DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V.

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1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG E.V. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht SCHLESWIG-HOLSTEIN Optimierung eines mit Gummikraft angetriebenen Fahrzeugs Noah El-Samalouti Mika Rebensburg Schule: Max-Planck-Schule Kiel Winterbeker Weg Kiel Heinrich-Heine-Schule Heikendorf Schulredder 7/ Heikendorf Jugend forscht 2012

2 Jugend forscht Schüler experimentieren 2012 Enrichment S-H Fachgebiet Physik Optimierung eines mit Gummikraft angetriebenen Fahrzeugs Erweiterte Fassung zum Wettbewerb am März 2012 Mika Rebensburg 12 Jahre Klasse 6d der Heinrich-Heine-Schule Heikendorf Schulredder 7/ Heikendorf Noah El-Samalouti 11 Jahre Klasse 6 der Max-Planck-Schule Kiel Winterbeker Weg Kiel Enrichment Ellerbeker Schule Verbund Kiel Projektbetreuer : Herr Otto Thies

3 Inhalt Kurzfassung... 1 Einleitung... 2 Unsere Forscherfrage:... 2 I. Vorgehensweise und Methoden... 2 II. Auswahl eines geeigneten Fahrzeugs Kastenfahrzeug LEGO Gummimotorauto LEGO Luftballonfahrzeug Rennratte... 4 III. Messungen zu den einzelnen Fahrzeugen Ergebnisse der Messungen mit dem Gummiauto aus Lego Ausgangsmodell der Rennratte Entscheidung für die Rennratte... 6 IV. Veränderungen der Rennratte Rennratte mit Kugellager Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi, 2 Muttern und langem Stab Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi und einem ganz kurzen Stab (Stummel), an dem ein Gewicht angebracht ist Rennratte mit 4 Muttern und langem Stab Zusammenfassung unserer Ergebnisse V. Begründung und Diskussion VI. Weiterführung der Forschung Messungen an der Schallplatten-Rennratte Apparatur zur Kraft-Messung Apparatur zur Kraft-Messung Zusammenfassung der weiteren Ergebnisse: VII. Diskussion und Ausblick VIII. Wer hat uns geholfen? IX. Anhang Bilder von der Arbeit Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Inhalt

4 Kurzfassung Wir haben verschiedene Fahrzeuge mit Gummiantrieb gebaut und wollen deren Reichweite optimieren. Die Gummimotoren werden durch das Aufwickeln eines Gummibandes auf eine Achse, durch Rückstoß eines Luftballons oder durch Aufzwirbeln eines Gummis angetrieben. Wir haben uns für unsere Experimente für das Aufzwirbelprinzip entschieden, verschiedene Verbesserungen ausprobiert und die Fahrstrecke bei verschiedenen Umdrehungen des Gummis gemessen. Die Veränderungen sind: Eine Achse anstelle von 2 Achsen verwenden. Stärkere Gummis verwenden. Kugellager verwenden. Gewicht erhöhen. Es zeigt sich, dass das Fahrzeug weiter fährt, wenn man stärkere Gummis verwendet, die Reibung verringert und Gewichte einbaut. Bei hohem Gewicht haben wir gesehen, dass das Fahrzeug so viel Schwung bekommt, dass sich das Gummi am Ende der Strecke wieder in die Gegenrichtung aufdreht und das Fahrzeug vor und zurück fährt. Das Gefährt mit der größten Reichweite ist eine Rennratte und besteht aus: einer Achse mit 2 Rädern, einem 14 cm langen, 1,5 mm dicken Gummi, einem Gewicht aus 2 Muttern, einem 73 cm langen Holzstab. In weiteren Experimenten haben wir ein verbessertes Modell entwickelt: kugelgelagert - geschmiert schmalere Räder (Schallplatten) verschiedene Gummis (Länge, Stärke) und damit auch Kraftmessungen durchgeführt und herausgefunden, welches Gummi am besten funktioniert. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 1 von 15

5 Einleitung Wir haben bei einem Enrichment Kurs (Region Kiel) mit dem Thema Jugend experimentiert und forscht: Physikalisch-Technische Untersuchungen sowie Förderung besonderer, auch eigener Ideen, und naturwissenschaftlicher Projekte ein Kastenauto mit Gummimotor gebaut (siehe Bild). Da das Auto nicht sehr weit gefahren ist, nachdem man den Gummimotor gespannt hat, haben wir uns überlegt, wie man es verbessern kann, dass es weiter fährt. Unsere Forscherfrage: Wie können wir ein mit Gummikraft angetriebenes Fahrzeug so bauen, dass es möglichst weit fährt? I. Vorgehensweise und Methoden Wir möchten herausfinden, welches Gummimotor-Fahrzeug am besten ist, welche Fahrstrecken die Fahrzeuge zurücklegen, welche Verbesserungen vorgenommen werden können II. Auswahl eines geeigneten Fahrzeugs Zunächst haben wir verschiedene Fahrzeuge gebaut, die sich durch die Spannung eines Gummis antreiben lassen. 1. Kastenfahrzeug Das Kastenfahrzeug ist ein Eiskasten mit 2 Achsen und 4 Papprädern. Der Antrieb funktioniert, indem man die Achse, wo das Gummiband dran ist dreht und so das Gummi spannt. Vorteile: Einfache Materialien (Reste). Nachteile: Fährt nicht sehr weit (maximal 70 cm). Dreht man das Gummi weit auf, drehen die Räder durch. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 2 von 15

