NEUMARKT. Eierprüfung mit Ultraschall. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Daniel Schneider Tobias Schneider

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht NEUMARKT Eierprüfung mit Ultraschall Daniel Schneider Tobias Schneider Schule: Willibald-Gluck-Gymnasium Dr.-Grundler-Str Neumarkt in der Oberpfalz Jugend forscht 2013

2 Schüler experimentieren 2013 Eierprüfung mit Ultraschall Wir erforschen die Konsistenz von verschieden gekochten Eiern. Wir durch-/beleuchten ein Ei mit Ultraschall. Dann lesen wir die Werte an einem Oszilloskop ab, um heraus zu finden ob es hart, mittel oder weich gekocht ist. Wir erforschen das, weil wir einen Eierkocher nach diesem Prinzip erfinden wollen. Das wäre hilfreich für den Alltag. Tobias und Daniel Schneider Hammergasse Berg 1

3 Inhaltsverzeichnis 1.Einführung (Seite 3) 2.Theoretische Grundlagen (Seite 3) 3.Experimente (Seite 4) 3.1. Versuchsaufbau (Seite 4) 3.2. Versuch Durchleuchten (Seite 5) Erster Versuchsaufbau (Seite 5) Versuchsbeschreibung Ergebnisse Zweiter Versuchsaufbau zum Durchleuchten (Seite 6) Versuchsbeschreibung Ergebnisse Versuch Laufzeit (Seite 7) Idee zum Versuch und Aufbau (Seite 7) Ergebnisse (Seite 8) 4.Zusammenfassung (Seite 10) 5.Ausblick (Seite10) 2

4 1.Einführung Unser ursprünglicher Plan war es einen Weg zu finden, wie man die Konsistenz eines in verschiedenen Stufen gekochten Eis (roh/weich/mittel/hart/) herausfinden kann ohne es vorher zu öffnen. Da uns aber ziemlich schnell die Idee kam, dass man dies mit Ultraschall tun könnte, suchten wir nach der besten Variante wie man den Ultraschall anwenden könnte. 2.Theoretische Grundlagen Ultraschall ist Schall, den der Mensch nicht mehr hören kann. Manche Tiere wie Fledermäuse jedoch sind in der Lage Ultraschall zu hören. Ultraschall wird wie hörbarer Schall an Hindernissen zurückgeworfen (reflektiert), verschluckt (absorbiert) oder geht durch das Hindernis hindurch. Wie der hörbare Schall hat Ultraschall in Luft eine Geschwindigkeit von 334 m/s. In Flüssigkeiten ist die Geschwindigkeit größer, in festen Körper noch größer. 3

5 3.Experimente 3.1. Versuchsaufbau Wir haben einen von der Schule zur Verfügung gestellten Ultraschallsender (Transmitter) und empfänger (Receiver) und ein Oszilloskop (siehe Bild),mit welchem man die Spannungswerte in bestimmten Zeitabständen ablesen kann. So können wir sehen wie viel Schall das Ei dämpft (bzw. wie viel auf der anderen Seite ankommt). Uns kamen einige Ideen, wie man den Ultraschall anwenden könnte: 1. Wir messen, wie viel Prozent des Ultraschalls am Receiver ankommt, wenn zwischen Empfänger und Receiver ein Ei steht. Wir überprüfen, ob es einen Unterschied macht, ob das Ei roh oder gekocht ist. 2. Wir schauen uns das Ultraschallsignal vom Sender und das Ultraschallsignal vom Empfänger an. Da der Ultraschall eine gewisse Zeit braucht, um vom Sender zum Empfänger zu kommen, liegen die Signale nicht übereinander. Wir überprüfen, ob sich die Verschiebung verändert. 3.2.Versuch Durchleuchten 4

