko herausgestellt?
35 RAAbits Physik Mai 2014
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I/B
Tests verschiedener Knautschzonen und Beispiele aus der Videoanalyse
Schaumgummi
U
A
federnder Ring
H
C
Ring mit Knetmasse gefüllt
Einfluss der Knautschzonen auf die Flugweite des „Dummys“ (Beispiele aus der Videoanalyse); erstes Bild nach dem Aufprall. Die Pfeile demonstrieren die Flugweite
des Dummys (unscharfer, weißer Fleck).
24. Crashtest
S
R
O
V
12 von 44
35 RAAbits Physik Mai 2014
M2
zur Vollversion
24. Crashtest
M6
17 von 44
„Luftkissenfahrzeug“
b) Bastelbogen
in Originalgröße
Durchmesser
10 cm
I/B
Einstichstelle
U
A
„Luftkissenfahrzeug“
H
C
S
R
5 cm × 5 cm
unten
Rohransatz
Klebefalz
Klebestellen
O
V
Bodenpappe
1,5 ×
5 cm
1,5 ×
5 cm
Durchmesser
10 cm
Stabilisierungskreuz
∅ 1,7 cm
Beschwerungsscheiben (1–3 Stück)
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35 RAAbits Physik Mai 2014
24. Crashtest
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M7
Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (1)
Zusammenhang: Bremskraft und Aufprallgeschwindigkeit
Lehrerversuch
I/B
 Vorbereitung: 10 min
Materialien
Durchführung: 20 min
 Druckkraftmesser
 Lineal
 Luftkissenbahn mit Gleiter
 Stativmaterial
Versuchsaufbau
h
3N
U
A
Versuchsdurchführung
In diesem Versuch wird ein Gedankengang aus M 5 aufgegriffen. Dort hatten wir festgestellt:
H
C
„Beim letzten Teilversuch (Wagen prallt auf Klotz) tritt die größte Kraft auf.“
Wir wollen jetzt ermitteln, wie groß diese Kraft ist und was ihre Größe beeinflusst.
– Aufbau einer schiefen Ebene (z. B. Luftkissenbahn) mit Druckkraftmesser am unteren
Ende als Aufprallpunkt (siehe Skizze)
S
R
– Durch verschiedene Neigungen wird die Aufprallgeschwindigkeit (vAufprall) variiert.
– Der Druckkraftmesser ermittelt die maximale Bremskraft Fmax, die zum Abstoppen auf
null erforderlich ist.
Aufgaben
O
V
1. Überlegt, wie wir aus der Starthöhe des Fahrzeugs die Aufprallgeschwindigkeit errechnen können.
Beim Start hat das Fahrzeug Lageenergie. Beim Herunterfahren wird diese Energie
immer kleiner (Höhe nimmt ab). Wo ist die Energie hin?
2. Erstellt ein Versuchsprotokoll, bei dem folgende Punkte wichtig sind:
– Skizze zum Versuchsaufbau
– zu messende Größen:
Höhe, maximale Bremskraft
– zu ermittelnde Größen:
Aufprallgeschwindigkeit, Geschwindigkeit nach dem Aufprall,
Bremsverzögerung
Die Bremsverzögerung (negative Beschleunigung) gibt an, wie stark ein Fahrzeug abgebremst wird.
– Darstellung der Größen: Bremskraft und Verzögerung (Geschwindigkeitsdifferenz)
– eigene Formulierung des Zusammenhangs zwischen Bremskraft und Verzögerung:
35 RAAbits Physik Mai 2014
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24. Crashtest
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Diagramm deutet die Trendlinie auf einen proportionalen Zusammenhang.
3
Kraft
Kraft F
F[in
in N]
N
2,5
400; 2,35
I/B
2
300; 1,85
1,5
200; 1,35
1
100; 0,75
0,5
0; 0
0
0
100
200
U
A
300
400
Masse m in g
500
Masse m [in g]
In der Tabelle kann über das Errechnen der Quotienten der Proportionalitätsfaktor numerisch bestimmt werden. Auch der Anstieg der Trendlinie kann genutzt werden [siehe auch
Excel-Datei zu Material M 8 auf CD-ROM 35].
