Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2011/2012 (April bis Juli 2012 – 12 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 07.05.2012 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 1

Bremsen Frank Kameier 28.02.2011 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 2

Versuchsaufbau Koschack, Martin Gruppe: Mechanik 13.2.11 24 Zoll Mountainbike hydraulische Scheibenbremse Wärmebildkamera mechanische Scheibenbremse Rollentrainer Koschack, Martin Gruppe: Mechanik 13.2.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Beschreibung und Erklärung des Versuches Durchführung: -ein Kind sitzt auf dem Fahrrad und tritt in die Pedale -die Wärmebildkamera wird auf die hintere Bremsscheibe gerichtet -die hintere Bremse wird schleifen gelassen (das Kind merkt einen höheren Widerstand, da durch die erhöhte Reibung mehr Kraft nötig ist) -auf dem Bildschirm der Kamera färbt sich die Scheibe von grün über gelb/orange nach rot (sie wird heißer -> durch Reibung entsteht Wärme) Ziel: -jedes Kind hat 20 Sekunden Zeit um die höchste Temperatur zu erreichen. Ob dies durch schnelleres Treten oder stärkeres Bremsen erreicht wird, ist jedem Kind selbst überlassen. -außerdem können die Kinder durch die verschiedenen verbauten Bremsen (vorne mechanisch und hinten hydraulisch) am Bremshebel die unterschiedliche Reibung in den Leitungen spüren Koschack, Martin Gruppe: Mechanik 3.1.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Was ist Reibung? Art der Reibung Erklärung Beispiel Haftreibung Reibung ist die Hemmung einer Bewegung, die zwischen sich berührenden Festkörpern auftritt. Art der Reibung Erklärung Beispiel Haftreibung tritt an den Flächen zwischen Körpern auf, die aufeinander liegen Buch liegt auf dem Tisch (keine Bewegung = Haftung) Gleitreibung tritt an den Flächen zwischen Körpern auf, die sich geradlinig zueinander bewegen Schlitten fahren (Bewegung = Gleiten) Rollreibung entsteht beim Rollen eines Körpers auf einer Unterlage Reifen auf Straße Bohrreibung entsteht am Auflagepunkt eines sich um die vertikale Achse drehenden Körpers auf einer Ebene Feuer machen durch drehen eines Stockes auf einem Brett Seilreibung beschreibt die Reibung eines um einen runden Körper gelegten Seils Seil um Poller (z.B. bei einem Schiff) Quellen: Bilder www.google.de Text www.wikipedia.de Koschack, Martin Gruppe: Mechanik 16.5.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 5

wie und wodurch entsteht durch Reibung Wärme? -Reibungsarbeit (Wr) ist eine Art der mechanischen Arbeit -die bewegungshemmende Kraft ist die Reibungskraft (Fr=μ*Fn) Daraus ergibt sich folgende Formel: Wr=μ*Fn*s (Reibungsarbeit=Reibungszahl*Normalkraft*Strecke) -Wird also einer der Faktoren kleiner, beim Bremsen zum Beispiel die Reibungszahl durch Wasser oder Öl auf der Felge oder die Normalkraft durch weniger zu bremsendes Gewicht oder weniger Geschwindigkeit, so wird die Reibungsarbeit kleiner. -Beim Verrichten von Reibungsarbeit wird mechanische Energie in thermische Energie umgewandelt. So entsteht bei Reibung bzw beim Bremsen Wärme. Koschack, Martin Gruppe: Mechanik, 1.2.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Bremstypen Stempelbremse Rücktrittbremse Felgenbremse (Cantilever) Felgenbremse (V-Brake) Trommelbremse Scheibenbremse Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrradbremse, http://www.fahrradlexikon.de/bilder/Trommelbremsen.jpg, http://good-times.webshots.com/photo/2648534640051848942GNUfgd Koschack, Martin Gruppe: Mechanik, 22.1.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Vor- und Nachteile verschiedener Bremstypen Vorteile Nachteile -Stempelbremse -einfaches Prinzip -der Reifen verschleißt -Rücktrittbremse -kein Verschleiß -die Kurbel kann im Stand nicht bewegt werden(z.B. beim Anfahren am Berg) -benötigt Bremsmomentabstützung -Felgenbremse -günstig -leicht -schlechte Bremswirkung bei Nässe -die Felge verschleißt und kann reißen -Trommelbremse -gute Bremswirkung bei Trockenheit -schwer -Scheibenbremse -sehr gute Bremswirkung bei jeder Witterung -gute Dosierbarkeit bei hydraulischen Modellen -teuer Koschack, Martin Gruppe: Mechanik 14.1.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Funktionsweise einer Trommelbremse Trommelbremsen sind Radialbremsen, bei der zwei gewölbte Bremsbeläge von innen auf die sich drehende Trommel gepresst werden. Die Trommelbremse wird mechanisch oder hydraulisch betätigt. Bei der mechanischen Version erfolgt das Anpressen der Bremsbeläge über einen Nocken- oder Spreizkeil. Bei der hydraulischen Version über einen Radbremszylinder. Trommelbremsen werden heutzutage meist nur noch an der Hinterachse schwach motorisierter Autos eingesetzt. Bei Motorrädern und Fahrädern sind Trommelbremsen veraltet und durch Scheibenbremsen ersetzt worden. Bremse offen (Spalt zwischen Bremsbelag und Trommel) Bremse zu (kein Spalt zwischen Bremsbelag und Trommel) Koschack, Martin Gruppe: Mechanik, 17.1.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik

