Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011 (Mai bis Juli 2011 – 10 Termine) Kennenlernen und Sicherheit Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern) Mechanik: Schaltung Mechanik: 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

FEDERUNG Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://www.hpvelotechnik.com/images/presse/scorpionfs/Scorpion_fs_federung_vr_detail.jpg Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Federarten Druckfeder Zugfeder Siehe Aufgabe 1 Eva Terbrack http://de.wikipedia.org/wiki/Feder_(Technik) Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 3

Wo findet man Federungen am Fahrrad????? Druckfedern Luft als Federung Siehe Aufgabe 2 http://www.nostalgic-images.co.uk/Application/images/Pashley/pashley-roadster-lg.jpg Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Kleines Experiment zur Luftfederung Material : Spritze 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 Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Luft als Federung ? Siehe Aufgabe 3 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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Weiteres kleines Experiment zur Luftfederung für Zuhause Material: - Ball - Kühlschrank Ablauf: 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. Grund: 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. Aus diesem Grund springt der Ball nicht mehr so gut. Siehe Versuch 2 Aufgabe 4 Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

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

Federwaage Material: - Gebaute Federwaage - Gewichte Ablauf: 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. Grund: 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. Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik Siehe Versuch 2

Diagramm Im Diagramm werden die Daten auf den Pfeilen eingetragen. Eva Terbrack Mechanik 1.2.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

http://www.labbe.de/zzzebra/index.asp?themaid=543&titelid=3487 Frank Kameier Mechanik 08.04.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Umut Yaya Kreiseleffekt 10.02.2011 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 Umut Yaya Kreiseleffekt 10.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Was versteht man unter dem Kreiseleffekt beim Fahrradfahren? 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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 13

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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 14

Geschwindigkeit / Gewicht / physikalische Größen: Der Drehimpuls steigt mit Zunahme von Gewicht und Geschwindigkeit. 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. der Radius r, die Geschwindigkeit v und der Impuls I sind Größen mit einer Richtung Mit der „Rechte-Hand-Regel“ kann die Richtung des Drehimpulsvektors durch die Daumenrichtung bestimmt werden. Umut Yaya Kreiseleffekt 07.04.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 15

Drehimpuls: m=Masse I= m*v V=Geschwindigkeit 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 Drehimpuls Impuls m=Masse I= m*v V=Geschwindigkeit www.schdammdischla.de/Root/Fahrphysik-Dateien Umut Yaya Kreiseleffekt 07.04.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 17

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 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik 18

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

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

Die Kurvenfahrt Eine Kurve wird nicht durch ein Lenken in die gewünschte Richtung eingeleitet. 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 21

Physik des Kreiseleffekts beim Fahrradfahren auf einem Rollentrainer - Kinderfachhochschule - 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

- Kinderfachhochschule - 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

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

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

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

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