DM280-1F Luftkissenfahrbahn Inhalt
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DM280-1F Luftkissenfahrbahn Die Luftkissenfahrbahn DM280-1F dient zur Demonstration von Versuchen zur Dynamik und Kinematik geradliniger Bewegung fester Körper. Diese Anleitung soll Sie mit der Bedienung und den Demonstrationsmöglichkeiten dieser Luftkissenfahrbahn vertraut machen. Abb. 1 Inhalt I II III IV Etwas Theorie Beschreibung und Aufbau der Luftkissenfahrbahn Zubehör Versuche © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 1 von 12 - I Etwas Theorie Die Kinematik untersucht das „Wie“, den Ablauf der Bewegung, ohne nach dem „Warum“ zu fragen. Dabei werden Bewegungen beschrieben, die sich auf einen festen Bezugspunkt beziehen. Ob sich der Bezugspunkt selber bewegt spielt keine Rolle. Es ist für alle weiteren Überlegungen zweckmäßig, den Erdboden oder den Experimentiertisch als Bezugspunkt zu nehmen. Die Dynamik untersucht die Ursache einer Änderung des Bewegungszustands. Ein Körper ist dann in Bewegung, wenn sich sein Standort in einer bestimmten Zeit verändert. Man unterscheidet die geradlinige Bewegung mit gleich bleibender Geschwindigkeit und mit Beschleunigung. Nach dem Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz lässt sich die Körperbewegung bestimmen. v= ∆s ∆t Ändert sich die Geschwindigkeit ∆v in einem bestimmten Zeitraum ∆t, so ergibt sich für die Beschleunigung: a= ∆v ∆t Das eine Beschleunigung konstant ist, bedeutet, dass die Geschwindigkeit v linear mit der Zeit zunimmt. Wenn zur Zeit t1 = 0 schon eine gewisse Geschwindigkeit v0 vorhanden war, so ist die Geschwindigkeit zur Zeit t2 : v(t) = v0 + a ∗ t2 II Beschreibung und Aufbau der Luftkissenfahrbahn Die Luftkissenfahrbahn besteht aus einem Vierkant-Aluminiumrohr auf dem Kunststoffschlitten gleiten können. Die Luft tritt aus zwei um 1 cm versetzte Lochreihen (D=1 mm, Lochabstand = 20 mm) an den Oberseiten des Aluminiumrohres gleichmäßig aus. (Abb. 2) Abb. 2 (Luftkissenfahrbahn mit den Abmessungen: 2000x250x167 mm) Die eine Seite des Aluminiumrohres ist verschlossen, die andere Seite dient zum Anschluss des Luftstromerzeugers DM700-1G über den Druckschlauch DM705-1S (Abb.3). An beiden Enden befinden sich Befestigungsmöglichkeiten für weitere Vorrichtungen (siehe: III Zubehör). Stellfüße mit Justierschrauben ermöglichen eine genaue waagerechte Ausrichtung (Abb. 4). © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 2 von 12 - Abb. 3 (Luftstromerzeuger DM700-1G und Druckluftschlauch DM705-1S: mit einer Strömungsgeschwindigkeit von max. 25 m/s) Abb. 4 (Justierschrauben) II.I. Allgemeiner Aufbau und Justierung Die Luftkissenfahrbahn besitzt unterhalb der Halterung sieben Justierschrauben. Zusätzlich lässt sich die waagerechte Ausrichtung mittels drei Schrauben an den Stellfüßen verstellen. Die Grundeinstellung der Luftkissenfahrbahn erfolgt, in dem man die Fahrbahn auf eine waagerechte Arbeitsplatte stellt und die Stellschrauben an den Füßen ganz eindreht. Jetzt sollte man mittels Druckluftschlauch (DM705-1S) einen Luftstromerzeuger (DM700-1G) anschließen. Jetzt sollte man einen Schlitten (DM282-1S) aufsetzen und den Luftstrom so einstellen, dass der Schlitten eben schwebt. Eine horizontale Bewegung des Schlittens kann durch eine Veränderung der sieben Justierschrauben ausgeglichen werden. Diese Einstellung sollte man an verschiedenen Stellen der Fahrbahn vornehmen. Nach dieser Grundeinstellung kann eine waagerechte Ausrichtung