rund um den Wind RUND UM DEN WIND... 1 ÜBERBLICK... 2 SCHÜLERANTWORTBLATT... 3 HINWEISE... 4 Arbeitsauftrag... 2 Windmesser... 4

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1 FK128 rund um den Wind.dc rund um den Wind RUND UM DEN WIND... 1 ÜBERBLICK... 2 Arbeitsauftrag... 2 SCHÜLERANTWORTBLATT... 3 HINWEISE... 4 Windmesser... 4 Eichung Schülerideen franz kranzinger -1- DataStudi

2 FK128 rund um den Wind.dc Überblick Zeitbedarf: 2 Unterrichtsstunden (ca 90 Minuten) Klassenstufe: Schwierigkeitsgrad: 9 Kern Aus dem bisherigen Unterricht ist das s genannte Strm-Antriebs-Widerstandsknzept bekannt. S z.b. aus dem E-Lehre-Unterricht, bei dem die elektrische Ptenzialdifferenz der Antrieb für einen elektrischen Strm ist. In diesem Prjekt wird dieses Knzept auf den Wind als Gas-Strm angewendet. Im Kntext des Wetterphänmens Wind spielen je nach den Zielsetzungen des Prjekts - eventuell die Entstehung vn Hch- und Tiefdruckgebieten, die Criliskraft, Passatwinde, Jetstreams eine Rlle. Ein verpflichtender Schwerpunkt aus der Physik ist - neben der Diskussin der Analgien zur E-Lehre und zur Wärmelehre - der Bau und die Eichung eines Windmessgerätes. Geräteausstattung Cmputer mit einem USB-Anschluss Pasprt Xplrer-GLX (CONATEX Bestellnr ) ODER USB-Link (CONATEX Bestellnr ) ODER Bluetth-Adapter (CONATEX Bestellnr ODER PwerLink (CONATEX Bestellnr ) Pasc DataStudi Sftware (CONATEX Bestellnr ) alle Sensren, die in der Sammlung zur Verfügung stehen u.a. den Rtary-Mtin-Sensr. evtl. Halbschalen-Windrad zum Rtary-Mtin-Sensr evtl. Lüfterrad eines Cmputerlüfters evtl. Windfläche zum Rtary-Mtin-Sensr Arbeitsauftrag Der Prjektname lautet: rund um den Wind. Sie diskutieren mit Ihrem Team, welchen Aspekt Sie zusammen recherchieren, diskutieren wllen. Hierbei haben Sie drei Schwerpunkte: (a) das Wetterphänmens Wind z.b. Hch- und Tiefdruckgebieten, Passatwind, Jetstream, Orkan, Trnad, Zykln, Hurrikan, Taifun (b) das Strm-Antriebs-Widerstandsknzept z.b. Analgien zur E-Lehre zur Wärmelehre evtl. auch zur Mechanik? (c) Bau, Eichung und Einsatz eines Windmessgeräts. Ihnen stehen die Sensren des Messerfassungssystems Xplrer-GLX zur Verfügung u.a. z.b. der Rtary-Mtin-Sensr! Diskutieren Sie mögliche Prjektschritte stimmen Sie sich in Ihrem Team ab mdularisieren Sie Ihr Vrgehen (wenn möglich) vereinbaren Sie Fixpunkte halten Sie sich im Falle einer Mdularisierung an die gebtene Schnittstellendisziplin führen Sie die geplanten Experimente aus führen Sie alle Ergebnisse zusammen Dkumentieren Sie Ihre Arbeit. franz kranzinger -2- DataStudi

