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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: Bremsen und 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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Aerodynamik
Aerodynamik (von altgriechisch ἀήρ,
Luft und δύναµις, Kraft) ist Teil der
Fluiddynamik und beschreibt das
Verhalten von Körpern in
kompressiblen Fluiden (zum Beispiel
Luft). Die Aerodynamik beschreibt die
Kräfte, die es beispielsweise
Flufzeugen ermöglichen, zu Fliegen
oder Segelschiffen, sich mit Hilfe des
Windes durchs Wasser zu bewegen.
Quelle Bild:
http://www.slogdesign.de/triabike/m.goehn
er.jpg
Mews, Max
Quelle Text:
http://de.wikipedia.org/wiki/Aerodynam
ik#Anwendung
Aerodynamik, 01.02.11
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Quelle: http://www.yamaha-motor.de/designcafe/en/Images/5-2%202_4_PS_tcm71-237278.jpg
Mews, Max
Aerodynamik, 01.02.11
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Zylinderumströmung
cD
Re 

Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974
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Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)
Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.
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Tacoma-Bridge (1940)
Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
U68 km/h
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Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz
Tacoma Narrows Bridge, 1940
St  u
f
d
Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,
c   19
m
s
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Behinderung der Wirbelbildung
an der Blattspitze:
Winglet gegen das
Überströmen der Blattspitze.
am Turm:
Spirale gegen die Bildung von
Kármánschen Wirbelstrassen
Quelle: Mechanical Engineering, Vol.121, No.12, Dec 1999
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Helmholtz-Resonator
cAnström.
cAnström.
tiefe Frequenz
a
f
2
Lips, Strömungsakustik(1997)
r2
V l   r / 2 
hohe Frequenz
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Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten
Blockflöte
Klarinette
Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.
Oboe
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Periodische Strömung in einer Flöte
Quelle: Science Times, 12/98
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moderate Auflösung und „schlechtes“ Netz
strömungsakustische Mode
8, 00
7, 00
6, 00
5, 00
4, 00
3, 00
c Wirbelstra ße

fKarman
2, 00
1, 00
0, 00
1,5 Millionen Elemente
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• Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop
- Kinderfachhochschule Anleitung
Zunächst wird die Kerze angezündet. Danach stellt man die
Flasche vor die Kerze. Aus etwa 10 cm Entfernung wird nun
gegen die Flasche gepustet.
Beobachtung
Bei richtiger Entfernung und genügend starker "Puste" geht
die Kerzenflamme sofort aus.
Erklärung
Die Luft teilt sich zwar und gleitet um beide Seiten der Flasche
herum, aber sie trifft sich dahinter wieder. An diesem Punkt
steht die Kerze deshalb direkt im Luftzug. Das ist übrigens
auch der Grund, warum sich Bäume und Litfasssäulen
schlecht als Windschutz eignen. Sie haben eine gute
Stromlinienform. Die Luft strömt einfach um sie herum. Der
Gegenversuch ist schnell gemacht: Der gleiche Versuch unter
gleichen Bedingungen, nur anstelle der runden Sprudelflasche
wird die eckige Saftkartonpackung verwendet. So sehr man
sich auch anstrengen mag, der stärkste Wind bringt die Kerze
nicht zum Erlöschen. Die geraden Flächen und Kanten der
Saftpackung bremsen den Wind aus und machen ihn
wirkungslos.
Mews, Max
Aerodynamik, 01.02.11
Quelle:
http://www.kontexis.de/fro
nt_content.php?idart=1248
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Bei den Gegenständen in der Strömung wird unterschieden zwischen
Widerstandskörpern und Strömungskörpern. Bezugsfläche bei
Widerstandskörpern für den Widerstandbeiwert ist immer die Stirnfläche quer
zur Strömungsrichtung.
Quelle:
http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck
Mews, Max
Quelle Bild:
http://www.traumvelo.de/WCMS/content
/images/df0105a5b2d60152429f1469b41
c636c.jpg
Aerodynamik, 01.02.11
Quelle Bild:
http://www.lifeinpictures.de/wpcontent/gallery/longwaysouth/img_003
3b.jpg
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Widerstand und Fläche
http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
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Windschatten
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Windschatten
- Kinderfachhochschule In einer V-Formation kann jeder Vogel eine
Verringerung des Luftwiederstandes und als
Ergebnis eine Reichweitenerhöhung erreichen.
