FRANKENTHAL. Panta rhei - Alles fließt. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Noreen Strubel.

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht FRANKENTHAL Panta rhei - Alles fließt Noreen Strubel Daria Waldow Schule: Gymnasium am Kaiserdorn Große Pfaffengasse Speyer Jugend forscht 2010

2 Panta Rhei Alles fließt eine Schüler-Experimentieren-Arbeit von Noreen Strubel Gymnasium am Kaiserdom Speyer im Fachgebiet Physik

3 Noreen Strubel 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Theorie Unsere Versuche Diskussion unserer Ergebnisse Ausblick Quellen Einleitung Nachdem es bei uns in der Schule gebrannt hat, fragten wir uns was bei einer solchen Situation für Maßnahmen ergriffen werden können, um eine große Menschenmasse sicher nach draußen zu bringen. Weiter haben wir uns gefragt, ob eine Menschenmasse auch wie Wasser fließt. Zuerst haben wir uns das Fließverhalten von Wasser angeschaut und danach mit dem Verhalten eines Menschenstromes verglichen. 2. Theorie 2.1. Wasser Strömung Es gibt zwei verschiedene Arten von Strömungen: Die laminare Strömung, in der keine Turbulenzen auftreten und die turbulente Strömung, in der häufig Verwirbelungen auftreten. Laminare Strömung tritt auf, wenn das Wasser langsam fließt. Beispiel einer laminare Strömung 1 1 de.wikipedia.org/wiki/laminare_strömung

4 Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Noreen Strubel 3 Die turbulente Strömung entsteht bei einer höheren Fließgeschwindigkeit. Beispiel einer turbulente Strömung 2 Ob es sich um eine laminare oder turbulente Strömung handelt, kann durch die so genannte Reynolds Zahl Re berechnet werden Strömungsgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit der Strömung ist innerhalb eines Flusses nicht gleich. Beim Stromstrich ( siehe ), der auf geraden Flussstrecken ungefähr in der Mitte liegt, ist sie am stärksten. Nach außen nimmt sie infolge von Verwirbelungen und der Reibung am Grund ab. 3 2 emergenz.hpfsc.de/html/stroemung.png 3

5 Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherweise über zu wenig Arbeitsspeicher, um das Bild zu öffnen, oder das Bild ist beschädigt. Starten Sie den Computer neu, und öffnen Sie dann erneut die Datei. Wenn weiterhin das rote x angezeigt wird, müssen Sie das Bild möglicherweise löschen und dann erneut einfügen. Noreen Strubel 4 In einer Kurve wandert der Stromstrich wegen der Zentrifugalkraft an den äußeren Rand der Kurve. Dort kommt es wegen der höheren Geschwindigkeit zur Erosion. An der Innenseite kommt es wegen der niedrigeren Geschwindigkeit zur Sedimentation (Ablagerung) Geschwindigkeit von Wasser an einer Verengung Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Literanzahl, die in einer bestimmten Zeit die Verengung passieren will. Da das Volumen und die Zeit gleich bleiben, muss sich die Zeit im Bezug auf die Fläche erhöhen. Wenn sich also die Fläche A um ein Drittel verringert und die Zeit und das Volumen V gleich bleibt, muss sich die Geschwindigkeit v um ein Drittel steigern. Da Wasser schneller fließt wenn der Druck zunimmt, entsteht kein Stau Stromstrich Der Stromstrich ist eine Verbindungslinie der Punkte mit der höchsten Fließgeschwindigkeit. Seine Lage ist von verschiedenen Bedingungen abhängig, zum Beispiel der Form und Rauigkeit des Ufers. Er liegt auf geraden Flussabschnitten etwa in der Mitte des Flusses. In einer Kurve wird er durch die Zentrifugalkraft an deren Außenrand gedrückt. 4

6 Noreen Strubel Hindernis Wenn fließendes Flusswasser auf ein gr0ßes Objekt (z.b. ein Fels) stößt, umspült es dieses einfach. Bei laminarer Strömung fließt das Wasser dahinter einfach normal weiter. Bei turbulenter Strömung entstehen dahinter kleine Wirbel. 5 In diesem Versuch wurde die Fließgeschwindigkeit schrittweise erhöht. 2.2 Menschen Was ist ein Menschenstrom Ein Menschenstrom ist eine große Anzahl von Menschen die sich in eine Richtung bewegt, z.b. auf dem Jahrmarkt. 3. Unsere Versuche Unsere Versuche wurden ohne Wissen der Schüler im Sportunterricht als Übung getarnt durchgeführt. Versuch 1 2. schwarzer Schuhkarton 3. bunte Kappen (10) 4. verschiedene Sportgeräte aus der Sporthalle 5 emergenz.hpfsc.de/html/stroemung.png