3 FK128 rund um den Wind.dc Schülerantwrtblatt [A] Definitinen Begriffe [A.01] [A.02] [A.03] [A.04] [A.05] [A.06] [A.07] [A.08] Was versteht man unter dem Strm-Antriebs-Widerstandsknzept Welche physikalische Größe wirkt als Antrieb bei einem Gasstrm? Warum haben Tief- und Hchdruckgebiete eine s lange Lebensdauer? Wie entstehen Druckdifferenzen in der Atmsphäre? Wie werden Stürme benannt welche Skalen bestimmen die Bezeichnungsweise? Was versteht man unter einem Hurrikan? Was ist ein Taifun? Was ist ein Zykln? Was ist ein Orkan? Wie entstehen Wirbelstürme Was versteht man unter einem Trnad? [A.09] Welche Rlle spielt das Windmessgerät an einem Flughafen? 1 [A.10] Wie sehen slche Windmessgeräte aus? Welche werden im Leichtathletikverein zur Windmessung verwendet. Wzu benötigt man in der Leichtathletik überhaupt diese Geräte? [B] Vrhersagen (im Sinne der Galileischen Methde) [B.01] [B.02] Welche Geschwindigkeiten erwarten Sie bei einem Sturm? Welche Windgeschwindigkeit erwarten Sie bei einem Haartrckner? [C] Messung [C.01] [C.02] [C.03] [C.04] Bauen Sie das Windmessgerät auf! Eichen Sie das Windmessgerät! Führen Sie die Messungen entsprechend Ihrem Knzept aus! Lagen Sie mit Ihren Abschätzungen richtig? [D] Flgerungen Analyse [D.01] Welchen Alltagsbezug können Sie im weiteren Umfeld dieser Thematik finden? die Flugzeuge starten und landen grundsätzlich immer gegen den Wind. Seitenwind ist vr allem bei der Landung ein Prblem z.b. der Einsatz vn Windmessgeräten in der Leichtathletik der beim Skispringen bei Fensterjalusien, Markisen am Flugplatz franz kranzinger -3- DataStudi

4 FK128 rund um den Wind.dc Hinweise Windmesser Fließgeschwindigkeit In der Physiksammlung war der Sensr Fließgeschwindigkeit (Bestellnummer: ) vrhanden, mit dem die Schülerinnen und Schüler die Fließgeschwindigkeit in der Rems bestimmt haben. Das besndere an diesem Gerät ist die Möglichkeit, gleichzeitig mit der Fließgeschwindigkeit auch die Wassertemperatur an dieser Stelle zu bestimmen. Die Idee in diesem Prjekt ist die Frage, b man diesen Sensr auch zur Windgeschwindigkeitsmessung verwenden kann. Dazu fährt ein Erwachsener mit Führerschein auf einer möglichst unbelebten vierspurigen Straße mit knstantem Temp, während der Strömungsmessfühler (eigentlich für Flüssigkeiten gebaut) aus dem Dach- der Seitenfenster s gehalten wird, dass die Luftströmung vertikal auf die Öffnung des Fühlergehäuses trifft das Flügelrad als möglichst vertikal vn der Luftströmung getrffen wird. Mit den abgelesenen Tachwerten und den dazu gehörigen Messwerten des Strömungssensrs kann dieses Gerät eichen. Der Vergleich mehrerer Windmessmethden zeigt, in welchen Windgeschwindigkeitsbereichen die verschiedenen Windmesser wie genau sind. Windklappe Mit stabilem Kupferdraht wird eine Klappe im Prinzip ein Pendel gebaut, die über die Drahtaufhängung an der Achse des Rtary-Mtin-Sensr befestigt ist. Jede Auslenkung der Klappe wird vm Rtary-Mtin-Sensr als Winkel-Wert registriert. Wird die Klappe angeblasen, wird die Klappe ausgelenkt. Die Windstärke ergibt sich als Funktin dieses Klappenwinkels. Die Windstärke kann in der DataStudi-Sftware als berechnete Größe ausgegeben werden. franz kranzinger -4- DataStudi

5 FK128 rund um den Wind.dc Windrad Halbschalen Aus zwei halbierten Tennisbällen, vier Kupferdrahtstücken, einer Beilagscheibe, vier Schrauben und vier Muttern wird ein Windrad gebaut. Dieses Windrad wird mit der Beilagscheibe auf der Achse des Rtary-Mtin-Sensrs befestigt. Die Winkelgeschwindigkeit des Windrades wird vm Rtary-Mtin-Sensr an die DataStudi-Sftware geliefert werden. Die Eichung erflgt in passender Weise siehe nächstes Kapitel. Lüftervariante Mit einfachen Mitteln kann man ein Lüfterrad eines Cmputerlüfters abnehmen, das Achsenlch passend aufbhren und auf der Achse des Rtary-Mtin-Sensr (Drehwinkelsensr) mit der beiliegenden Schraube befestigen. Windmessgerät z.b. leihweise vm Leichtathletik-Verein Wenn im Prjekt Schülerinnen und Schüler aus einem Leichtathletikverein mitarbeiten kmmt zwangsläufig die Idee, das geeichte Windmessgerät aus dem Verein für die Meisterschaften auszuleihen. Im Regelfall wird hierbei ein Gerät ähnlich dem Windrad (siehe - ben) eingesetzt, bei dem auf einem Display die Windgeschwindigkeit direkt angezeigt wird. Ein relativ preisgünstiges Anemmeter Windgeschwindigkeitsmessgerät gibt es bei CONATEX (Bestellnr ). Interessant ist die mechanische Arbeitsweise. Mit größeren Ksten ist die Anschaffung einer Experimentierbx (CONATEX Bestellnr ) verbunden, in der vielfache Wind- und Wetterexperimente möglich sind u.a. auch die Windgeschwindigkeitsmessung. franz kranzinger -5- DataStudi

