DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V.

Transkript

1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht BERLIN Geheimnis eines en Papierfliegers Moritz Karlhuber Jasper Gumz Schule: Evangelisches Gymnasium zum Grauen Kloster Salzbrunner Straße Berlin Halensee-Grundschule Joachim-Friedrich-Str Berlin Jugend forscht 2009

2 Jugend Forscht 2009 Technik Geheimnis eines en Papierfliegers Moritz Karlhuber Klasse 5a Evangelisches Gymnasium zum Grauen Kloster, Salzbrunner Str. 41, Berlin und Jasper Gumz Klasse 4 d Halensee-Grundschule, Joachim Friedrich-Str , Berlin 1

3 Inhaltsverzeichnis 1. Unser JF Thema Aufgabenstellung und Lösungsweg Bauarten und Flugeigenschaften von Flugzeugen Physikalische Grundlagen Ausgewählte Papierflieger Parameter und Einflussfaktoren Falt-Einfluss-Faktoren Flügelform Flügelfläche / Flügelgröße Rumpf Flugzeuglänge Wurfeigenschaften Abwurfkraft Halteposition Abwurfwinkel Gewichtsparameter Stabilisatoren Vermutung Experiment / Versuchsdurchführung Allgemeiner Ablauf Schwalbe: Klassischer Pfeil Mitra: Zusammenfassung der Versuchsergebnisse in eine Tabelle Ergebnis Literaturverzeichnis Anhang

4 1. Unser JF Thema Wer bastelt nicht gerne Papierflieger? Wir tun das häufig, aber leider fliegt nicht jedes Exemplar. Woran kann das liegen? Diese Frage haben wir uns gestellt und überlegt, wie wir die Flugeigenschaften verbessern und die Flugzeit erweitern können. 2. Aufgabenstellung und Lösungsweg Zuerst sahen wir uns die Bauarten und Flugeigenschaften existierender Flieger an, um daraus eventuell Grundlagen für unsere Papierflieger abzuleiten. Dann suchten wir nach den physikalischen Kräften, die auf die Papierflieger wirken. Anschließend überlegten wir uns, welche Parameter beim Bauen und Werfen zu berücksichtigen sind und wie sich die Veränderungen auf das Flugverhalten auswirken können. Wenn möglich wollen wir eine Falt- und Wurfanleitung für die untersuchten Papierflieger erstellen. 3. Bauarten und Flugeigenschaften von Flugzeugen Flugzeugtyp Flügelart Antrieb Geschwindigkeit Vergleichbare Papierflieger Kampfflugzeug Segelflieger Nurflügler Passagierflieger große, meist dreieckige, trapezförmige Flügelfläche dünne, lange Flügel rechteckige Flügelfläche ohne Rumpf Mischung zwischen Segel- und Kampfflugzeug Düsentriebwerke kein künstlicher Antrieb Propeller Düsen 3 schnell langsam Langsam schnell z.b. Klassischer Pfeil, Schwalbe aus einem Stück Papier nicht herzustellen z.b. U2- Spionageflugzeug, Mitra aus einem Stück Papier nicht herzustellen Zwischenergebnis: Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass aus einem Blatt ein Nurflügler oder ein Art Kampflugzeug gefaltet werden kann. 4. Physikalische Grundlagen Ein Papierflieger ist vier Kräften ausgesetzt: - Schubkraft - Auftrieb - Schwerkraft - Luftwiderstand

5 Je stärker wir den Papierflieger werfen, umso größer ist die Schubkraft. Der Luftwiderstand wirkt der Schubkraft entgegen. Daher muss die Schubkraft stärker sein als der Luftwiderstand. Unter der Schwerkraft verstehen wir die Anziehungskraft, die von der Erde, auf den Flieger ausgeübt wird. Auf dem Mond wäre die Anziehungskraft geringer, wodurch der Papierflieger sicherlich weiter fliegen kann. Der Auftrieb wirkt der Schwerkraft entgegen. Für eine e Gleiteigenschaft müsste der Auftrieb der Schwerkraft entsprechen, in diesem Fall bliebe der Flieger auf einer horizontalen Ebene bleibt. 5. Ausgewählte Papierflieger Wir haben zwei uns bekannte Papierflieger, den klassischen Pfeil und die Schwalbe, sowie einen exotisch-unbekannten aus dem Buch Papierflieger, Klassiker und Supermodelle zum Selberfalten ausgewählt. klassischer Pfeil Schwalbe Mitra 4