H
C
M 9 Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter?
a) Crashdauer
S
R
Dieser Versuchsaufbau ist gut geeignet, um das Schülerwissen zum 2. Newton’schen
Gesetz immanent zu festigen. Der Versuch verlangt neben dem Verständnis des
Versuchsaufbaus auch funktionales Denken. Bei der Impulsgebung im Unterrichtsprozess operieren Sie je nach Rahmenrichtlinie oder Lehrplan mit und auch ohne Verwendung der Begriffe Kraftstoß und Impulsänderung.
Dieser Weg zur „guten Knautschzone“ schließt gedanklich unmittelbar an die Versuche
zum Wechselwirkungsgesetz an. Starke Wechselwirkungen z. B. auf dem Langhaarteppich erzeugten große Bremskräfte und führten zu einem örtlich und zeitlich verkürzten
Bremsvorgang. Dagegen hatten wir bereits dort bei langen Bremsvorgängen nur kleine
Bremskräfte gemessen.
Lösungen
O
V
1. 2. Newton’sches Gesetz (Grundgleichung der Mechanik):
Definitionsgleichung der Beschleunigung a =
Umstellen
2. konstante Größen:
∆v
∆t
→
F = m⋅a
F=
m ⋅ ∆v
∆t
F ⋅ ∆t = m ⋅ ∆v
→
„Kraftstoß = Impulsänderung“
m und ∆v
→
Impulsänderung
→
Kriterium für die Verletzungsgefahr beim
Crash
gemessene Größe:
∆t
offene Größe:
F
3. Tabelle:
Knautschzone
35 RAAbits Physik Mai 2014
Bremszeit
∆t [in s]
Rangfolge nach
der Zeit
Rangfolge nach
Verletzungsrisiko
Qualität
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24. Crashtest
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M 9
Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter?
b) Kraftwirkungen
Die bei diesem Versuch praktizierte Kraftmessung führt direkt zum Entscheidungskriterium für die Einschätzung des Verletzungsrisikos. Große Crashkräfte (Bremskräfte)
erhöhen das Risiko von ernsthaften Schäden am menschlichen Körper. Damit ist bei
dieser Vorgehensweise die Qualitätsbeurteilung der „konstruierten“ und getesteten
Knautschzonen einfacher.
I/B
Die didaktische Zielstellung (Festigung durch Anwendung) geht über diesen unmittelbaren Schluss (Kraft → Risiko) hinaus. Daher folgen zur Verbesserung des Verständnisses des 2. Newton’schen Gesetzes und der darin enthaltenen funktionalen Zusammenhänge zwei weitere Aufgabenstellungen. Sie werden hier zu Motivationszwecken
mit „Für Experten“ tituliert.
U
A
Lösungen
1. + 2. + 4.
(für Aufgabe 1)
Knautschzone
(für Aufgabe 2)
Crashkraft
Fmax [in N]
Rangfolge nach
Verletzungsrisiko
(für Aufgabe 4)
H
C
Kurve
Crashzeitraum
∆t [in s]
2. Entscheidungskriterium = Crashkraft → große Kraft = großes Risiko für Verletzungen
S
R
O
V
gute Knautschzone im Versuch
Fotos: J. Godau
3. Schlechteste Knautschzone im Versuch: Es ist keine sichtbare Verformung zu erkennen.
Beste Knautschzone im Versuch: Man erkennt deutlich sichtbare Verformungen; diese
Verformungen bleiben nach dem Crash erhalten.
schlechte Knautschzone im Versuch
Für Experten
4.
Knautschzone
Harte
Fahrzeugkante
Ringfeder
Aluminiumfolie zu
einer Röhre geformt
35 RAAbits Physik Mai 2014
Crashkraft
Fmax [in N]
2,5
1,3
0,3
Rangfolge nach
Verletzungsrisiko
3
(hoch)
2
1
(gering)
Kurve
Crashzeitraum
∆t [in ms]
A
50
B
130
C
200
zur Vollversion