OSTSACHSEN - DRESDEN. Von der Spannung zum Bruch - Zeichengeräte im Härtetest. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht OSTSACHSEN - DRESDEN Von der Spannung zum Bruch - Zeichengeräte im Härtetest Nico Herrmann Jonas König Schule: Freie Christliche Schule Schirgiswalde Jugend forscht 2014

2 Jugend forscht Schüler experimentieren 2013/14 Von der Spannung zum Bruch Zeichengeräte im Härtetest Nico Herrmann (14) Jonas König (13) Freie Christliche Schule Schirgiswalde

3 Inhaltsverzeichnis 1.Zielstellung 3 2.Grundlagen Licht als elektromagnetische Welle Polarisation und Polarisationsfilter Spannungsfelder 5 3.Experimentelles Verfahren Sichtbar-Machen von Spannungsfeldern (Spannungsoptik) Aufbau und experimentelle Vorgehensweise Ergebnisse Spannungsfelder bei Geodreiecken Spannungsfelder bei Linealen Spannungsfelder bei selbst hergestellten Modellen Diskussion der Ergebnisse Zusammenfassung Quellenverzeichnis 14 2

4 1. Zielstellung Bereits in der Grundschule werden vielfältig Zeichengeräte eingesetzt wir benötigen sie nicht nur zum Unterstreichen von Überschriften, beim Erstellen von Tabellen oder beim Markieren von Sachtexten, sondern sie finden auch in der Geometrie Anwendung. Leider zerbrechen diese Geräte aus Kunststoff sehr schnell, sehr zum Ärger der Schüler und deren Eltern. In unserer Arbeit haben wir uns als Ziel gesetzt, die Ursache für das häufige Zerbrechen von Linealen und Geodreiecken herauszufinden. Mit Hilfe von Polarisationsfiltern und Vergleichen der Zeichengeräte versuchen wir, die häufigsten Bruchstellen zu finden, um mit den Ergebnissen bessere Zeichengeräte herzustellen zu können. Außerdem wollen wir der Frage auf den Grund gehen, ob solche Zeichengeräte, die als bruchsicher gekennzeichnet sind, auch tatsächlich aus physikalischer Sicht bessere Stabilitätseigenschaften haben. 2. Grundlagen 2.1. Licht als elektromagnetische Welle Um Licht zu beschreiben, werden in der Physik unterschiedlicher Modelle genutzt. Einfache Effekte, wie die Ausbreitung des Lichtes, Reflexion und Brechung von Licht oder die Bildung von Schatten kann man mit dem Modell Lichtstrahl gut erklären. Andere Phänomene, wie z.b. die Lichtbeugung, können damit nur schwer erklärt werden. Dazu benötigt man die Vorstellung, dass Licht auch Welleneigenschaften hat. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Darunter versteht man sich ständig ändernde elektromagnetische Felder (Schwingung), die sich als Transversalwelle im Raum ausbreiten. Elektrische und magnetische Felder stehen in einem festen Größenverhältnis senkrecht aufeinander. Abbildung 1: elektromagnetische Welle mit senkrecht aufeinander stehendem magnetischen und elektrischen Feld 3

5 Elektromagnetische Wellen unterscheiden sich darin, wie lang ihre Wellenlänge ist bzw. mit welcher Frequenz die elektromagnetischen Schwingungen ausgeführt werden. Von sichtbarem Licht spricht man dann, wenn die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle zwischen etwa 400 nm (violettes Licht) und etwa 700 nm (dunkelrotes Licht) liegt. Beispiele für elektromagnetische Wellen mit kürzerer Wellenlänge sind die UV-Strahlung oder die Röntgenstrahlung; in Mikrowellen oder bei der Übertragung von Radio und Fernsehen werden elektromagnetische Wellen mit größerer Wellenlänge genutzt. Abbildung 2: Einordnung des Lichtes in das Spektrum elektromagnetischer Wellen 2.2. Polarisation und Polarisationsfilter Der Begriff Polarisation beschreibt das Herstellen einer festen Schwingungsrichtung aus den normalerweise unregelmäßigen Transversalschwingungen des natürlichen Lichts. Licht kann mithilfe von Polarisationsfiltern oder bestimmten Reflexionsgittern polarisiert werden. Abbildung 3: Polarisation von Licht durch einen Polarisationsfilter Ein Polarisationsfilter ist also ein fotografischer Filter zur Ausschaltung polarisierten Lichts. Solche Filter finden beispielsweise bei der Fotographie oder beim Erstellen von Videos Anwendung. 4

