VORSCHAU. zur 35 Vollversion I/B. Mit dem Crashtest durch die Dynamik. Zeigen Sie zwei Filme zum Thema (CD-ROM 35) 1! Der Beitrag im Überblick

Transkript

1 1 von 44 Mit dem Crashtest durch die Dynamik Dr. Jürgen Godau, Halle (Saale) Warum werden in Crashtests immer wieder schöne, nagelneue Autos auf Testanlagen bewusst zu Schrott gefahren? Weil die Ingenieure der Autoindustrie so unter realitätsnahen, genormten Bedingungen zu wertvollen Erkenntnissen über die Qualität der Sicherheit ihrer Fahrzeuge gelangen! Steigen Sie anhand des Beispiels Crashtest handlungsorientiert in die Dynamik ein. Lassen Sie Ihre Schüler einen Crashtest im Klassenzimmer mit ihrem neuen Wissen und Können analysieren, modellieren und simulieren. Zeigen Sie zwei Filme zum Thema (CD-ROM 35) 1! Klasse: ab 9. Dauer: 4 8 Stunden Ihr Plus: ü spektakulärer Crashtest als Motivation ü moderne Medien im Schuleinsatz ü anspruchsvolle Schüleraufträge für Experten ü spannende Schüler- und Lehrerversuche Vom realen Crashtest zur Teststrecke im Physikraum Der Beitrag im Überblick Inhalt: Crashtest im Klassenzimmer Newton sche Gesetze der Dynamik lex prima (Trägheitsprinzip) lex secunda (Aktionsprinzip) lex tertia (Reaktionsprinzip) Modellieren und Simulieren ADAC Foto: J. Godau 1 Die zweite Haut Adam Opel AG und Newton in Space ESA zur 35 Vollversion RAAbits Physik Mai 2014

2 2 von 44 Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Library of Congress Fachlicher Hintergrund Die Newton schen Gesetze der Bewegungslehre gehören zum Kern eines jeden Lehrplans Mechanik. Daher erübrigen sich tief greifende Bemerkungen zum fachlichen Inhalt. Wir folgen dem Motto back to the roots. Selbige gehen bis ins Jahr 1687 zurück. In diesem Jahr legte Newton sein Hauptwerk Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie (PHILOSOPHIAE NATURALIS PRINCIPIA MATHEMATICA) der Royal Society als Manuskript vor. Unter der Überschrift Axiome oder Bewegungsgesetze (AXIOMATA SIVE LEGES MOTUS) erscheinen die Sätze, die heute jeder Schüler beherrschen sollte. Ob es sich um Axiome oder Gesetze handelt, hat Newton offen gelassen. Das nämlich hängt vom philosophischen bzw. didaktischen Verwendungszweck ab. Bauen Sie mit Ihren Schülern ein Theoriegebäude für die Bewegungslehre auf, dann basiert es auf diesen Axiomen. Newtons Bewegungsgesetze LEX I Mit der in diesem Beitrag vorgeschlagenen Vorgehensweise erarbeiten wir anhand der Untersuchungen allgemeine, wesentliche, objektive und wiederholbare Zusammenhänge, die in Gesetzesaussagen münden. Für uns sind Newtons ursprünglich in lateinischer Sprache verfassten Sätze also die Bewegungsgesetze. Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare. (original Newton, Isaac) LEX II Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur. (original Newton, Isaac) LEX III Titelblatt von Newtons Hauptwerk Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse aequales et in partes contrarias dirigi. (original Newton, Isaac) Andrew Dunn - Lizenz: CC BY-SA 2.0