6 6. Parameter und Einflussfaktoren Unter Parameter verstehen wir die Einflussfaktoren, die sich auf das Flugverhalten des Papierfliegers auswirken. Dabei unterscheiden wir Einflussfaktoren, die durch das Falten des Papiers entstehen, der Wurfeigenschaften, Gewichtsparameter, sowie den Stabilisatoren. 6.1 Falt-Einfluss-Faktoren Wenn man bei der gleichen Papierfliegerart die Faltungen verändert, so hat der Flieger, wenn er fertig ist eine andere Flügelform, Flügelfläche und Rumpfgröße. Unsere Vermutung ist, dass sich die Falt-Einfluss-Faktoren auf den Auftrieb auswirken Flügelform klassischer Pfeil dreieckige bis trapezförmige Flügelform Schwalbe spitzwinklige Dreieckflügelform Mitra abgeschrägte Hohlzylinderflügelform Flügelfläche / Flügelgröße Aus der Flügelform und der Flügelgröße ergibt sich die Flügelfläche. Der klassische Pfeil hat gegenüber der Schwalbe eine kleinere Flügelfläche. Bei diesen Typen sind die Flügel klar zu erkennen und deren Größe zu berechnen. Bei der Mitra ist die Flügelform und Flügelfläche nicht klar erkennbar. Daher haben wir die gesamte Zylinderaußenfläche als Flügel gesehen Rumpf Als Rumpf bezeichneten wir den nach unten gefalteten Teil zwischen den beiden Flügelflächen. Nach dieser Festlegung besitzt die Mitra keinen Rumpf Flugzeuglänge Länge von der Spitze bis zum hintersten Punkt. 6.2 Wurfeigenschaften Wenn wir uns beim Werfen des Fliegers beobachten, dann können wir folgende Variablen erkennen: - Der Flieger wird ganz sanft oder mit großer Kraft geworfen. Diese Größe bezeichnen wir als Abwurfkraft. - Position, an der man den Flieger zum Abwerfen hält. - Der Flieger wird nach oben, unten oder geradeaus geworfen. Dabei handelt es sich um den Abwurfwinkel, der gegenüber der horizontalen Ebene wirkt. 5

7 6.2.1 Abwurfkraft Hierbei unterscheiden wir für unsere Versuche einen leichten und einen starken Abwurf Halteposition Folgende Festlegung trafen wir. - Die zentrale Halteposition ist der Schwerpunkt des Papierfliegers. An dieser Stelle (Position 2) ist der Papierflieger im Gleichgewicht. - Die Position 1 befindet vor dem Gleichgewichtspunkt in der Nähe der Spitze - Die Position 3 befindet sich deutlich hinter dem Schwerpunkt. Für die Mitra mussten wir diese Haltepositionen etwas ändern, da es keinen Rumpf zum Halten gibt. Die Positionen 1 und 3 sind am Zylinder vorne und hinten. Die Position 3 ist seitlich am Zylinder. 6

8 6.2.3 Abwurfwinkel Für unsere Versuche verwendeten wir zunächst einmal einen horizontalen Abwurfwinkel. Ein Abwurfwinkel in negativer Richtung (nach unten) würde sich ungünstig auf das weite Gleiten auswirken, da der Schwerkraft zugearbeitet wird. 6.3 Gewichtsparameter Eigentlich hat jeder Papierflieger aus dem gleichen Papiertyp das gleiche Gewicht. Unter Gewichtsparameter definierten wir den Schwerpunkt, der sich durch unterschiedliches Falten verändert. 6.4 Stabilisatoren Bei normalen Flugzeugen sind die Flügelenden nach oben gebogen, sogenannte Winglets. Dies kann auf Papierflieger leicht übertragen werden. Dazu sind die Papierenden nach oben zu biegen. 7. Vermutung Folgende Vermutungen stellten wir auf: Falteigenschaften Wurfeigenschaft Flügelform Flügelfläche Rumpf Je spitzer die Dreiecksform und je stärker der Schub, umso weiter fliegt der Papierflieger. Je größer die Flügelfläche, desto besser gleitet der Papierflieger. Je größer der Rumpf und je stärker der Schub, desto weiter fliegt der Papierflieger. Flugzeuglänge Je länger, desto länger fliegt der Papierflieger horizontal. Richtung Abwurfstärke Je steiler nach oben, desto höher fliegt der Papierflieger. Je waagerechter desto besser ist das Segelverhalten. Je sanfter der Abwurf bei Nurflügler, desto besser ist das Segelverhalten. 7. Experiment / Versuchsdurchführung 7.1 Allgemeiner Ablauf - Zuerst einmal falteten wir entsprechend der Anleitung im Buch Papierflieger den Flieger und warfen diesen mit unterschiedlicher Kraft und an wechselnden Haltepositionen waagerecht. 7