6 Wir versuchen mit den Polarisationsfiltern die größten Spannungsfelder im Zeichengerät zu finden, denn an diesen Stellen bricht es am häufigsten Spannungsfelder Bei der Herstellung von Produkten aus Kunststoff werden häufig umformende Fertigungsverfahren wie Walzen, Pressen oder Stanzen eingesetzt. Dabei geraten die Kunststoffteile unter Druck. Häufig bleiben im Material Bereiche zurück, die aufgrund der erfolgten Bearbeitung weiter unter Spannung stehen. Solche Bereiche nennen wir Spannungsfelder. Sie sind unter normalen Umständen für das Auge nicht sichtbar, können aber im Belastungsfall die Stellen sein, an denen der Gegenstand als erstes kaputt geht. 5

7 3. Experimentelles Verfahren 3.1. Sichtbar-Machen von Spannungsfeldern (Spannungsoptik) Um Spannungsfelder sichtbar zu machen, wird eine besondere Eigenschaft mancher durchsichtiger Stoffe ausgenutzt: die optische Aktivität. Man versteht darunter die Fähigkeit mancher Stoffe, die Polarisationsebene des polarisierten Lichts zu drehen. Um welchen Winkel α das Licht durch einen optisch aktiven Stoff gedreht wird, hängt beispielsweise von der Wellenlänge des Lichts, der Temperatur der Probe oder eben auch von der im Material befindlichen Spannung ab. So ergeben sich für unterschiedliche Spannungsfelder in einem zu untersuchenden Gegenstand für verschiedene Lichtfarben unterschiedliche Drehwinkel. Abbildung 4: durch verschiedene Farben sichtbare Spannungsverläufe in einem Geodreieck 3.2. Aufbau und experimentelle Vorgehensweise Mit einem Polarimeter können unterschiedliche Spannungsbereiche nun sichtbar gemacht werden. Dieses besteht aus einer Lichtquelle, einem ersten Polarisationsfilter, dem zu untersuchenden Gegenstand, einem zweiten Polarisationsfilter und dem Fotoapparat (siehe Abbildungen 5 und 6). 6

8 Abbildung 5: gesamter experimenteller Aufbau inkl. Lichtquelle und Stromversorgung 1: Stromversorgungsgerät 2: Pol-Filter 1 3: Pol-Filter 2 4: Lichtquelle 5: Beobachtender Gegenstand 6: Ständer 1 7: Ständer Abbildung 6: Polarisationsfilter und zu Untersuchungsgegenstand 7

9 Zunächst wird die Lichtquelle eingeschaltet. Die beiden Polarisationsfilter werden solange gegeneinander verdreht, bis nach dem zweiten Filter möglichst kein Licht mehr zu sehen ist (siehe Abbildung 7). Abbildung 7: Blick durch zwei Polarisationsfilter, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen Die Polarisationsrichtungen der beiden Filter sollten dann senkrecht zueinander stehen. Nun wird zwischen die beiden Filter der zu untersuchende Gegenstand gelegt. Optisch aktive Bereiche des Gegenstandes sorgen für die Drehung der Schwingungsebenen und damit für farbige Darstellung der unterschiedlichen Spannungsbereiche. 8

10 4. Ergebnisse 4.1. Spannungsfelder bei Geodreiecken Bezeichnung Toppoint Brunnen (bruchsicher) Beschreibung - obere Ecke meiste Spannung - insgesamt Ecken und Kanten viel Spannung - in der Mitte wenigste Spannung - Rotring Geodreieck 1 (kein Name) - insgesamt wenig Spannung linke Seite besonders Ecke hohe Spannung in der Mitte genauso viel Spannung wie Toppoint - mehr Spannung als Toppoint der meiste Spannung in der oberen Ecke bei Zahl 0 Spannung gebündelt Ecken, Kanten hohe Spannung - obere Ecke meiste Spannung Ecken, Kanten hohe Spannung Mitte wenig Spannung 9 Abbildung

11 Dreieck 2 (kein Name) - hohe Spannung - untere Kante wenig Spannung - an Punkt gebündelt Abbildungen 8 12: charakteristische Aufnahmen der Spannungsbilder bei Geodreiecken 4.2. Spannungsfelder bei Linealen Bezeichnung Beschreibung Abbildung Lineal1 (kein Name) - linke und rechte Seiten Spannung am größten + obere Kante - Mitte keine Spannung Linial2 (kein Name) - Spannung verteilt - Ausnahme obere Kante und um das Loch (viel Spannung) Brunnen - meiste Spannung links und rechts + obere Kante - Spannungsverteilung streifenförmig 10