ausschließlich durch die drei Schrauben an den Stellfüßen verändert werden. III Zubehör Neben dem Luftstromerzeuger und dem Druckschlauch, existiert für die Luftkissenfahrbahn ein reichhaltiges Zubehörsortiment, welches im Folgenden beschrieben wird. © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 3 von 12 - III.I Basis-Set Das Basis-Set (DM280-1K Abb.5) enthält zwei Gleitschlitten, deren Masse man durch Auflegen von Zusatzmassen (DM282-2M Abb.6) erhöhen kann. Ein verstellbarer Endhalter (DM281-7E Abb.7) ermöglicht eine Einstellung der gewünschten Arbeitslänge. Abb. 5 (Basisset und Erweiterungsset) Abb. 6 (Reiter mit Zusatzmasse) Abb. 7 (Aufgesetzter Endhalter) © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 4 von 12 - Eine einstellbare Start-Stoßvorrichtung (DM281-1S Abb.8) ermöglicht einen mehrmaligen kraftgleichen Abstoß eines Gleiters. Diese Vorrichtung ist am Fahrbahnende durch Einstecken leicht montierbar. Abb. 8 III.II Ergänzungsset Das Ergänzungsset (DM280-1Z) enthält unter anderem eine Spule (800 Wdg) sowie einen Eisenkern, so dass ein Schlitten auch elektrisch „gestartet“ werden kann. Abb 9 (Spule mit Anschlussleitungen und Eisenkern) III.III Empfehlenswertes Zubehör Mit den Präzisionslichtschranken (P1320-3LR), der verstellbaren Messstrecke in Verbindung mit dem „inno“ Universalzähler (P3120-2Z) lässt sich eine genaue Quantifizierung von Bewegungsmessungen erreichen (Abb.10 – 12) © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 5 von 12 - Abb. 10 (Präzisionsgabellichtschranke) Abb. 11 (Detailansicht) Abb. 12 (Universal-Zeitzähler „inno“ P3120-2Z mit angeschlossenen Lichtschranke) © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 6 von 12 - IV Versuche IV.I Gleichförmige Bewegung IV.I.I Mittlere Geschwindigkeit für eine vorgegebene Strecke Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und die Stoßvorrichtung eingesteckt. Ein Gleitschlitten (Masse: 70g - ggf. mit Zusatzmassen von je 50 g beschwert) wird an der Stoßvorrichtung aufgestellt. Die Bahn kann mittels Endhalter auf die Fahrlänge eingestellt werden. Durchführung: Eine Stoppuhr wird in Nullstellung gebracht. Bei Abschuss des Gleiters wird die Uhr gestartet. Beim Erreichen des Bahnendes wird die Uhr gestoppt. Messprotokoll: Gesamtmasse des Körpers: Messungsnr. Gesamtlänge des Weges: Zeit Geschwindigkeit m s km h 1 2 3 4 5 Mittelwert IV.I.II Mittlere Geschwindigkeit Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und die Stoßvorrichtung eingesteckt. Ein Gleitschlitten (Masse: 70g - ggf. mit Zusatzmassen von je 50 g beschwert) wird an der Stoßvorrichtung aufgestellt. Die Bahn kann für jede Einzelwegstrecke mittels Endhalter verkürzt werden. Durchführung: Eine Stoppuhr wird in Nullstellung gebracht. Bei Abschuss des Gleiters wird die Uhr gestartet. Beim Erreichen des Endhalters wird die Uhr gestoppt. Messprotokoll: Gesamtmasse des Körpers: Weglänge Zeit Geschwindigkeit m s km h 0,2 m 0,4 m 0,6 m 0,8 m 1,0 m 1,2 m 1,4 m 1,6 m 1,8 m © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 7 von 12 - IV.I.III Mittlere Geschwindigkeit (mit Gabellichtschranke) Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und die Stoßvorrichtung eingesteckt. Ein Gleitschlitten (Masse: 70g - ggf. mit Zusatzmassen von je 50 g beschwert) wird an der Stoßvorrichtung aufgestellt. Die Bahn kann mittels Endhalter auf die Fahrlänge eingestellt werden. Die Gabellichtschranken werden über der Fahrbahn montiert. Die Wegstrecke