9 - In einem weiteren Test versuchten wir die Faltung so zu verändern, dass sich die Flügelgröße oder die Rumpfgröße verändert und probierten die Flieger aus. - Anschließend bewerteten wird das Flugverhalten in sechs Stufen: perfekt, sehr,,, schlecht, sehr schlecht Schwalbe: Bild Gemessene Größen Beschreibung des Flugverhaltens 1 Rechteck: 2,5cm x 14,1cm=35,25qcm Trapez: (8,7+14)/2 x5,0=56,75qcm Flügelfläche: (35,25qcm+56,75qcm)x2=184qcm Länge:14,1cm Breite:3cm 4cm,linkslastig sehr 2 Rechteck:keines Trapez:(14,3cm+8,5cm)/2x5cm=57qcm Flügelfläche:57qcmx2=114qcm Länge:14,3cm Breite:5,2cm 5cm schlecht sehr schlecht sehr schlecht 3 Rechteck:keines Trapez:(13,7cm+8,7cm)/2x5,3cm=32,86qcm Flügelfläche:65,72qcm Länge:16,5 Breite:5,3 5,8cm sehr schlecht total schlecht 8

10 4 Rechteck:keines Trapez:(16,5cm+8,8cm)/2x7,4=93,61qcm Flügelfläche:93,61x2=187,22qcm Länge:16,5cm Breite:2,9cm 5,8cm total schlecht 5 Rechteck:1cm x 16,2=16,2qcm Trapez:(16,2cm+8,5cm)/2x7cm=86,45qcm Flügelfläche: 205,3 qcm Länge:16,2 Breite:1,8 7,5 geht so Klassischer Pfeil Bild Gemessene Größen Beschreibung des Flugverhaltens 1 Dreieck: 30cm x5,2cm =156qcm 6,3cm x3,3cm =20,79qcm Fläche: 2x176,76qcm =353,58qcm Länge:29,5 cm Heck 6,1cm 15,7 (gerade Flugbahn) sehr (gerade Flugbahn) perfekt (gerade Flugbahn) perfekt (gerade Flugbahn) sehr (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) 2 Dreieck: 31,4cm x2,9cm =91,06qcm Fläche: 2x91,06=128,12 Länge:29,6 Heck:3,2 16,5 (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) eher schlecht (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) 9

11 3 Trapetz: (21,4+4,4)/2 x 7=90,3 Fläche 2x90,3=180,6 Länge:29,8 Heck: 3,5 15,7 4 Dreieck:22,5cmx3,2cm=72,0qcm Fläche: 2x72,0qcm=144,0qcm Länge:29,5cm Heck:2,6cmcm 16,1 eher schlecht (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) schlecht (gerade Flugbahn) Sehr (gerade Flugbahn) (gerade Flugbahn) schlecht (gerade Flugbahn) 5 Trapez:(24,5cm+4,7cm)/2x8,4cm=122,6 4qcm Fläche:2x122,64qcm=245,28qcm Länge:29,5cm Höhe:2,0cm 16, Mitra: Bild Gemessene Größen Beschreibung des Flugverhaltens 1 Rechteck: 23 x 2,5 = 57 qcm Trapez: (21 + 8,5)/2 x 5,5 = 81,1 qcm Dreieck: 0,5 x 3,5 x 1,8 = 3,1 qcm 0,5 x 5 x 2,5 = 6,2 qcm Fläche: 145 qcm schlecht Seitlich + Schubkraft leicht + Richtung horizontal schlecht Seitlich + Schubkraft stark + Richtung horizontal schlecht 10