6 Erster Versuchsaufbau Versuchsbeschreibung Zuerst durchleuchteten wir einige Objekte mit Ultraschall Ergebnisse Objekte Durchlässigkeit in % Spitzer 50,00% Ei(Roh) 67,00% Bauschaum 13,00% Radiergummi 65,00% Eisen0,5mm 16,00% Als wir dies aber mit verschieden gekochten Eiern probierten, gab es nur das Ergebnis das sich die Werte nicht änderten (nur bei einem rohen Ei etwas). Objekte Durchlässigkeit in % Ei (roh) 12,70% Ei (weich) 12,50% Ei (mittel) 12,50% Ei (hart) 12,50% Zweiter Versuchsaufbau zum Durchleuchten 5

7 Versuchsbeschreibung Dann dachten wir, dass dies etwas mit dem Schalleinfluss von außen zu tun hat, und bauten deshalb eine wenig schalldurchlässige Kammer aus Bauschaum, da es am wenigsten schalldurchlässig war (siehe Tabelle Versuch 1) um das Ei Ergebnisse Objekt Durchlässigkeit in % Ei(roh) 20,20% Ei(weich) 20,00% Ei(mittel) 20,00% Ei(hart) 20,00% Da bei diesem Versuch sich aber die Ergebnisse auch kaum änderten versuchten wir es mit einer ganz anderen Variante... 6

8 3.3.. Versuch Laufzeit Idee zum Versuch und Aufbau Diesmal versuchten wir eine ganz andere Variante: Bisher hatten wir immer auf die Spannungsachse geschaut (wie viel Schall kommt drüben an) doch bei diesem Experiment schauen wir auf die Laufzeit des Schalls (Zeitachse). Das schaut dann in etwa so aus, wobei ein Ultraschallsignal vom Transmitter gesendet wird und durch das Ei läuft (rot).auf der anderen Seite, am Receiver, kann man dieses Signal einige Zeit später wieder abgreifen(blau). Das blaue Signal ist zum roten Signal verschoben. 7

9 Wie man an dem vorherigem Bild sieht, braucht der Schall ca. 200µs bis zum Empfänger(dort wo der lilane Streifen anfängt zu Schwingen wird ein Signal ausgesendet,dort wo der grüne Streifen schwingt kommt es am Empfänger an.so kann man die Laufzeit am Oszilloskop ablesen). Liegt ein Ei zwischen Sender und Empfänger sind es 300µs. Wir messen nur den Unterschied zwischen den verschiedenen Eiern Ergebnisse Rohes Ei 8

10 Zwei Minuten Kochzeit Vier Minuten Kochzeit Sechs Minuten Kochzeit Hier haben wir in einer Zeile den Entfernungsunterschied der beiden Bögen (also die Verschiebung des lilanen Bogens) betrachtet und konnten so den Laufzeitunterschied ablesen. 9

11 Objekt Laufzeitunterschied Ei(roh) 0Min 4µs 4,1µs 4µs Ei(weich) 2 Min 4µs 4,3µs 4,2µs Ei(mittel) 4 Min 1,2µs 1,4µs 1,3µs Ei(hart) 6 Min 0,6µs 0,7µs 0,4µs Von links nach rechts: 2,4,6min 4.Zusammenfassung Nach dem Versuch wurden die Eier zur Kontrolle geöffnet. Dabei stellte sich heraus, dass das 2 Min. Ei fast flüssig war. Das erklärt, warum bei der Messung kein Unterschied zum rohen Ei feststellbar war. Ansonsten konnte ein Zusammenhang zwischen dem Garstadium und der Laufzeit festgestellt werden: Je fester das Ei desto kürzer die Laufzeit 5. Ausblick Basierend auf dieser Idee wollen wir nach dem Wettbewerb an einem Eierkocher arbeiten, der bei dem gewünschten Stadium des Eis aufhört zu kochen und piept. 10

12 Quellen für die Theorie: [1] [2] Unser Dank gilt unserem Onkel, der uns das speicherbare Oszilloskop ausgeliehen und erklärt hat,sowie unserer Gruppenleiterin,die uns zusammen mit unserem Onkel in die Lehre des Ultraschalls eingewiesen haben. 11