Quelle Bild:
http://www.dailysusan.com/wfdata/fra
me12091164/pressrel5_files/image002.jpg
Mews, Max
Quelle Text: http://de.wikipedia.org/
Formation
Aerodynamik, 01.02.11
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Belgischer Kreisel
Ähnlich wie die Zugvögel,
nutzen Rennradfahrer das selbe
Prinzip. Kraft sparen, indem
man im Windschatten des
Vordermann fährt und dadurch
nicht gegen den Fahrtwind
kämpfen muss. Durch das
Rotieren der Positionen ist jeder
mal der, der mehr bzw. weniger
Arbeit leisten muss.
Quelle Bild:
http://cdn.picapp.com/ftp/Images/9/d/6
/6/Tour_de_France_7789.jpg?adImageId
=1810404&imageId=5311943
Mews, Max
Quelle Bild:
http://blog.funkygog.de/data/2010/01/Kraftwe
rk-Aerodynamik-MCD-Cover-Front.jpg
Aerodynamik, 01.02.11
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Druck und Strömung
Quelle: Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Berlin 1977
Frank Kameier
18.12.2010
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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Auftrieb und Bernoulli-Gleichung
Quelle: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm
- Kinderfachhochschule Quelle: http://www.kidsandscience.de/experimentefuerkinder/detailansicht/datum/
2009/08/10/der-bernoullieffekt-mit-einem-foen-undeinem-tischtennisball.html
Der Bernoulli-Effekt mit einem Fön und einem Tischtennisball
Wir benutzen einen Tischtennisball oder einen ähnlichen kleinen Ball, der nur leicht genug sein muß.
Vielleicht geht es auch mit einem aufgeblasenen Luftballon, einfach mal ausprobieren.
Nicht geeignet sind schwere Gummibälle. Wir brauchen einen Fön, am besten einer, der auch auf "kalt"
gestellt werden kann.
Nach dem Einschalten des Föns wird er mit der Öffnung nach oben gehalten. Nun den Ball in den
Luftstrom halten und loslassen. Der Ball wird im Luftstrom des Föns "gefangen" gehalten. Nicht nur, daß
er stabil über dem Fön schwebt, man kann den Fön sogar leicht schräg stellen und der Ball wird dennoch
im Luftstrom gehalten. Hier hilft uns der sogenannte Bernoulli-Effekt.
Je schneller unsere Fönluft strömt, desto niedriger ist an dieser Stelle der Luftdruck. Das heißt, in der
Mitte der Luftströmung des Föns herrscht der niedrigste Druck. Damit wird alles, was nicht niet- und
nagelfest ist, in die Mitte der Strömung angesogen. Schwere Teile kann man damit nicht beeindrucken,
aber ein leichter Tischtennisball tanzt bereitwillig in der Strömung.
Mews, Max
Aerodynamik, 01.02.11
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Bernoulli-Effekt
http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf
Frank Kameier
18.12.2010
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Coandă-Effekt
Mit dem Begriff Coandă-Effekt werden
verschiedene, ursächlich nicht
zusammenhängende Phänomene
bezeichnet, die eine Tendenz eines
Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung
nahelegen, an einer konvexen Oberfläche
„entlangzulaufen“, anstatt sich abzulösen
und sich in der ursprünglichen Fließrichtung
weiterzubewegen.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83-Effekt
Name, Vorname
Gruppe, Datum
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Coanda-Effekt
http://commons.wikimedia.org/w
iki/File:Venturi-and-Coandaeffect-2.gif?uselang=de
Quelle: Experimente mit Aha- Effekt! ZIRP-Zukunftsinitiative Rheinland-Pfalz, www.zirp.de
Frank Kameier
18.12.2010
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
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http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf
Htttp://ifs.mv.fhHelm, Edmund
Aerodynamik, 14.03.2011
duesseldorf.de/fahrradphysik
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http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf
Htttp://ifs.mv.fhHelm, Edmund
Aerodynamik, 14.03.2011
duesseldorf.de/fahrradphysik
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http://www.bwtw.de/bwtw/cms_de.nsf/%28$UNID%29/57E66ED22E774CE4C125737100369178/$File/Aerodynamik.pdf
Helm, Edmund
Aerodynamik, 14.03.2011
Htttp://ifs.mv.fhduesseldorf.de/fahrradphysik
Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren)
- Kinderfachhochschule • Mit dem Rücken zur
Windmaschine stellen und eine
Kerze in die Hand nehmen.
• Die Kerze bleibt an, da der Wind
den Körper nun Umströmen muss
und es hinter dem Körper nun
Windstill ist.
• Nun Umdrehen und beobachten
was mit der Kerze passiert.
• Durch das Umdrehen wird die
Kerze direkt dem Wind ausgesetzt
und dieser bläst die Kerze nun
aus.