wird über den Lichtschrankenabstand eingestellt. Auf dem Gleitschlitten wird eine Blende (10 g) eingesteckt, die beim Durchfahren der Lichtschranke den Lichtstrahl unterbricht. Die Umgebungshelligkeit wird mit dem Regler an der Lichtschranke abgestimmt. Die erste Lichtschranke wird mit dem Eingang L1, die zweite Lichtschranke mit L2 des Universal-Zeitzählers verbunden. (Einstellung des Zählers: L1 Start – L2 Stop – siehe Abb.12 und 14) Durchführung: Der Universalzähler wird in Nullstellung gebracht (Reset). Beim Durchfahren der ersten Lichtschranke startet der Zähler, beim Durchfahren der zweiten Lichtschranke stoppt der Zähler. Die Zeit kann am Display abgelesen werden. Abb. 14 Messprotokoll: Gesamtmasse des Körpers: Wegstrecke s Zeit t Geschwindigkeit v m s km h 0,1 m 0,2 m 0,3 m 0,4 m 0,5 m 0,6 m 0,7 m 0,8 m 0,9 m © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 8 von 12 - IV.I.IV gleichförmige Beschleunigung (mit Gabellichtschranke) Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und so aufgestellt, dass die rechte Fahrbahnseite über den Experimentiertisch hinausragt. Ein Gleitschlitten wird mit je einer Zusatzmasse beschwert. An der rechten Seite des Schlittens wird ein Haken (DM281-1H) eingesteckt. Die Umlenkrolle (DM280-1R) wird an der rechten Fahrbahnseite angebracht. Ein Hakengewicht (DM120-1A 2g oder DM121-1A 5g) wird mit einem ca. 250cm langen Schnurstück (P7100-1A) verknotet und die Schnur wird über die Umlenkrolle gelegt und mit dem Haken am Schlitten verbunden. (Siehe Abb. 15) Das Hakengewicht übt auf den Schlitten eine konstante Kraft (2g entspricht ca. 0,02N) aus, mit dem der Schlitten beschleunigt wird. (Bei der beschleunigten Gesamtmasse muss es zur Masse des Schlittens und den Zusatzmassen addiert werden.) Abb. 15 (Gleitschlitten mit montierter Schnur und Umlenkrolle) Die Gabellichtschranken werden über der Fahrbahn montiert. Die zu messende Wegstrecke wird über den Lichtschrankenabstand eingestellt. Auf dem Gleitschlitten wird eine Blende (10 g) eingesteckt, die beim Durchfahren der Lichtschranke den Lichtstrahl unterbricht. Die Umgebungshelligkeit wird mit dem Regler an der Lichtschranke abgestimmt. Die erste Lichtschranke wird mit dem Eingang L1, die zweite Lichtschranke mit L2 des Universal-Zeitzählers verbunden. (Einstellung des Zählers: L1 Start – L2 Stop – siehe Abb.12 und 14) Durchführung: Der Universalzähler wird in Nullstellung gebracht (Reset). Beim Durchfahren der ersten Lichtschranke startet der Zähler, beim Durchfahren der zweiten Lichtschranke stoppt der Zähler. Die Zeit kann am Display abgelesen werden. Die Messung wir mit verschiedenen Abständen der Lichtschranken wiederholt. Messprotokoll: Gesamtmasse des Körpers: Wegstrecke s Zeit t Masse des Hakengewichtes: Geschwindigkeit s v= t m s Beschleunigung a= 2∗s t2 m s2 0,1 m 0,2 m 0,3 m 0,4 m 0,5 m 0,6 m 0,7 m 0,8 m 0,9 m © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 9 von 12 - IV.II Stoßvorgänge Ein Stoß ist eine Wechselwirkung zwischen zwei Körpern, wobei sich beide Körper nach dem Stoß ohne gegenseitige Beeinflussung bewegen. Der Gesamtimpuls ist vor und nach dem Stoß derselbe. IV.II.I Elastischer Stoß Ist ein Stoß elastisch, so bleibt die Energie erhalten. Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und so aufgestellt und die Stoßvorrichtung eingesteckt. Zwei Gleitschlitten werden nach den Abbildungen 16 oder 17 vorbereitet und ggf. mit Zusatzmassen beschwert. Der linke Gleiter wird an der Abstoßvorrichtung aufgestellt. Der rechte Gleiter hinter der Messtrecke für den ersten Gleiter. Abb. 16 (elastischer Stoß mit Gummischnur) Abb. 17 (elastischer Stoß mit Stoßfeder) Vier Gabellichtschranken werden so an zwei Universalzähler montiert, dass der erste Zähler die Durchlaufzeit des ersten Schlittens und der zweite Zähler die Zeit des zweiten Schlittens misst. Der Abstand der Lichtschrankenpaare sollte möglichst gleich sein. Die zu messende Wegstrecke wird über den Lichtschrankenabstand eingestellt. Die Umgebungshelligkeit wird mit den Reglern an der Lichtschranke abgestimmt. Durchführung: Die Messung der Durchlaufzeiten der beiden Schlitten wird gemessen. Dann werden die Gleiter mit Zusatzmassen beschwert. Die Messungen werden mit unterschiedlichen Abschussgeschwindigkeiten wiederholt. (Die Massen der vorbereiteten Gleiter ohne Zusatzgewichte betragen jeweils 90g, die Zusatzgewichte haben je 50g Masse) © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 10 von 12 - Messprotokoll: Abstand des Lichtschrankenpaar 1 s1: Masse des Gleiters 1 (m1) 90 g 90 g 90 g 90 g 190 g 190 g 190 g 190 g Masse des Gleiters 2 (m2) 90 g 90 g 190 g 190 g 190 g 190g 90 g 90 g Abstand des Lichtschrankenpaar 2: s2: Zeit 1 (t1) Zeit 2 (t2) Abschussstärke 1 2 1 2 1 2 1 2 Auswertung: Aus den Abständen der Lichtschranken und den Zeiten wird jeweils die Geschwindigkeiten der einzelnen Gleitschlitten bestimmt. v1 = s1 s bzw. v2 = 2 t1 t2 Im Idealfall würde (Reibungskräfte). m 1 ∗ v1 = m 2 ∗ v2 gelten. Dieses Ergebnis lässt sich jedoch nur annähernd erreichen IV.II.II Unelastischer Stoß Beim unelastischen Stoß ist die kinetische Energie nach dem Stoß geringer als vor dem Stoß. Aufbau: Die Luftkissenfahrbahn wird waagerecht ausgerichtet und so aufgestellt und die Stoßvorrichtung eingesteckt. Zwei Gleitschlitten werden nach Abbildung 18 vorbereitet. Der linke Gleiter wird an der Abstoßvorrichtung aufgestellt. Der rechte Gleiter hinter der Messtrecke für den ersten Gleiter. Abb. 18 (unelastischer Stoß mit Aufstecksatz P1311-2F) Vier Gabellichtschranken werden so an zwei Universalzähler montiert, dass der erste Zähler die Durchlaufzeit des ersten Schlittens und der zweite Zähler die Zeit der beiden verbundenen Schlitten misst. Der Abstand der Lichtschrankenpaare sollte möglichst gleich sein. Die zu messende Wegstrecke wird über den Lichtschrankenabstand eingestellt. Die Umgebungshelligkeit wird mit den Reglern an der Lichtschranke abgestimmt. © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- - Seite 11 von 12 - Durchführung: Die Messung der beiden Durchlaufzeiten wird erfasst. Die Messungen werden mit unterschiedlichen Abschussgeschwindigkeiten wiederholt. (Die Massen der vorbereiteten Gleiter ohne Zusatzgewichte betragen jeweils 90g, die Zusatzgewichte haben je 50g Masse) Messprotokoll: Abstand des Lichtschrankenpaar 1 s1: Masse des Gleiters 1 (m1) 90 g 90 g 90 g 90 g 190 g 190 g 190 g 190 g Masse des Gleiters 2 (m2) 90 g 90 g 190 g 190 g 190 g 190g 90 g 90 g Abstand des Lichtschrankenpaar 2: s2: Zeit 1 (t1) Zeit 2 (t2) Abschussstärke 1 2 1 2 1 2 1 2 Auswertung: Aus den Abständen der Lichtschranken und den Zeiten wird jeweils die Geschwindigkeiten der einzelnen Gleitschlitten bestimmt. v1 = s1 t1 bzw. v2 = Im Idealfall würde (Reibungskräfte). s2 t2 m 1 ∗ v1 = (m 1 + m 2 ) ∗ v2 © NTL Fruhmann – A-7372 Karl - 2005- gelten. Dieses Ergebnis lässt sich jedoch nur annähernd erreichen - Seite 12 von 12 -