3 6 von 44 Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2, F 4 E 7, E 9, E 10 K 5, K 7 B 2, B 3 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen untersuchen, beschreiben und sagen Bewegungen von Körpern vorher, schließen aus der Bewegungsänderung eines Körpers auf das Wirken einer Kraft und charakterisieren diese Kraft unter Einbeziehung der Newton schen Gesetze, führen selbstständig Experimente nach schriftlicher Anleitung durch und werten sie aus, interpretieren Diagramme und diskutieren das Vorgehen zur Lösung physikalischer Probleme und die Arbeitsergebnisse, begründen Verhaltensregeln und Verordnungen im Straßenverkehr mithilfe der Newton schen Gesetze. Anforderungsbereich II III II / III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 35. Mediathek Literatur Gálvez, Christián: 30 Minuten Storytelling. Gabal Verlag. Offenbach 2009, 79 S. Godau, Jürgen: Knautschzonen retten Leben (I). Physik in der Schule 1996 (9). S Godau, Jürgen u. a.: Knautschzonen retten Leben (II). Physik in der Schule 1996 (10). S Herbst, Dieter: Storytelling. UVK-Verlagsgesellschaft. Konstanz 2011, 206 S. Newtono, Isaaco: Philosophiae naturalis principia mathematica. Editio tertia. Regis Societatis typographos. Londini 1726, S Recknagel, Alfred: Physik Mechanik. Verlag Technik. Berlin 1965, S. 303 Schüller, Volkmar: Die mathematischen Prinzipien der Physik. Walter de Gruyter. Berlin, New York S I II III

4 8 von 44 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Ab Ausflug in die Geschichte Automobilbau gestern und heute D: 45 min Video Die zweite Haut (14:32 min) M 2 LV, SV Crashtest im Physikraum: Wie weit fliegt ein Dummy? V: 20 min (Projektwoche) D: 45 min Videokamera (digital) Videobearbeitungssoftware Dummy (kleine Puppe, Figur) Knautschzonenmaterialien PowerPoint-Präsentation von CD-ROM 35 M 3 SV, LV Die Ursache für das Abbremsen das Wechselwirkungsprinzip V: 10 min D: 30 min verschiedene Untergründe zum Ausrollen Gegenstand, Hindernis (Klotz) schiefe Ebene Wagen, Kugel, Rolle Messlineal, Stoppuhr M 4 LV Das Wechselwirkungsprinzip: Ursachen genauer betrachtet D: 15 min schiefe Ebene Wagen (Kugel, Rolle) verschiedene Untergründe Federkraftmesser (100 mn) M 5 Ab, SV Wenn wir nur nicht so träge wären! Trägheitsprinzip D: 45 min Messtabelle aus M 3 und M 4 Video der ESA Abschnitt Trägheit (5:15 min) M 6 SV Luftkissenfahrzeug a) Bastelanleitung b) Bastelbogen D: 30 min Pappe (1x glatt und 1x dick) Klebstoff (Alleskleber) Stopfnadel, Stricknadel Luftballon Luftkissenfahrzeug (Eigenbau M 6) Luftballon Zeichengeräte Schere, Nähnadel M 7 LV Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (1) V: 10 min D: 20 min Druckkraftmesser Lineal M 8 LV Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (2) V: 10 min D: 20 min Druckkraftmesser Waage

5 9 von 44 M 9a LV Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter? V: 10 min D: 20 min a) Crashdauer elektronische Uhr ( t = 0,01 s) zur Kontaktzeitmessung leichter (dünner) Kupferdraht Knautschzonen hart z. B. massive Vorderfront, federnd z. B. [Ring-]Feder, verformbar z. B. Aluminiumfolie (dünn) M 9b LV Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter? V: 10 min D: 20 min b) Kraftwirkungen Computerinterface mit Kraftsensor Knautschzonen hart z. B. massive Vorderfront, federnd z. B. [Ring-]Feder, verformbar z. B. Aluminiumfolie (dünn) M 10 SV, LV Modellierung eines Crashs (für Experten) D: 45 min M 11 SV, LV Simulation D: 25 min Modellierungssoftware z. B. Dynasys, Moebius, Yenka Computeralgebrasystem z. B. Mathematica Tabellenkalkulationssoftware z. B. Excel Software aus M 10 Modellierungsdatei aus M 10 PC mit Beamer (bei Demonstration) Computerkabinett (bei selbstständigem Arbeiten der Schüler) PC mit Beamer (bei Demonstration) Computerkabinett (bei selbstständigem Arbeiten der Schüler) Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 24. zur 35 Vollversion RAAbits Physik Mai 2014