© Thorben Zielas, Crevents GbR
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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Aerodynamik beim Fahrrad!
• Das Fahrrad
• Die Kleidung
• Der Helm
www.myroadtokona.at
www.velobiz.de
www.megabikes.de
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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Das Fahrrad
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• Das Fahrrad an sich ist eines der Hauptbestandteile der
Aerodynamik bei einem Fahrrad.
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2.
3.
Der Rahmen wird so konstruiert, dass der Wind
diesen möglichst Reibungsfrei umströmt.
Die Räder werden optimiert, indem die Speichen
abgedeckt werden. Dadurch entstehen weniger Luft
Verwirbelungen, welche die Aerodynamik
verschlechtern würden.
1
1. Der Rahmen
2
2. Die Räder
3. Lenker und Sattel
Der Lenker und der Sitz werden so Konstruiert, dass
eine Aerodynamische Sitzposition entsteht.
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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Der Helm
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• Der Helm ist ein weiterer Hauptbestandteil der
Aerodynamik bei einem Fahrrad.
•
Neben dem Sicherheitseffekt, wird der Fahrradhelm
immer häufiger zur Verbesserung der Aerodynamik
eingesetzt.
•
Auf den normalen Helm-Aufbau, wird wie man auf dem
Bild erkennen kann eine Aerodynamische Verkleidung
montiert.
•
Durch die besondere Tropfenform, wird die Aerodynamik
des Helms und damit des ganzen Fahrrads optimiert.
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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Die Kleidung
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• Die Kleidung ist ein weiterer Hauptbestandteil der
Aerodynamik bei einem Fahrrad.
•
Neben der Funktion der Kleidung als solche (Schutz vor
Kälte, Atmungsaktivität) wird auch die Kleidung immer
häufiger aerodynamisch optimiert.
•
Die Kleidung liegt sehr eng an der Haut an, damit keine
Falten entstehen und somit eine glatte Fläche entsteht,
welche verhindert, dass Luft-Verwirbelungen entstehen.
•
Somit wird zusammen mit dem Helm der Fahrer selbst
aerodynamisch Optimiert.
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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Experiment „Sitzposition“
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Setzt euch auf ein Fahrrad und
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versucht die beiden angezeigten
Sitzpositionen aus. Erklärt was euch
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bezüglich des Luftwiederstandes
auffällt.
• Je mehr man aufrecht sitzt,
umso mehr drückt der Wind
gegen den Körper.
• Daraus können wir schließen,
dass der Luftwiederstand sich
erhöht.
• Denn je flacher die Sitzposition
ist, umso besser kann die Luft
um den Körper strömen.
© Thorben Zielas, Crevents GbR
Thorben Zielas
Aerodynamik, 16.02.2011
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real
(Wirbel)
optimal
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
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Vergleich mit Kugelumströmung
real
optimal
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009
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aerodynamisch optimiert
Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik,
Bielefeld, 2009
http://www.triathlon.de/wp-content/uploads/2008/05/the-ultimate-bike-2.jpg
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Windschatten
Auch der Vordermann profitiert vom Windschattenfahren!
http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2010/0117/windschatten.jsp
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Windschattenfahren
Belgischer Kreisel
http://de.wikipedia.org/wiki/Windschatten
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http://www.radsport-aktiv.de/freizeit/freizeitbericht_24.php
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Steherrennen
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bundesarchiv_Bild_183-05597-0002,_G._Barandat,_M._Klieme.jpg&filetimestamp=20081203224333
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Geschwindigkeitsrekorde
268 km/h, aus eigener Muskelkraft. Der Holländer Fred Rompelberg
erreichte diese Spitzengeschwindigkeit mit dem Fahrrad –
allerdings im Windschatten...
Geschwindigkeit = Weg pro Zeit
[m/s]
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Liegefahrräder
… wenig Fläche
zum Wind
http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2009/resultsmonday.htm
- Kinderfachhochschule Geschwindigkeitsrekord:
268,831 km/h.
http://www.fredrompelberg.com/de/html/algemeen/fredrompelberg/rekord.asp
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Geschwindigkeitsrekorde
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Aerodynamik optimieren
http://www.lustaufzukunft.de/pivit/aero/aerodynamik.html
- Kinderfachhochschule Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten
Quelle: www.wikipedia.de
Frank Kameier
18.12.2010
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- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier
18.12.2010
http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik
- Kinderfachhochschule Ein- und Ausströmvorgänge (Beispiel: Atmen)
aus: ANSYS Advantage, Volume II, Issue I, 2008
Frank Kameier
18.12.2010
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