Erklärungen Fading: Als Fading bezeichnet man das Nachlassen der Bremswirkung, die durch Reibungswärme entsteht. Außerdem bilden sich, bei hydraulischen Bremsen, Blasen im Öl, sodass der Druckpunkt am Bremshebel wandert. Dies kann zu einem erheblich längeren Bremsweg führen. Man kann Fading verhindern indem man die Bremse nicht schleifen lässt, sondern kurz und beherzt bremst. Reibung in Leitungen: Bei mechanischen Bremsen ist die Reibungszahl des Bremszuges in der Außenhülle merklich höher als die Reibungszahl zwischen Öl und Leitung bei hydraulischen Bremsen. Daher wird bei hydraulischen Bremsen für die gleiche Bremswirkung weniger Handkraft benötigt. Mittlerweile werden Bremszüge mit Teflon beschichtet, um die Reibungszahl zu senken. Außerdem sollten Bremszüge nie in kleinen Radien verlegt werden, da dies zusätzlich die Reibung erhöht. Koschack, Martin Gruppe: Mechanik, 20.1.11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 10

Bremsen und Hydraulik Koschack, Martin Gruppe: Mechanik, 20.1.11 11 http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 11

Mechanik/Bremsen & Reibung Hydraulische Scheibenbremsen: Man unterscheidet beim Arbeiten mit Druck zwischen zwei verschiedenen Wirkprinzipien: Hydraulik: Pneumatik: Medium: Öl Medium: Luft => nicht kompressibel => kompressibel => Anwendung bei hohen Drücken => Anwendung bei Drücken bis 10 bar oder wenn präzise Bewegungen => schlechter Wirkungsgrad erforderlich sind => Beide dienen der Kraftübertragung Druck = Kraft pro Fläche => Kraft = Druck x Fläche => große Kraft = große Fläche bei konst. Druck oder großer Druck bei konst. Fläche Till Biedermann Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 12

Mechanik/Bremsen & Reibung Bsp.: Druckversuch: Man nehme einen Schwimmring und lege ein Brett darauf. Eine Person stellt sich nun auf dieses Brett eine andere pumpt den Ring mit einer Fußpumpe auf => relativ geringer Kraftaufwand, da große wirkende Fläche.. Wenn auf Kolben 1 eine Gewichtskraft von 200 N wirkt, reicht bei Kolben 2 eine Kraft von 50 N aus, um das Ganze in Ruhe zu halten. Drückt man nun Kolben 2 um einen gewissen Weg nach unten, so bewegt sich Kolben 1 nur um ein Viertel dieses Weges nach oben www.educ.ethz.ch Till Biedermann Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 13

Mechanik/Bremsen & Reibung Roboterarmexperiment: Bei unserem Roboterarm kann man sehen wie ein hydraulisches System arbeitet und wozu so etwas eingesetzt wird. In diesem Fall sind die 6 Spritzen unsere Zylinder. Durch das reindrücken und herausziehen der Kolben führt der Roboter verschiedene Bewegungen durch,wie z.B. öffnen und schließen des Greifers, schwenken des Kranbaumes um die eigene Achse oder heben und senken des Hauptarmes. www.winklerschulbedarf.com Till Biedermann Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 14

Mechanik/Bremsen & Reibung Nicht jedes Fahrrad hat Scheibenbremsen und schon gar nicht auch noch hydraulische. Was für Bremsen ein Fahrrad hat, hängt immer davon ab wofür es gebraucht wird. Hollandräder haben ganz einfache Bremsen, da mit ihnen nicht so schnell gefahren wird. Aber auch z.B. Rennräder haben keine Scheibenbremsen. Hier hängt es aber damit zusammen, dass Rennräder so leicht sind, dass sie sich sofort überschlagen würden, wenn man mit Scheibenbremsen bremsen würde. Fahrräder, die fast immer Scheibenbremsen benutzen sind z.B Mountainbikes, aber auch Motorräder und Autos benutzen diese Bremsen, da sie die stärksten sind. www.rennrad-info.de www.online-fahrrad.de www.automobilsport.com www.bbf-direkt.de www.capital.de Till Biedermann Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 15

2012 Mechanik/Bremsen & Reibung Durch ziehen an der Bremse wird der Geber im Handgriff betätigt und baut durch die Bremsleitung Druck auf den Kolben in der Bremszange an der Bremsscheibe auf. Die Bremszange schließt sich um die Bremsscheibe und die Bremsbeläge bremsen das Rad. www.bikestore.cc www.bike-components.de www.velotech.ch www.kaskaderos.com 2012 Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 16

Hydraulische Felgenbremse Geber mit Ausgleichsbehälter www.magura.de Smolik, Kleine Fahrradtechnik, 2010 2012 Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 17

Hub H Durchmesser  d D Durchmesser große Spritze kleine Spritze h Hub Hydraulik-Experiment mit 2 Spritzen: Hub H Durchmesser  d D Durchmesser große Spritze kleine Spritze h Hub Mit Schlauch verbunden – gleiche Volumen bewegen sich von Spritze zu Spritze! 𝑉= 𝜋 𝑑 2 4 h = 𝜋 𝐷 2 4 H 𝑑 2 h = 𝐷 2 H mit D=2 d h=4 H 2012 Mechanik/Bremsen & Reibung http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik 18