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- Kinderfachhochschule -
Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011
(Mai bis Juli 2011 – 10 Termine)
1. Kennenlernen und Sicherheit
2. Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern)
3. Mechanik: Schaltung
4. Mechanik: Hydraulik
5. Mechanik: Federung und Kreisel (mit Fahrrädern)
6. Elektrizität und Optik
7. Akustik: Wind und Klingeltöne
8. Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion
9. Aerodynamik
10. Ernährung, Energie, Training, Ergometer
Frank Kameier
09.03.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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FEDERUNG
http://www.hpvelotechnik.com/images/presse/scorpionfs/Scorpion_fs_federung_vr_detail.jpg
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
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Federarten
Druckfeder
Zugfeder
Siehe Aufgabe 1
http://de.wikipedia.org/wiki/Feder_(Technik)
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
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Wo findet man Federungen am
Fahrrad?????
Druckfedern
Luft als
Federung
http://www.nostalgic-images.co.uk/Application/images/Pashley/pashleyroadster-lg.jpg
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
Siehe
Aufgabe 2
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Kleines Experiment
zur Luftfederung
Material : Spritze
Eva Terbrack
Ablauf:
Jedes Kind bekommt eine Spritze, dann drückt es den Daumen
fest auf die Öffnung der Spritze und drückt den Kolben dagegen.
Grund:
Bei diesem Versuch sehen die Kinder, dass sich die Luft bei
Druck komprimiert und nachher wieder ausdehnt. Mit diesem
Versuch verdeutlicht man den Kindern die Luftfederung vom
Reifen am Fahrrad.
Siehe Versuch 1
Mechanik 1.2.2011
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Luft als Federung ?
•
•
Luft wird bei Druck auf einen kleineren Raum
zusammen gedrückt.
Bei wegnehmen des Druckes, dehnt die
Luft sich wieder aus.
http://zoom.walz.de/fsicache/erezplain?tmp=560&src=images/softbrix/KI/857/857769.tif
Siehe Aufgabe 3
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
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Weiteres kleines Experiment
zur Luftfederung für Zuhause
Material: - Ball
- Kühlschrank
Ablauf:
Grund:
Eva Terbrack
Der Ball wird zuerst auf seine Sprungkraft getestet.
Danach wird er für eine halbe Stunde in den Kühlschrank
gelegt
und noch ein weiteres mal auf seine Sprungkraft
überprüft.
Die Kinder sehen bei diesem Versuch, dass der Ball, wenn
er kalt ist, nicht so gut springt . Hier wird also deutlich
gemacht, dass Luft sich in kalter Umgebung nicht so viel
ausdehnt , wie in warmer.
Siehe Versuch 2
Aus diesem Grund springt der Ball nicht mehr so gut.
Aufgabe 4
Mechanik 1.2.2011
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Federkonstante
Formel :
Federkonstante(N/m)= Kraft(N=kg*m/s²)/Strecke(m)
D=F/s
Kraft(F)= Masse(kg) x Erdanziehungskraft(m/s²)
F= m x g
Beispiel:
Druckfeder
http://www.mathehotline.de/physik4u/hausaufgaben/messages/24/3030.jpg&imgrefurl
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
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Federwaage
Material: - Gebaute Federwaage
- Gewichte
Ablauf:
Grund:
Eva Terbrack
Es werden drei Gruppen gebildet und jede Gruppe erhält
verschiedene Gewichte. Nun müssen die Gruppen die
Gewichte an die Federn hängen und in einem Diagramm die
Werte, die sie ermitteln, eintragen. Außerdem muss jede
Gruppe die Federkonstante der Feder berechnen.
Die Kinder lernen hier den Umgang mit Diagrammen in
Verbindung mit dem Thema „Federung“.
Sie werden auch mit der wichtigsten Rechnung
bezüglich Federung vertraut gemacht, nämlich die
Berechnung der Federkonstante.
Mechanik 1.2.2011
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Diagramm
Im Diagramm werden die
Daten auf den Pfeilen
eingetragen.