7 Noreen Strubel 6 Versuchsaufbau: Es laufen ca. 30 Schüler durch eine künstlich geschaffene Gasse, die sich plötzlich verengt. Die Gasse besteht aus vier Kästen und zwei Kästchen. Der Versuch wurde von oben gefilmt. Ergebnis: Bei diesem Versuch erkennt man, dass am Anfang viele Schüler zu zweit nebeneinander laufen und dann auch nebeneinander durch die Verengung wollen. Da die Verengung dazu zu eng ist bleiben sie stecken. Es entsteht ein Stau oder der Menschenstrom gerät ins Stocken. Nachdem die Schüler einige Runden gelaufen sind, gehen alle hintereinander, sodass es nur noch selten staut oder stockt. Diese Art von Stau entsteht auch nur wenn viele Schüler auf einmal hindurch wollen. Zu erkennen ist, dass die Schüler nicht wie das Wasser schneller laufen, wenn sie eine Verengung passieren. (gleiche Anzahl+gleiches Tempo+geringere Fläche=Stau) Versuch 2 2. schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. bunte Kappen (10) 4. verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Es laufen ca. 30 Schüler durch eine künstlich geschaffene Gasse, aus zwei Bänken, in der ein Kästchen als Hindernis in der Mitte des Weges steht. Der Versuch wird von oben gefilmt. Ergebnis: Am Anfang dieses Versuches entsteht oft ein Stau, weil zwei Schüler zusammenstoßen. Da sich einer der beiden Schüler im letzten Moment noch für den anderen Weg um das Hindernis herum entscheidet. Viele Schüler überlegen sich bis zum letzten Moment, welchen Weg sie um das Hindernis nehmen. Bei einigen bemerkt man, dass sie sich im letzten Moment umentscheiden. Es staut sich auch, weil die Jugendlichen an der engeren Stelle, die um das Hindernis herum führt, nicht schneller werden. Nachdem die Schüler einige Runden gelaufen sind, entscheiden sie sich schon einige Meter vor dem Hindernis, welchen sie Weg gehen wollen.

8 Noreen Strubel 7 Zu erkennen ist, dass es sich nie auf beiden Wegen gleichzeitig staut. Die meisten Schüler haben den von ihnen aus gesehenen rechten Weg genommen. Bild Versuch 1 & 2 Versuch 3 (dieser Versuch wurde als einziger nicht im Sportunterricht durchgeführt) 2. Stativ 3. bunte Kappen (10) Versuchsaufbau: Ca. 40 Schüler laufen eine der Treppen im Schulgebäude hinunter in die Pause. Wir filmten von oben. Ergebnis: Die Schüler laufen oft zu zweit oder zu dritt nebeneinander. Man kann nicht erkennen, dass es an einer Stelle schneller als einer anderen gewesen ist. Versuch 4 2. schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. bunte Kappen (10) 4. verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Ca. 30 Schüler laufen durch eine flache künstliche Kurve, die aus vier Bänken und zwei schräg gestellten großen Kästen besteht.

9 Noreen Strubel 8 Ergebnis: Die Schüler liefen meist ohne Probleme durch die Kurve, nur wenn sehr viele Schüler auf einmal durch die Kurve wollten, staute es sich leicht. Man konnte beobachten, dass viele Jugendliche über die Begrenzung sprangen. Bild Versuch 4 Versuch 5 2. schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. bunte Kappen (10) 4. verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Ca. 30 Schüler laufen durch eine flache künstliche Kurve, die aus vier Bänken und zwei schräg gestellten großen Kästen besteht. In der Mitte der Kurve steht ein kleiner Kasten als Hindernis. Ergebnis: Am Anfang entscheiden sich die Schüler erst im letzten Moment für einen Weg um das Hindernis herum. Dadurch entstehen Zusammenstöße, denen meist ein Stau folgt. Die Schüler laufen zu diesem Zeitpunkt oft nebeneinander und wollen dann auch nebeneinander um das Hindernis. Weil die Stelle dazu zu eng ist, stockt und staut es sich. Man sieht, dass die Schüler, wenn sie sich nicht für einen der Wege entscheiden können über das Hindernis springen. Als wir das Hindernis erhöhten, zögerten diese kurz. Als die Schüler einige Runden gelaufen sind, staut es sich seltener. Sie entscheiden sich nun schon ein paar Schritte vor dem Hindernis, welchen Weg sie nehmen. Es gibt keinen Jugendlichen mehr, der zögert.