6 Das Gummi rutscht an der Achse durch. Der Kastenwagen ist nicht leicht umzubauen. 2. LEGO Gummimotorauto Mit LEGO-Bausteinen aus unseren LEGO-Baukästen haben wir ähnliche Fahrzeuge zusammen gebaut. Unser LEGO-Gummimotorauto wird wie das Kastenauto angetrieben. Vorteile: Die Achsen drehen sich leichter. Es gibt viele verschiedene Legosteine zum Umbauen. Nachteile: Die Räder, die nicht angetrieben werden, bremsen. Das Gummi kann nur 10 Mal aufgedreht werden, da sonst der Zahnstocher bricht, das Gummi reißt oder das Fahrzeug auseinander bricht. 3. LEGO Luftballonfahrzeug Das Lego Luftballonfahrzeug besteht aus 4 Rädern und hat einen kleinen Turm mit einem Loch, durch das ein Luftballon gezogen wird. Das Luftballonauto wird durch den Rückstoß des Luftballons angetrieben. Vorteile: Einfach zu bauen. Nachteile: Es fährt nicht so weit wie das Gummiauto. Bei der Befestigung des Luftballons am Auto entweicht Luft aus dem Ballon. Es ist nicht möglich, den Ballon immer genau gleich aufzupumpen. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 3 von 15

7 4. Rennratte Wir bauen ein Gummimotor-Fahrzeug mit zwei Rädern, unsere Rennratte. Sie besteht aus zwei runden Bierdeckeln (10,5 cm Durchmesser, 1,5 mm dick) als Räder, die an einem Plastikbecher festgeklebt sind. Das Gummi befindet sich zwischen den Rädern im Plastikbecher und ist auf der einen Seite an einem Schaschlikspieß und auf der anderen Seite an einem Zahnstocher befestigt. Der Zahnstocher ist von außen an dem Bierdeckel festgeklebt. Vorteile: Sie ist durchdichtig. Sie hat nur eine Achse mit zwei Rädern. Sie hat einen anderen Antrieb, der weiter aufzudrehen ist, ohne dass das Gummi reißt. Nachteile: Der Holzstab schleift über den Boden und bremst. Der Holzstab reibt am Rad, wenn das Gummi fest aufgedreht wird. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 4 von 15

8 III. Messungen zu den einzelnen Fahrzeugen Wir führen jetzt Messungen durch, um uns für ein geeignetes mit Gummikraft angetriebenes Fahrzeug zu entscheiden. Dazu haben wir mit den verschiedenen Fahrzeugen Experimente durchgeführt und gemessen, wie weit das Fahrzeug fährt. Wir haben die Versuche auf ebenem Boden durchgeführt und die Fahrtstrecke mit hintereinander gelegten Zollstöcken gemessen. 1. Ergebnisse der Messungen mit dem Gummiauto aus Lego Das Diagramm zeigt bei wie viel Umdrehungen des Gummibandes das Auto wieweit fährt. Wir haben beobachtet: Je mehr wir das Gummiband aufdrehen, desto weiter fährt das Auto. Das Legoauto fährt wieder zurück und manchmal sogar wieder nach vorne. Wenn man das Gummi beim Legoauto zu weit aufdreht, reißt es. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 5 von 15

9 2. Ausgangsmodell der Rennratte Umdrehungen des Gummis Versuch 1 in cm Versuch 2 in cm Mittelwert in cm Die Rennratte fährt erst bei 10 Umdrehungen des Gummis los. Wenn man das Gummi stärker aufdreht fährt die Rennratte weiter. 3. Entscheidung für die Rennratte Wir haben für unsere weiteren Versuche die Rennratte ausgewählt, weil sie nur eine Achse hat, die man optimieren könnte. es bei der Rennratte keine Räder gibt, die nicht angetrieben werden und somit bremsen. das Gummi bei der Rennratte verdreht und nicht um die Achse gewickelt wird. Daher kann es nicht durchrutschen. die Rennratte von Anfang an sehr weit fährt. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 6 von 15