12 2 Rechteck: 31,5 x 0,8 = 25,2 qcm Trapez: (12,5 + 29,2)/2 x 8,5 = 177 qcm Dreieck: 0,5 x 6 x 3 = 9 qcm 0,5 x 6 x 3 = 9 qcm Fläche: 220 qcm Mittel Seitlich + Schubkraft leicht + Richtung horizontal Mittel c Seitlich + Schubkraft stark + Richtung horizontal Mittel 3 Rechteck: 32,8 x 2 = 65,6 qcm Trapez: ( ,2)/2 x 4 = 66,4 qcm Dreieck: 0,5 x 5,5 x 2,8 = 7,7 qcm 0,5 x 7,5 x 3 = 11,2 qcm Fläche: 150,9 qcm Sehr Seitlich+ Schubkraft leicht + Richtung horizontal Sehr Mittel Sehr Seitlich + Schubkraft stark + Richtung horizontal Sehr Sehr 4 Rechteck: 35 x 3 = 70qcm Trapez: (12,2 + 20,2)/2 x 5,5 = 97,1 qcm Dreieck: 6 X 3 X 0,5 = 9 qcm 6 X 3 X 0,5 = 9 qcm Fläche: 185,1 qcm Sehr Seitlich + Schubkraft leicht + Richtung horizontal Sehr Mittel Sehr Seitlich+ Schubkraft stark + Richtung horizontal Sehr Sehr 11

13 7.2. Zusammenfassung der Versuchsergebnisse in eine Tabelle Flügelform Flügelfläche Rumpf Schub. leicht / horizontal Schub. stark / horizontal Dreieck Trapez Rechteck Fläche Länge Höhe/Heck Schwerpunkt vorn Schwerpunkt hinten vorn Schwerpunkt hinten Schwalbe 1 x x ,1 3 4 sehr Schwalbe 2 x ,3 5,2 5 schlecht schlecht schlecht Schwalbe 3 x 66 16,5 5,3 5,8 schlecht schlecht Schwalbe 4 x ,5 2,9 5,8 schlecht Schwalbe 5 x x ,2 1,8 7,5 Pfeil 1 x ,5 6,1 15,7 sehr perfekt perfekt sehr Pfeil 2 x ,6 3,2 16,5 schlecht Pfeil 3 x ,8 3,5 15,7 schlecht schlecht schlecht schlecht schlecht schlecht Pfeil 4 x ,5 2,6 16,1 schlecht schlecht sehr schlecht Pfeil 5 x , schlecht schlecht schlecht schlecht schlecht Schlecht Mitra 1 x x x ,5 - - schlecht schlecht schlecht Mitra 2 x x x Mitra 3 x x x 151 9,5 - - sehr sehr sehr sehr Mitra 4 x x x sehr sehr sehr sehr sehr In der Versuchsreihe zeigt sich Schwalbe 1, Pfeil 1 und Mitra 4 als beste Papierflieger. 8. Ergebnis Vor dem Hintergrund dieser Analyse können wir unsere Vermutungen überprüfen. Flügelform Je spitzer die Dreiecksform und je stärker der Schub, umso weiter fliegt der Papierflieger. Falteigenschaften Flügelfläche Rumpf Stimmt nicht Je größer die Flügelfläche, desto besser segelt der Papierflieger. Stimmt Je größer der Rumpf und je stärker der Schub, desto weiter fliegt der Papierflieger. Stimmt Flugzeuglänge Je länger, desto gerade fliegt der Papierflieger. Eher nicht richtig 12

14 Wurfeigenschaft Richtung Abwurfstärke Je steiler, desto höher fliegt der Papierflieger. Je wagerechter desto besser das Segelverhalten. Haben wir nicht getest Je sanfter der Abwurf bei Nurflügler, desto besser das Segelverhalten. Stimmt nicht 9. Literaturverzeichnis Papierflieger, Klassiker und Supermodelle zum Selberfalten, Alex Schultz, Parragon Verlag Der Brockhaus 10. Anhang Der Arbeit sind drei Falthilfen für Testsieger Schwalbe, Pfeil und Mitra beigefügt. 13