10 Noreen Strubel 9 Auch hier sieht man, dass die meisten Schüler den von ihnen aus gesehenen rechten Weg nehmen. Bild Versuch 5 Versuch 6 2. schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. bunte Kappen verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Ca. 30 Schüler laufen durch eine Kurve, die aus vier im 90 Winkel gestellten Bänken besteht. Der Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Bänken beträgt ca. zwei Meter. Ergebnis: Die Schüler laufen ohne Probleme durch diese Kurve. Es staut oder stockt kein einziges Mal. Man sieht, dass sie nur die innere Bahn der Kurve nutzen, die Ecke betritt niemand. Bild Versuch 6 Versuch 7

11 Noreen Strubel schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. Verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Ca. 30 Schüler laufen durch eine Kurve, die aus vier Bänken, die im 90 Grad Winkel aufgestellt wurden besteht. In der Mitte der Kurve steht ein kleiner Kasten als Hindernis. Der Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Bänken beträgt ca. zwei Meter. Ergebnis: Die Schüler haben kein Problem die Kurve mit dem Hindernis zu durchlaufen, da sowieso alle die innere Bahn nutzen und das Hindernis diese nicht stört. Manche Schüler springen über das Hindernis. Bild Versuch 7 Versuch 8 2. schwarzer Schuhkarton mit Loch 3. verschiedene Sportgeräte aus der Turnhalle Versuchsaufbau: Ca. 30 Schüler laufen durch eine rechtwinklige Kurve, die aus vier Bänken besteht. An die innere Ecke haben wir einen kleinen Kasten als Hindernis gestellt. Der Abstand zwischen den sich gegenüberstehenden Bänken beträgt ca. einen Meter. Ergebnis: Am Anfang erkennen viele Schüler nicht, dass das Hindernis ihnen im Weg steht. Dadurch bremsen sie oft kurz vor dem Hindernis noch einmal ab. Es entsteht ein Stau. Außerdem laufen viele Schüler zu zweit nebeneinander und unterhalten sich, deshalb merken sie erst zu spät, dass sie nebeneinander nicht durch das Hindernis passen.

12 Noreen Strubel 11 Sie bleiben also stecken, dadurch entsteht hinter ihnen ein Stau. Nachdem die Schüler ein paar Runden gelaufen sind, wissen alle, dass das Hindernis ihren Weg blockiert und weichen aus. Nun laufen auch alle hintereinander. Bild Versuch 8 4. Diskussion unserer Ergebnisse Auswertung von unserem ersten Versuch In diesen Versuch haben wir herausgefunden, dass Menschen sich nicht wie Wasser verhalten, wenn sie durch eine Verengung müssen. Sie werden nämlich nicht schneller, wie Wasser. Dadurch entsteht ein Stau der sich nicht so schnell wieder auflöst. Daraus schließen wir, dass man die Türen die bei einem Brand als Notausgänge gedacht sind nicht zu klein ausfallen dürfen. Auswertung von unserem zweiten Versuch In diesem Versuch haben wir herausgefunden, dass Menschen ein Hindernis nicht wie Wasser umspülen. Sie denken zunächst darüber nach, welcher Weg um das Hindernis der schnellere und bessere ist, dabei kann es passieren, dass sie sich noch im letzten Moment umentscheiden. Dadurch stoßen sie dann häufig zusammen und es entsteht ein Stau. Wasser dagegen kann nicht überlegen, wie es am besten um das Hindernis herum kommt. Es geht den Weg, den die Strömung ihm vorgibt, dadurch weiß jedes Wasserteilchen genau, wohin es muss, wodurch kein Stau entsteht. Daraus schließen wir, dass keine Hindernisse in die unmittelbare Nähe von Treppen oder Notausgängen stellen sollte. Auswertung von unserem drittem Versuch Hier haben wir herausgefunden, dass Menschen sich einander anpassen, weil sie zum Beispiel miteinander reden während sie laufen. Dadurch entsteht kein Stromstrich. Auswertung von unserem viertem Versuch Bei diesem Versuch haben wir herausgefunden,dass flache Kurven kein Problem darstellen

13 Noreen Strubel 12 Auswertung von unserem fünften Versuch Bei flachen Kurven darf kein Hindernis im Weg stehen, man sollte also keine Säulen oder andere Hindernisse in flache Kurven stellen. Auswertung unseres sechsten Versuches Die Schüler haben die Kurve nicht ganz ausgenutzt. Sie haben immer nur den inneren Weg genutzt. Daraus schließen wir, dass man den inneren Weg nicht blockieren darf. Auswertung unseres siebten Versuches Bei rechtwinkligen Kurven darf ein kleines Hindernis in der Ecke stehen. Auswertung unseres achten Versuches In rechtwinkligen Kurven darf an der Innenseite kein Hindernis stehen, weil Menschen meistens den kürzesten Weg nehmen. 5. Ausblick Wir würden weitere Versuche zum Thema Kurven machen, z.b. wie breit diese bei einer bestimmten Anzahl von Menschen mindestens sein müssen. Außerdem Versuche zu Treppen, wie Tritthöhe und Stufentiefe sein sollten, damit man nicht so schnell stürzt. Und Versuche zur Fluchtwegoptimierung, ob z.b. 35 Meter bis zum Treppenhaus kurz genug sind. 6. Quellen Stromstrich-Wikipedia Laminare Strömung-Wikipedia turbulente Strömung-Wikipedia