10 IV. Veränderungen der Rennratte 1. Rennratte mit Kugellager Umdrehungen Versuch 1 in cm Versuch 2 in cm Versuch 3 in cm Mittelwert in cm Die Rennratte fährt schon ab 5 Umdrehungen los. Der Unterschied in der gefahrenen Strecke ist am Anfang nicht so groß wie am Ende. Ab 20 Umdrehungen ist die Strecke gleich lang wie beim Ausgangsmodell. 2. Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi (Die Ergebnisse dieser Versuche haben wir hier nicht dargestellt) Die Rennratte fährt schief, wird durch den Stab auf einer Seite hochgehoben, und fährt im Kreis, und kippt sogar auf die Seite. Dies muss beim stärkeren Gummi verhindert werden. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 7 von 15

11 3. Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi, 2 Muttern und langem Stab Umdrehungen Richtung 1.Versuch (cm) 2.Versuch (cm) 3.Versuch (cm) Mittelwert (cm) 0 vor vor ,3 10 vor ,3 15 vor vor zurück ,6 25 vor ,3 zurück ,3 30 vor zurück Die Rennratte fährt geradeaus. Die Rennratte fährt ab 10 Umdrehungen viel weiter. Ab 20 Umdrehungen fährt sie am Ende wieder zurück. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 8 von 15

12 4. Rennratte mit Kugellager, stärkerem Gummi und einem ganz kurzen Stab (Stummel), an dem ein Gewicht angebracht ist Umdrehungen Richtung 1.Versuch (cm) 2.Versuch (cm) 3.Versuch (cm) Mittelwert (cm) 0 vor vor ,6 vor zurück ,3 vor ,3 vor ,6 15 zurück vor ,6 1 Die Rennratte fährt geradeaus. Ab 10 Umdrehungen fährt sie am Ende wieder zurück und sogar wieder vor. Die Rennratte fährt sehr viel weiter. Ab 20 Umdrehungen dreht sich der Stab, an dem das Gewicht hängt, mit. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 9 von 15

13 5. Rennratte mit 4 Muttern und langem Stab Umdrehungen Richtung 1.Versuch (cm) 2.Versuch (cm) 3.Versuch (cm) Mittelwert (cm) vor ,6 zurück ,6 vor ,6 zurück ,3 vor vor ,6 zurück ,3 vor ,3 zurück ,6 vor ,3 vor zurück ,3 vor ,6 zurück vor vor zurück vor ,3 zurück ,6 vor ,6 Die Rennratte fährt schon ab 5 Umdrehungen weiter. Die Rennratte fährt bereits bei 5 Umdrehungen hin und her (bis zu 6 Mal). Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 10 von 15

14 6. Zusammenfassung unserer Ergebnisse Wir haben herausgefunden, dass Fahrzeug mit Gummiantrieb am besten fährt, 1. wenn es nur eine Achse hat. 2. wenn es ein Kugellager hat und das Loch in dem Papprad ausreichend groß ist. 3. wenn ein Gummiband mit 5 mm Breite, 14 cm Länge und 2 mm Dicke benutzt wird. 4. wenn man bei der Rennratte Gewichte an die Räder klebt. 5. wenn man bei der Rennratte einen langen Holzstab (73 cm) benutzt. V. Begründung und Diskussion 1. Die Räder, die nicht angetrieben werden, bremsen. 2. Durch das Kugellager und durch das Weglassen der 2. Achse haben wir die Reibung verringert. 3. Ein starkes Gummi hat die Kraft erhöht und den Motor stärker gemacht. 4. Ein starkes Gummi kann man nur verwenden, wenn die Rennratte durch Ankleben von Muttern auf die Räder nicht angehoben wird. Durch das Ankleben von Gewichten hat die Rennratte mehr Schwung erreicht und das Fahrzeug fährt länger. Dadurch dreht sich das Gummi am Ende der Strecke jeweils in die andere Richtung etwas auf und das Fahrzeug fährt hin und her. Aber auch zu viel Gewicht bremst, da das Fahrzeug schwer ist, auf den Boden gedrückt wird und mehr Reibungswiderstand hat. 5. Ein langer Holzstab bremst weniger als ein kurzer, weil durch seinen langen Hebel weniger Gleitreibung entsteht. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 11 von 15

