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- Kinderfachhochschule - 1.Kennenlernen und Sicherheit 2.Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern) 3.Mechanik: Schaltung 4.Mechanik: Bremsen.

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1 - Kinderfachhochschule - 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 Klingelt ö ne 8.Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion 9.Aerodynamik 10.Ernährung, Energie, Training, Ergometer Frank Kameier Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011 (Mai bis Juli 2011 – 10 Termine)

2 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, Quelle Bild: er.jpg Aerodynamik Aerodynamik (von altgriechisch ήρ, 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 Text: ik#Anwendung

3 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, Quelle:

4 - Kinderfachhochschule - Zylinderumströmung Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974

5 - Kinderfachhochschule - Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.

6 - Kinderfachhochschule - Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung U 68 km/h

7 - Kinderfachhochschule - K á rm á nsche Wirbelstra ß e / Strouhalfrequenz Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics, Tacoma Narrows Bridge, 1940

8 - Kinderfachhochschule - 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

9 - Kinderfachhochschule - Helmholtz-Resonator Lips, Strömungsakustik(1997) c Anström. hohe Frequenz tiefe Frequenz

10 - Kinderfachhochschule - Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg Blockflöte Klarinette Oboe

11 - Kinderfachhochschule - Periodische Strömung in einer Flöte Quelle: Science Times, 12/98

12 - Kinderfachhochschule - moderate Auflösung und schlechtes Netz 1,5 Millionen Elemente strömungsakustische Mode

13 - Kinderfachhochschule - Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop

14 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, 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. Quelle: nt_content.php?idart=1248

15 - Kinderfachhochschule - Mews, Max Quelle: 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 Bild: content/gallery/longwaysouth/img_003 3b.jpg Quelle Bild: /images/df0105a5b2d f1469b41 c636c.jpg Aerodynamik,

16 - Kinderfachhochschule - Widerstand und Fläche Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009

17 - Kinderfachhochschule - Windschatten

18 - Kinderfachhochschule - Windschatten

19 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, Quelle Bild: me /pressrel5_files/image002.jpg In einer V-Formation kann jeder Vogel eine Verringerung des Luftwiederstandes und als Ergebnis eine Reichweitenerhöhung erreichen. Quelle Text: Formation Windrichtung

20 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, Quelle Bild: /6/Tour_de_France_7789.jpg?adImageId = &imageId= 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: rk-Aerodynamik-MCD-Cover-Front.jpg Belgischer Kreisel

21 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier Quelle: Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Berlin 1977 Druck und Strömung

22 - Kinderfachhochschule - Auftrieb und Bernoulli-Gleichung Quelle: WDR, Quarks, 6/1999,

23 - Kinderfachhochschule - Mews, MaxAerodynamik, 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. Quelle: and- science.de/experimente- fuer- kinder/detailansicht/datum/ 2009/08/10/der-bernoulli- effekt-mit-einem-foen-und- einem-tischtennisball.html

24 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier Bernoulli-Effekt

25 - Kinderfachhochschule - Name, VornameGruppe, Datum 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:

26 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier Quelle: Experimente mit Aha- Effekt! ZIRP-Zukunftsinitiative Rheinland-Pfalz, Coanda-Effekt iki/File:Venturi-and-Coanda- effect-2.gif?uselang=de … leider eine falsche Erklärung!

27 - Kinderfachhochschule - Helm, EdmundAerodynamik, Htttp://ifs.mv.fh- duesseldorf.de/fahrradphysik

28 - Kinderfachhochschule - Helm, EdmundAerodynamik, Htttp://ifs.mv.fh- duesseldorf.de/fahrradphysik

29 - Kinderfachhochschule - Helm, EdmundAerodynamik, Htttp://ifs.mv.fh- duesseldorf.de/fahrradphysik

30 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, Mit dem Rücken zur Windmaschine stellen und eine Kerze in die Hand nehmen. Nun Umdrehen und beobachten was mit der Kerze passiert. Experiment Kerze (Windschatten selber erfahren) Die Kerze bleibt an, da der Wind den Körper nun Umströmen muss und es hinter dem Körper nun Windstill ist. Durch das Umdrehen wird die Kerze direkt dem Wind ausgesetzt und dieser bläst die Kerze nun aus. © Thorben Zielas, Crevents GbR

31 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, Aerodynamik beim Fahrrad! Das Fahrrad Die Kleidung Der Helm

32 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, Das Fahrrad an sich ist eines der Hauptbestandteile der Aerodynamik bei einem Fahrrad. 1.Der Rahmen wird so konstruiert, dass der Wind diesen möglichst Reibungsfrei umströmt. 2.Die Räder werden optimiert, indem die Speichen abgedeckt werden. Dadurch entstehen weniger Luft Verwirbelungen, welche die Aerodynamik verschlechtern würden. 3.Der Lenker und der Sitz werden so Konstruiert, dass eine Aerodynamische Sitzposition entsteht. Das Fahrrad 1.Der Rahmen 2.Die Räder 3.Lenker und Sattel 1 2 3

33 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, 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. Der Helm 1 2 3

34 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, 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. Die Kleidung 1 2 3

35 - Kinderfachhochschule - Thorben ZielasAerodynamik, Experiment Sitzposition Setzt euch auf ein Fahrrad und versucht die beiden angezeigten Sitzpositionen aus. Erklärt was euch 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

36 - Kinderfachhochschule - real optimal Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009 (Wirbel)

37 - Kinderfachhochschule - real optimal Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009 Vergleich mit Kugelumströmung

38 - Kinderfachhochschule - aerodynamisch optimiert Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009

39 - Kinderfachhochschule - Auch der Vordermann profitiert vom Windschattenfahren! Windschatten

40 - Kinderfachhochschule - Belgischer Kreisel Windschattenfahren

41 - Kinderfachhochschule -

42 - Kinderfachhochschule - Steherrennen

43 - Kinderfachhochschule km/h, aus eigener Muskelkraft. Der Holländer Fred Rompelberg erreichte diese Spitzengeschwindigkeit mit dem Fahrrad – allerdings im Windschatten... Geschwindigkeit = Weg pro Zeit [m/s] Geschwindigkeitsrekorde

44 - Kinderfachhochschule - Liegefahrräder … wenig Fläche zum Wind

45 - Kinderfachhochschule - Geschwindigkeitsrekord:268,831 km/h.

46 - Kinderfachhochschule - Geschwindigkeitsrekorde

47 - Kinderfachhochschule - Aerodynamik optimieren

48 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier Quelle: Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten

49 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier

50 - Kinderfachhochschule - Frank Kameier Ein- und Ausströmvorgänge (Beispiel: Atmen) aus: ANSYS Advantage, Volume II, Issue I, 2008


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