6 10 von 44 M 1 Ausflug in die Geschichte Automobilbau gestern und heute Recherchiere zur Geburtsgeschichte des Automobils. Aufgaben 1. Wann wurde das erste Automobil zum Patent angemeldet? Wie viele Räder hatte dieses Fahrzeug? Jahr der Patentschrift: Anzahl der Räder: Tipps Der Ingenieur, der die Patentschrift einreichte, ist Carl Benz aus Mannheim. Das Fahrzeug hieß damals auch Tricycel. 2. Ein zweiter bekannter Automobilpionier ist Gottlieb Daimler aus Cannstatt bei Stuttgart. Er baute etwa zeitgleich selbst konstruierte Motoren in Fahrzeuge ein. Wie viele Räder sind bei seinen Fahrzeugen zu inden? 3. Berühmt wurden diese Automobilpioniere erst etwa drei Jahre später. In diesem Jahr fand eine Weltausstellung in Paris statt. Beide Ingenieure stellten ihre Fahrzeuge aus. In welchem Jahr war diese Weltausstellung? Welches Gebäude wurde zur Weltausstellung errichtet? Dieses Gebäude ist noch heute eine berühmte Sehenswürdigkeit in Paris. Lies dir die kommenden Fragen schon einmal durch. Zum Film Schau dir den Film aufmerksam an. Beantwortet die Fragen anschließend in Partnerarbeit. 4. Wie nennen die Prois die Testpersonen beim Crashtest? 5. Wie lange dauert ein Crash? 6. Mit welchen Hilfsmitteln analysieren die Testingenieure den Crashablauf? Im Film werden verschiedene Fahrzeugteile betrachtet, die der passiven Sicherheit dienen. 7. Was versteht man unter passiver Sicherheit? 8. Zähle mindestens drei Fahrzeugteile auf, die für passive Sicherheit im Auto sorgen. Bei der Analyse des tatsächlichen Unfallgeschehens wurden vier typische Situationen beschrieben. 9. Nenne diese vier Unfalltypen. Ford Modell T Baujahr 1908 ADAC-Crashtest 10. Welche beiden physikalischen Größen werden zum Ende des Films als entscheidend für das Verletzungsrisiko herausgestellt? From the collections of The Henry Ford ADAC

7 Tests verschiedener Knautschzonen und Beispiele aus der Videoanalyse Schaumgummi U A federnder Ring H C Ring mit Knetmasse gefüllt Einfluss der Knautschzonen auf die Flugweite des Dummys (Beispiele aus der Videoanalyse); erstes Bild nach dem Aufprall. Die Pfeile demonstrieren die Flugweite des Dummys (unscharfer, weißer Fleck). S R O V 12 von 44 M2

8 17 von 44 M 6 Luftkissenfahrzeug b) Bastelbogen in Originalgröße Durchmesser 10 cm Einstichstelle Luftkissenfahrzeug Rohransatz 5 cm 5 cm unten Klebefalz Durchmesser 10 cm 1,5 5 cm Klebestellen Stabilisierungskreuz Bodenpappe 1,5 5 cm 1,7 cm Beschwerungsscheiben (1 3 Stück) zur 35 Vollversion RAAbits Physik Mai 2014

9 18 von 44 M 7 Das Grundgesetz der Dynamik beim Crash (1) Zusammenhang: Bremskraft und Aufprallgeschwindigkeit Lehrerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 20 min Materialien Druckkraftmesser Lineal Versuchsaufbau 3 N Versuchsdurchführung In diesem Versuch wird ein Gedankengang aus M 5 aufgegriffen. Dort hatten wir festgestellt: Beim letzten Teilversuch (Wagen prallt auf Klotz) tritt die größte Kraft auf. Wir wollen jetzt ermitteln, wie groß diese Kraft ist und was ihre Größe beeinflusst. Aufbau einer schiefen Ebene (z. B. Luftkissenbahn) mit Druckkraftmesser am unteren Ende als Aufprallpunkt (siehe Skizze) Durch verschiedene Neigungen wird die Aufprallgeschwindigkeit (v Aufprall ) variiert. Der Druckkraftmesser ermittelt die maximale Bremskraft F max, die zum Abstoppen auf null erforderlich ist. Aufgaben 1. Überlegt, wie wir aus der Starthöhe des Fahrzeugs die Aufprallgeschwindigkeit errechnen können. Beim Start hat das Fahrzeug Lageenergie. Beim Herunterfahren wird diese Energie immer kleiner (Höhe nimmt ab). Wo ist die Energie hin? 2. Erstellt ein Versuchsprotokoll, bei dem folgende Punkte wichtig sind: Skizze zum Versuchsaufbau zu messende Größen: Höhe, maximale Bremskraft zu ermittelnde Größen: Aufprallgeschwindigkeit, Geschwindigkeit nach dem Aufprall, Bremsverzögerung h Die Bremsverzögerung (negative Beschleunigung) gibt an, wie stark ein Fahrzeug abgebremst wird. Darstellung der Größen: Bremskraft und Verzögerung (Geschwindigkeitsdifferenz) eigene Formulierung des Zusammenhangs zwischen Bremskraft und Verzögerung:

10 36 von 44 Diagramm deutet die Trendlinie auf einen proportionalen Zusammenhang. Kraft F F [in in N] N 3 2, ; 1,85 400; 2,35 1,5 200; 1,35 1 0,5 100; 0,75 In der Tabelle kann über das Errechnen der Quotienten der Proportionalitätsfaktor numerisch bestimmt werden. Auch der Anstieg der Trendlinie kann genutzt werden [siehe auch Excel-Datei zu Material M 8 auf CD-ROM 35]. M 9 Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter? a) Crashdauer Dieser Versuchsaufbau ist gut geeignet, um das Schülerwissen zum 2. Newton schen Gesetz immanent zu festigen. Der Versuch verlangt neben dem Verständnis des Versuchsaufbaus auch funktionales Denken. Bei der Impulsgebung im Unterrichtsprozess operieren Sie je nach Rahmenrichtlinie oder Lehrplan mit und auch ohne Verwendung der Begriffe Kraftstoß und Impulsänderung. Dieser Weg zur guten Knautschzone schließt gedanklich unmittelbar an die Versuche zum Wechselwirkungsgesetz an. Starke Wechselwirkungen z. B. auf dem Langhaarteppich erzeugten große Bremskräfte und führten zu einem örtlich und zeitlich verkürzten Bremsvorgang. Dagegen hatten wir bereits dort bei langen Bremsvorgängen nur kleine Bremskräfte gemessen. Lösungen Newton sches Gesetz (Grundgleichung der Mechanik): F= ma Definitionsgleichung der Beschleunigung v a = t m v F = t Umstellen F t= m v Kraftstoß = Impulsänderung 2. konstante Größen: m und v Impulsänderung gemessene Größe: t offene Größe: F Kriterium für die Verletzungsgefahr beim Crash 3. Tabelle: 0; Masse m in g Masse m [in g] Knautschzone Bremszeit t [in s] Rangfolge nach der Zeit Rangfolge nach Verletzungsrisiko Qualität

11 38 von 44 M 9 Welche Knautschzone ist der beste Lebensretter? b) Kraftwirkungen Die bei diesem Versuch praktizierte Kraftmessung führt direkt zum Entscheidungskriterium für die Einschätzung des Verletzungsrisikos. Große Crashkräfte (Bremskräfte) erhöhen das Risiko von ernsthaften Schäden am menschlichen Körper. Damit ist bei dieser Vorgehensweise die Qualitätsbeurteilung der konstruierten und getesteten Knautschzonen einfacher. Die didaktische Zielstellung (Festigung durch Anwendung) geht über diesen unmittelbaren Schluss (Kraft Risiko) hinaus. Daher folgen zur Verbesserung des Verständnisses des 2. Newton schen Gesetzes und der darin enthaltenen funktionalen Zusammenhänge zwei weitere Aufgabenstellungen. Sie werden hier zu Motivationszwecken mit Für Experten tituliert. Lösungen (für Aufgabe 1) (für Aufgabe 2) (für Aufgabe 4) Knautschzone Crashkraft F max [in N] Rangfolge nach Verletzungsrisiko Kurve Crashzeitraum t [in s] 2. Entscheidungskriterium = Crashkraft große Kraft = großes Risiko für Verletzungen 3. Schlechteste Knautschzone im Versuch: Es ist keine sichtbare Verformung zu erkennen. Beste Knautschzone im Versuch: Man erkennt deutlich sichtbare Verformungen; diese Verformungen bleiben nach dem Crash erhalten. Für Experten 4. Knautschzone Harte Fahrzeugkante gute Knautschzone im Versuch Crashkraft F max [in N] 2,5 Rangfolge nach Verletzungsrisiko 3 (hoch) Kurve Crashzeitraum t [in ms] A 50 Ringfeder 1,3 2 B 130 Aluminiumfolie zu einer Röhre geformt 0,3 1 (gering) schlechte Knautschzone im Versuch C 200 Fotos: J. Godau