Eva Terbrack
Mechanik 1.2.2011
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http://www.labbe.de/zzzebra/index.asp?themaid=543&titelid=3487
Frank Kameier
Mechanik 08.04.2011
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Umut Yaya
Kreiseleffekt 10.02.2011
1
Sattel
2
Rahmen
3
Lenker
4
Bremshebel
5
Scheinwerfer und Frontreflektor
6
Schutzblech
7
Vorderradbremse
8
Felge
9
Speichenreflektor
10
Reifen
11
Speichen
12
Gabel
13
Pedalrückstrahler
14
Tretkurbel
15
Pedal
16
Tretlager
17
Kette
18
Kettenschaltung mit Umwerfer
19
Hinterradbremse
20
Rücklicht mit Rückstrahler
21
Roter Heckreflektor
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Was versteht man unter dem Kreiseleffekt beim Fahrradfahren?
Kreisel
Unter einem Kreisel versteht man in der Physik einen Körper, der um eine Achse rotiert,
sich ansonsten frei bewegen kann oder auch an einem Achsenende oder beiden mehr
oder weniger festgehalten wird.
Im physikalischen Sinne ist ein rotierender starrer Körper ein Kreisel.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 10.02.2011
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Der Kreisel als Spielzeug:
Der Kreisel ist eines der ältesten Spielzeuge, entdeckt
wurde es gar an archäologischen Fundstellen.
Das Spielzeuge kann durch eine schnelle Drehung
dazu bewegt werden, dass es sich auf seiner Spitze
aufrecht hält.
Das Verhalten des Spielzeugkreisels beruht auf
dem gyroskopischen Effekt.
Der gyroskopische Effekt ist eine Art
Selbststeuerungseffekt, hierbei sind Geschwindigkeit,
Gewicht und Größe die wichtigen Faktoren.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 10.02.2011
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- Kinderfachhochschule Geschwindigkeit / Gewicht / physikalische Größen:
Der Drehimpuls steigt mit Zunahme von Gewicht und
Geschwindigkeit.
der Radius r, die Geschwindigkeit v und der
D r I
I  mv
Impuls I sind Größen mit einer Richtung
Bei hohem Drehimpuls schafft es der Kreisel auch bei Störungen,
wie z.B. Unebenheiten, einem Luftstoß oder dergleichen sich
wieder in die aufrechte Lage zu bringen.
Mit der „Rechte-Hand-Regel“
kann die Richtung des
Drehimpulsvektors durch die
Daumenrichtung bestimmt
werden.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 07.04.2011
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- Kinderfachhochschule Drehimpuls:
Drehimpuls
Drehimpuls beschreibt den "Drehzustand" eines Körpers. Man nennt ihn
auch „Drall“.
Mathematisch betrachtet ist der Drehimpuls I das Kreuzprodukt eines
Ortsvektors r mit dem Impuls I .
Der Impuls ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit.
Der Drehimpuls wächst mit:
-höherer Geschwindigkeit,
- größerer Masse
- größerem Abstand zur Drehachse
Einheiten:
- Drehimpuls = kg m² /s = Newton*m* s = Joule * s
- Masse = kg Kilogramm
- Radius = m  Meter
- Geschwindigkeit = m/s Meter pro Sekunde
Umut Yaya
Kreiseleffekt 07.04.2011
Impuls
m=Masse
I= m*v
V=Geschwindigkeit
www.schdammdischla.de/Root/Fahrphysik-Dateien
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- Kinderfachhochschule Der Kreiseleffekt und der gyroskopische Effekt beim Fahrradfahren:
Durch das Drehen der Räder entsteht ein Schwung des ganzen Fahrrades und dann erst ist ein
stabiles Gleichgewicht möglich.
Der Fahrer führt gewohnheitsmäßig kleine Korrekturbewegungen aus – Gewichtsverlagerungen
des Körpers und kleine Lenkbewegungen –, um sein Gleichgewicht nicht zu verlieren.
Der gyroskopische Effekt hat zur Folge, dass man mit einem Zweirad auch freihändig fahren kann.
Durch Gewichtsverlagerung wird das Rad aktiv leicht zur Seite gekippt. Der Gyroskopische Effekt
wandelt diese Kippbewegung am Vorderrad in eine Drehung um das Lenkrohr um. Auf diese Weise
wird der Lenker bewegt, ohne von den Händen geführt zu werden, und man kann das Rad aufrecht
halten.
Ohne Bewegung (Fahrt) führt eine geringe Neigung zum Umkippen.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 07.04.2011
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Laufräder als Kreisel – freihändiges Fahren:
Bei zunehmender Geschwindigkeit haben sowohl Lenkbewegungen als auch
Körperschwerpunktverlagerungen (Balancieren) eine untergeordnete Bedeutung.