15 VI. Weiterführung der Forschung Weitere Überlegungen: Wir haben gesehen, dass wir noch vieles an der Rennratte verbessern können und deshalb haben wir noch folgende Veränderungen ausprobiert: zusätzliches Rad an den Schleifstab anbringen und Kugellager einsetzen Schmiermittel verwenden (Kugellager ölen). dünnere und größere Räder einbauen (Schallplatten, CDs). weitere Gummisorten ausprobieren. 1. Messungen an der Schallplatten-Rennratte Wir haben eine kleine Schallplatten-Rennratte (Umfang = 17.5 * Pi = 55 cm) mit starkem Gummi für die Messungen verwendet. Die Räder sind durch 4 Gewindestangen miteinander verbunden und das Gummi wird zwischen 2 Metallhaken gespannt, die mit Schrauben in der Mitte der Schallplatten befestigt sind, so dass wir die verschiedenen Gummis leicht auswechseln konnten. Mit der Schallplatten-Rennratte wollten wir durch Kraft-Messung herausfinden, welches Gummi am besten ist. 2. Apparatur zur Kraft-Messung 1 Wir haben eine Apparatur zur Messung der Kraft, die die Rennratte nach Aufdrehen des Gummimotors freisetzt, hergestellt. Dabei haben wir ein Gewicht an der Rennratte befestigt und gemessen, wieviel Gewicht die Rennratte bei verschiedenen Umdrehungen des Gummimotors hoch ziehen kann. Gummiband Band Waage Gewicht Die Kraft haben wir in centi-newton (cn) angegeben. Dabei haben wir angenommen, dass 100 g des Gewichtes 100 cn sind. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 12 von 15

16 Ergebnisse der Kraft-Messung Umdrehungen Kraft (in cn) 0 0,00 5 0, , , ,50 3. Apparatur zur Kraft-Messung 2 Mit unserer zweiten Apparatur zur Kraft-Messung können wir die Kraft der verschiedenen Gummis vergleichen, wenn wir die Gummis austauschen und die Kraft des Schleifstabes auf die Waage messen. Gummiband Schleifstab Waage Ergebnisse der Kraft-Messung unterschiedlicher Gummis Gemessen bei einer Umdrehungszahl des Gummis von 20 Gummiart Farbe Länge(cm) Breite (mm) Kraft (cn) Antriebskraft (cn) 1 rot ,39 1,48 2 weiß ,81 0,9 3 (doppelt*) blau ,45 2,54 4 (doppelt*) orange ,8 1,89 5 (doppelt*) gelb ,29 0,38 6 grün 5 1 5,35 0,44 7 (dünn) rot 3 1 5,35 0,44 8 türkis 7 1 5,41 0,5 (*) wegen der Länge des Gummis mussten wir das Gummi doppelt einspannen Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 13 von 15

17 Verschiedene getestete Gummibänder 4. Zusammenfassung der weiteren Ergebnisse: In den weiterführenden Versuchen haben wir eine Modellrennratte gebaut, an der wir verschiedene Gummis messen und vergleichen konnten. Die unterschiedlichen Gummis ergeben bei gleichen Umdrehungszahlen verschieden starke Kräfte. Die meiste Kraft ergab das blaue Gummi (Nr. 3). Die Qualität der getesteten Gummis nimmt in folgender Reihenfolge ab: und 7 5 VII. Diskussion und Ausblick Anhand unserer Messungen haben wir die optimalen Bedingungen für eine Rennratte mit einem Gummimotor festgestellt. Wir haben zusätzlich eine Mess-Apparatur gebaut, mit der wir die Stärke des Gummimotors direkt anhand der Kraftentwicklung messen konnten. In Zukunft möchten wir gerne noch folgende Dinge untersuchen: 1. Andere Antriebsmöglichkeiten, z.b. Metallfedern testen. 2. Messen, wie die Gummis mit der Zeit ausleiern. 3. Untersuchen in welchem Verhältnis zu folgenden Eigenschaften die Umdrehungen des Gummis, die man zum Antrieb der Rennratte einsetzt, stehen: Zur Strecke, die die Rennratte fahren kann Zur Zeit, die die Rennratte für die Fahrstrecke benötigt. Zur Kraft, die man an der Rennratte messen kann. Zur Anzahl der Muttern, die auf die Rennratte geklebt sind. 4. Untersuchen, ob sich die gleiche Reihenfolge für die Fahrstrecke und die Fahrzeit der Rennratte ergibt, die wir für die Qualität (Kraft) der verschiedenen Gummis herausgefunden haben. VIII. Wer hat uns geholfen? Herr Thies, unser Projektleiter, hat uns Materialien aus der Forscher-Werkstatt der Ellerbeker Schule zur Verfügung gestellt und uns Anregungen zum Experimentieren und Messen gegeben. Unsere Eltern haben uns beim Abtippen und Formatieren der Arbeit geholfen und die Kugellager, Muttern und Gummis besorgt. Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 14 von 15

18 IX. Anhang 1. Bilder von der Arbeit Mika und Noah bei der Arbeit in der Forscherwerkstatt, auf der Rennstrecke und mit dem Hausmeister Schüler experimentieren Noah El-Samalouti & Mika Rebensburg Seite 15 von 15