12 TSI - meiste Spannung um die Öffnung - Spannungsverteilung streifenförmig Abbildungen 13 16: charakteristische Aufnahmen der Spannungsbilder bei Linealen 4.3. Spannungsfelder beim selbst hergestellten Modellen Bezeichnung Beschreibung Abbildung Modell 1 (hergestellt aus einem durchsichtigen Deckel eines Kunststoffeimers) - geringe Spannungen auf dem gesamten Dreieck Modell 2 (hergestellt aus einer Polystyrolplatte aus dem Baumarkt) - keine Spannungen auf dem gesamten Dreieck Abbildungen 17 18: charakteristische Aufnahmen der Spannungsbilder bei hergestellten Modellen 11

13 5. Diskussion Erfahrungsgemäß brechen die Ecken am schnellsten. Mit Hilfe der Polarisationsfilter konnten wir nachweisen, dass in den Ecken auch die größte Spannung ist. Bei den Verformungen (Einstanzungen, Löcher) sind ebenfalls hohe Spannungen vorhanden, allerdings brechen die Zeichengeräte nicht an diesen Stellen, weil dort keine hohen Verformungskräfte wirken. Allgemein kann festgestellt werden, dass alle untersuchten Geräte mindestens eine Stelle aufweisen, an der besonders hohe Spannungen auftreten. Häufig sind diese Stellen Einpresspunkte, Löcher oder Ecken. Ein untersuchtes Geodreieck ist als bruchsicher gekennzeichnet. In der Untersuchung stellten wir fest, dass deutlich weniger Spannung vorhanden ist, als in den anderen Untersuchungsobjekten. Aufgrund der geringen Spannungen ist die Wahrscheinlichkeit auch geringer, dass es bricht. Es trägt also den Namen bruchsicher zu Recht. Uns ist es gelungen, eigene Modelle für Geodreiecke aus durchsichtigem Kunststoff herzustellen. Wir nutzen beispielsweise Plastedeckel oder Kunststoffplatten aus dem Baumarkt und schnitten die Modelle mit dem Cuttermesser bzw. mit dem Winkelschleifer heraus. Diese Bearbeitungsverfahren riefen keine Spannung in den Gerätemodellen hervor, so dass unsere selbst hergestellten Geodreieck-Modelle als spannungsfrei bezeichnet werden können. In dem Polarisator waren keine Verfärbungen der Dreiecksfläche sichtbar. Auch die Ecken und Kanten, die bei herkömmlichen Geodreiecken leicht abbrechen, zeigen keine hohen Spannungen. Aus Sicht der Bruchsicherheit sind unsere Modelle für den täglichen Einsatz gut geeignet. 12

14 6. Zusammenfassung Am Anfang haben wir uns gefragt, warum Zeichengeräte so schnell brechen. Wir vermuteten, dass es an der Spannung im Zeichengerät liegt. Mit Hilfe der Polarisationsfilter konnten wir unsere Vermutung bestätigen. Mit den Polarisationsfiltern konnten wir die Spannungsfelder gut erkennen. Gerade an den Stellen, an denen die Geräte erfahrungsgemäß schnell brechen, sind sehr hohe Spannungen zu erkennen. Bei der Auswertung der Polarisationsfotos konnten wir auch lustige Farbformationen erkennen. So entdeckten wir beispielsweise ein Gesicht, dass durch die Spannungsverläufe im Kunststoffdreieck zufällig entstanden war. Die Zeichengeräte, die den Namen bruchsicher haben, tragen diesen Namen zu Recht. Sie zeigen deutlich weniger Spannungen im gesamten Bereich des Gerätes und weisen auch an den Randstellen und Ecken deutlich weniger Spannungen auf. Der Kauf eines solchen Messgerätes kann sich aus physikalischer Sicht also lohnen. Bei der Herstellung eigener Modelle ist es uns gelungen, den Kunststoff ohne dem Erzeugen von bleibenden Spannungen zu bearbeiten. Die Modelle sind aus Sicht dieser inneren Spannungen gut geeignet und noch bruchsicherer als die entsprechenden Geräte aus dem Handel. Im Laufe unserer Forschungen haben wir uns mit vielen Themen beschäftigt, die im Physikunterricht erst viel später eine Rolle spielen. So lernten wir beispielsweise, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, was man unter Polarisation versteht und dass man Spannungen in Kunststoffen sichtbar machen kann. Die Untersuchung machte uns viel Spaß. Jedoch war es nicht leicht, geeignete Materialien für das eigene Modell zu finden. Da wir noch nie eine wissenschaftliche Arbeit geschrieben haben, benötigten wir dafür viel mehr Zeit, als wir vorher veranschlagt hatten. 13

15 7. Quellenverzeichnis Bildquellen Textquellen Grundlagen der Spannungsoptik von Dr. Andreas Reichert und Henning Katte, ilis gmbh, Erlangen ( 14