Das gilt grundsätzlich ab einer Geschwindigkeit von 20 km/h für die
Geradeausfahrt wie für Kurven.
Der Beitrag der rotierenden Laufräder als Kreisel zur Stabilisierung der Fahrt liegt
darin, die zuvor geschilderten nötigen Lenkausschläge zu unterstützen bzw. beim
Freihändigfahren auszulösen.
Kleine, notwendige Korrekturen werden bei der Geradeausfahrt „automatisch“
ausgelöst als auch die länger aufrechtzuerhaltenden Lenkausschläge bei
Kurvenfahrten.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 07.04.2011
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Warum sind Radrennbahnen schräg?
überhöhte Bahn
… weil ständig in der Kurve gefahren wird!
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
Frank Kameier
07.04.2011
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- Kinderfachhochschule Mit welchem Fahrrad kann man leichter freihändig fahren?
schwarz = Rennrad
blau = Reiserad
http://www.fahrradmonteur.de/fahrradtypen.php
Frank Kameier
07.04.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Eine Kurve wird nicht durch ein Lenken in die gewünschte Richtung
eingeleitet.
Die Kurvenfahrt
Laufradspuren auf Sand oder Schnee zeigen, dass zunächst eine
leichte Lenkbewegung in die entgegen gesetzte Richtung erfolgt.
Schlüge man einfach nach links ein, bewegte sich die Auflagefläche
des Reifens nach links unter dem Schwerpunkt weg, so dass die
Schwerkraft ein Kippen nach rechts bewirken würde.
Um die Kurve zu fahren, ist aber grundsätzlich eine Neigung in die
gewünschte Kurvenrichtung, in diesem Falle nach links, notwendig.
Um das Rad in diese Schräglage zu bringen, muss es zunächst durch
eine der gewünschten Richtung entgegen gesetzte (kurze und
leichte!) Lenkbewegung zum Kippen gebracht werden.
Umut Yaya
Kreiseleffekt 07.04.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Physik des Kreiseleffekts beim Fahrradfahren auf einem Rollentrainer
http://www.fahrrad.de/
Sanje Kapoor/Juri Jelinek
Leistung 16.02.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Versuchsaufbau
Benötigt werden:
Kind
Fahrrad 24 Zoll
Fahrrad - Helm
Rollentrainer
Ein Erwachsener
3 x 3m Platz
Flaschen mit Wasser und Becher
Sanje Kapoor/Juri Jelinek
Leistung 16.02.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Gyrotwister
• Aufforderung an das Kind, die gyroskopische Kraft zu
spüren.
• Nachfragen ob das Kind Erfahrung mit einem Gyrotwister
bereits hatte.
• Ermutigung des Kindes durch die Kraft des Kreiseleffekts
den Rollentrainer zu testen.
http://www.amazon.de/GyroTwister
Sanje Kapoor/Juri Jelinek
Leistung 16.02.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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• Der Rollentrainer wir aufgebaut und das Kind mit der
Mechanik von diesem vertraut gemacht. (Wie wird das
Vorderrad angetrieben)
• Das Kind zieht den Helm auf und wird anfangs von einem
Erwachsenen gestützt, um eine ausreichende
Geschwindigkeit zu erreichen, (ca. 20 Km/h). Die
Versuchsperson muss kräftig treten, um schnell genug zu
werden. Die Geschwindigkeit muss gehalten werden.
• Daher sollte immer ausreichend Wasser zur Verfügung
stehen, um den aufkommenden Durst stillen zu können.
Sanje Kapoor/Juri Jelinek
Leistung 16.02.2011
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Setzt man einen Kreisel schräg auf, würde er infolge der Schwerkraft umkippen, wenn
er nicht rotierte. Dieses „Kippmoment“ (analog F1) bewirkt bei einem rotierenden
Kreisel, dass seine Drehachse aufgrund der Ausweichbewegung (durch F2) eine
Bewegung ausführt, die Präzession.
http://de.wikipedia.org/wiki/Pr%C3%A4zession
- Kinderfachhochschule Warum fällt ein Fahrrad beim Fahren nicht um?