6 FK128 rund um den Wind.dc Windradvariante ^^ Eine interessante Schüleridee besteht darin, das Windrad als Windmessgerät umzufunktinieren. Eine Lichtschranke misst die Umdrehungszahl des Rades Digitaladapter Windrad Lichtschranke Xplrer-GLX franz kranzinger -6- DataStudi

7 FK128 rund um den Wind.dc Windschlange Eine sehr schöne Variante ist die Verwendung einer s genannten Windschlange der Windschraube. Der Drehwinkelsensr wird an einer Stativstange s befestigt, dass die Achse des Drehwinkelsensr in Richtung der Stativstange zeigt. An dem Drehwinkelsensr wird die Windschlange (Windschraube; siehe Bild) befestigt. Der Wirbel (ein Zwischenstück, das im Nrmalfall dafür srgt, dass sich die Windschraube relativ zur beren Befestigung leicht drehen kann) muss hierbei entfernt werden. Denn über das Drehwinkelmessgerät möchte man die Drehung der Windschraube aufnehmen; dazu muss die Windschraube fest mit der Achse des Drehwinkelsensr verbunden werden Am unteren Ende der Windschlage befestigt man an dem mitgelieferten Wirbel (Erklärung siehe ben) einen Körper definierter Masse (Wägesatz). Wenn die Windschraube nun vm Wind angeblasen wird, beginnt sie sich zu drehen. Die Winkelgeschwindigkeit über den Drehwinkelsensr gemessen ist eine Funktin der Windstärke. Gleichzeitig stellt man fest, dass die Windschlange um einen Winkel α seitlich ausgelenkt wird. Wenn man die Stativstange drehbar befestigt, kann man diesen Winkel α leicht bestimmen. Man dreht die Stativstange s, dass sie in einer Linie mit der Achse der Windschlange steht. Den Winkel zwischen der Stativstange und der Vertikalen kann man nun mit einem entsprechend befestigten Gnimeter der einfach mit einem Gedreieck bestimmen. Es stellen sich interessante Fragen: Warum dreht sich die Windschlange überhaupt im Wind? Betrachtet man die Windschlange in einer Blickrichtung vertikal zu ihrer Achse, ergeben sich links und rechts der Achse gleich grße Angriffsflächen für den Wind. Als müsste man dch erwarten, dass das links- und rechts-drehende Drehmment gleich grß sein müsste. Welcher funktinale Zusammenhang zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω der Windschlange und dem Winkel α ergeben sich? Welcher funktinale Zusammenhang zwischen der Winkelgeschwindigkeit ω und der Windgeschwindigkeit finden wir WENN man mit einem geeichten Windgeschwindigkeitsmessgerät zusätzlich zu den bigen Messdaten die genaue Windgeschwindigkeit bestimmen kann. Welche Rlle spielt bei diesen funktinalen Abhängigkeiten (Winkelgeschwindigkeit ω und Auslenkungswinkel α) die angehängte Masse am Ende der Windschlange? Was erwartet man im Extremfall grßer Windstärken legt sich die Windschlange dann s in den Wind, dass sie fast hrizntal liegt? franz kranzinger -7- DataStudi

8 FK128 rund um den Wind.dc Eichung Schülerideen Die Herausfrderung in diesem Prjekt bestand nicht nur darin, sich Windmessgerät auszudenken, sndern diese Geräte im Rahmen der DataStudi-Sftware auch s zu eichen, dass sie alle die reale Windgeschwindigkeit mit einer möglichst kleinen Fehlerabweichung zu messen. Interessant war auch die Frage, b die Genauigkeit dieser Geräte auch bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten erhalten bleibt. Varianten Links Man fährt mit dem Aut definierte Geschwindigkeiten, die man am Tach ablesen kann. Das Windmessgerät wird aus dem Autfenster gehalten Man schätzt die Windgeschwindigkeit aus deduktiven Überlegungen Man eicht das im Team knstruierte Windmessgerät mit Hilfe eines Referenzgerätes das man z.b. vm rtsansässigen Leichtathletik-Verein ausleihen kann. franz kranzinger -8- DataStudi