Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011 (Mai bis Juli 2011 – 10 Termine) Kennenlernen und Sicherheit Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern) Mechanik: Schaltung Mechanik: Bremsen und Hydraulik Mechanik: Federung und Kreisel (mit Fahrrädern) Elektrizität und Optik Akustik: Wind und Klingeltöne Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion Aerodynamik Ernährung, Energie, Training, Ergometer Frank Kameier 09.03.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 1

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.goehner.jpg Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Aerodynamik#Anwendung Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Quelle: http://www. yamaha-motor Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Zylinderumströmung Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974

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

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

Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz Tacoma Narrows Bridge, 1940 Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,

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

Helmholtz-Resonator cAnström. cAnström. tiefe Frequenz hohe Frequenz Lips, Strömungsakustik(1997)

Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten Blockflöte Klarinette Oboe Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.

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

moderate Auflösung und „schlechtes“ Netz strömungsakustische Mode 1,5 Millionen Elemente

Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop

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: http://www.kontexis.de/front_content.php?idart=1248 Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

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: http://www.traumvelo.de/WCMS/content/images/df0105a5b2d60152429f1469b41c636c.jpg Quelle Bild: http://www.lifeinpictures.de/wp-content/gallery/longwaysouth/img_0033b.jpg Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 15

Widerstand und Fläche http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009

Windschatten

Windschatten

In einer V-Formation kann jeder Vogel eine Verringerung des Luftwiederstandes und als Ergebnis eine Reichweitenerhöhung erreichen. Windrichtung Quelle Bild: http://www.dailysusan.com/wfdata/frame1209-1164/pressrel5_files/image002.jpg Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/V-Formation Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

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 Quelle Bild: http://blog.funkygog.de/data/2010/01/Kraftwerk-Aerodynamik-MCD-Cover-Front.jpg Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Druck und Strömung Frank Kameier 18.12.2010 Quelle: Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Berlin 1977 Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 21

Auftrieb und Bernoulli-Gleichung Quelle: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm

Der Bernoulli-Effekt mit einem Fön und einem Tischtennisball Quelle: http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/10/der-bernoulli-effekt-mit-einem-foen-und-einem-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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Bernoulli-Effekt Frank Kameier 18.12.2010 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 24

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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Coanda-Effekt … leider eine falsche Erklärung! Frank Kameier http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Venturi-and-Coanda-effect-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 26

http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik http://www.bwtw.de/bwtw/cms_de.nsf/%28$UNID%29/57E66ED22E774CE4C125737100369178/$File/Aerodynamik.pdf Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren) Mit dem Rücken zur Windmaschine stellen und eine Kerze in die Hand nehmen. Nun Umdrehen und beobachten was mit der Kerze passiert. 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 Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Aerodynamik beim Fahrrad! Das Fahrrad Die Kleidung Der Helm www.myroadtokona.at www.velobiz.de www.megabikes.de Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

3 Das Fahrrad 1 Das Fahrrad an sich ist eines der Hauptbestandteile der Aerodynamik bei einem Fahrrad. 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. Der Lenker und der Sitz werden so Konstruiert, dass eine Aerodynamische Sitzposition entsteht. Der Rahmen Die Räder Lenker und Sattel 2 Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

3 Der Helm 1 2 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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

3 Die Kleidung 1 2 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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Experiment „Sitzposition“ 3 Experiment „Sitzposition“ Setzt euch auf ein Fahrrad und versucht die beiden angezeigten Sitzpositionen aus. Erklärt was euch bezüglich des Luftwiederstandes auffällt. 1 2 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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

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

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

aerodynamisch optimiert Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009 http://www.triathlon.de/wp-content/uploads/2008/05/the-ultimate-bike-2.jpg

Windschatten Auch der Vordermann profitiert vom Windschattenfahren! http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2010/0117/windschatten.jsp

Windschattenfahren Belgischer Kreisel http://de.wikipedia.org/wiki/Windschatten

http://www.radsport-aktiv.de/freizeit/freizeitbericht_24.php

Steherrennen http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bundesarchiv_Bild_183-05597-0002,_G._Barandat,_M._Klieme.jpg&filetimestamp=20081203224333

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]

Liegefahrräder … wenig Fläche zum Wind http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2009/resultsmonday.htm

Geschwindigkeitsrekord: 268,831 km/h. http://www.fredrompelberg.com/de/html/algemeen/fredrompelberg/rekord.asp

Geschwindigkeitsrekorde

Aerodynamik optimieren http://www.lustaufzukunft.de/pivit/aero/aerodynamik.html

Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten Quelle: www.wikipedia.de Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 48

Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 49

Ein- und Ausströmvorgänge (Beispiel: Atmen) aus: ANSYS Advantage, Volume II, Issue I, 2008 Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 50