(http://frag.wikia.com/wiki/Warum_f%C3%A4llt_ein_Fahrrad_beim_Fahren_nicht_um)
Das mit dem gyroskopischen Effekt ist Quark. Wenn das so wäre würde das Fahrrad halt einfach langsam umfallen. Der gyroskopische Effekt spielt zwar eine Rolle, nervt aber
eher beim Fahrradfahren (beim Lenken). Das Fahrradfahren ist ein Zustand des permaneten Fallens, dem durch gegenlenken entgegengewirkt wird. Würde das mit dem
gyroskopischen Effekt stimmen, dann könnte man auch in Strassenbahnschienen prima fahrradfahren. Wenn man die Kurve zu schnell nimmt ist die Schräglage zu hoch und
man rutscht weg, wobei man sofort umfällt. Hätte man im Fahrrad sehr schwere schnell drehende Räder - so daß man einen starken gyroskopischen Effekt hätte, dann würde
man ohne zu kippen, bzw. sehr langsam kippend zur Seite rutschen. Die nun folgende Erklärung wegen des gyroskopischen Effekts höre ich sehr oft. Sie ist aber bei
Betrachtungen zur Physik des Fahrradfahrens eher vernachlässigbar.
Im Stand ist das Rad ein "metastabiles System". Dass heißt, dass es zwar theoretisch unendlich lange stehen könnte, aber nur, wenn absolut keine Störungen auf das Rad
einwirken. Da dies in der Realität niemals der Fall sein wird, kippt es um.
In der Bewegung jedoch haben die rotierenden Räder ein dynamisches Drehmoment, welches als Vektor gesehen nach links (wir gehen mal von einem vorwärts fahrenden Rad
aus) in Richtung der Radachse zeigt. Um dieses Moment in Richtung Boden zu kippen, müsste man das Rad rechts herum um eine vom Boden senkrecht in Richtung Himmel
zeigende Achse drehen - also mit einem anderen Moment kombinieren, welches in etwa senkrecht in den Boden zeigt. Alternativ kann man auch eine Kraft anwenden, welche
ein solches Moment erzeugt - z.B. eine Lenkkraft. Wer auf einem Fahrrad fährt kann das gerne einmal probieren, indem er einfach bei voller Fahrt den Lenker nach rechts reißt
- In diesem Falle wird es auf der linken Seite zu einem schmerzhaften Bodenkontakt kommen. Aus diesem Grund muss man mit dem Fahrrad langsamer fahren, wenn man
enge Kurven fahren will.
Das Drehmoment ist auch der Grund dafür, warum manche auch ohne den Lenker an zu fassen beim Fahrradfahren trotzdem lenken können. Dazu zwingt man das Fahrrad,
indem man sich leicht zur entsprechenden Seite neigt. Dann "sucht" sich nämlich das Vorderrad, aufgrund seines Drehmoments, die am wenigsten von der Horizontalen
abweichende Drehachse - es lenkt wie von selbst. Einfach mal bei Gelegenheit beobachten. Das funktioniert aber nur dann, wenn die Lenkachse unterm Lenker leicht schräg
ist: damit die abweichende Drehachse des Vorderrats nicht auch eine Horizontale.)
Andere sich drehende Beispiele zum gyroskopischen EffektBearbeiten■Eine Geldmünze dreht solange aufrecht, bis die Drehgeschwindigkeit nachlässt (das Drehmoment gibt
nach) und die Münze neigt sich und fällt dann immer schneller auf eine Seite. (Man merkt vor allem dann einen Unterschied, wenn man die Münze einfach statisch hinstellen will
oder dynamisch drehen oder rollen lässt.)
■Ein beliebtes Kinderspielzeug ist der Kreisel, der, solange er schnell genug rotiert, auf einer winzigen Spitze stehen kann. Je langsamer die Rotation, desto geringer sind die
gyroskopischen Kräfte, bis der Kreisel schließlich umkippt.
■Je schneller ein Motorrad fährt, desto größer wird auch der Kraftaufwand beim Lenken (der Lenker wird "fest"). Auch dieser Effekt beruht auf dem gyroskopischen Effekt.
■Wie stark Kreiselkräfte die Achslage eines sich drehenden Rades stabilisieren, kann man leicht selbst ausprobieren. Dazu hält man das Laufrad eines Fahrrades an der Achse
mit ausgestreckten Armen nach vorn und bittet einen Helfer, es in eine schnelle Rotation zu versetzen. Beim anschließenden Versuch, die Lage der Drehachse durch Kippen zu
verändern, bekommt man ein Gefühl für die wirkenden Kräfte.
■Bei Schiffen wurden aktive Kreiselstabilisatoren schon 1922 getestet, um der Seekrankheit der Passagiere vorzubeugen: The New York Times, Friday, April 14, 1922: PDF, 44
kB