Schiffe, U-Boote und physikalische. Hintergründe

Transkript

1 Schiffe, U-Boote und physikalische Hintergründe

2 Gliederung: I. Unser Partnerunternehmen: Siemens II. Warum schwimmt ein Stahlschiff? III. Boote für die Unterwasserfahrt Wie gelingt das Ab- und Auftauchen Tauchtiefe IV. Unser Modell: Katamaran Aufbau Antrieb Solarzellen Videoclip

3 Werner von Siemens, Gründer der Siemens & Halske AG (heute Siemens AG), wurde 1816 in der Nähe von Hannover geboren. Im Jahr 1834 zog er nach Berlin und erhielt die Möglichkeit, drei Jahre an der Berliner Ingenieur-und Artillerieschule Mathematik, Chemie, Physik und Ballistik zu studieren.

4 Für die Überbrückung von Meeresstrecken entwickelte Siemens Tiefseekabel und ließ diese mit einem eigens dafür gebauten Schiff verlegen.

5 Ein Schiffist ein größeres Wasserfahrzeug, das nach dem archimedischen Prinzip schwimmt. Die Auftriebskraft, die ein Körper in einer Flüssigkeiterfährt, ist so groß wie die Gewichtskraft auf die verdrängte Flüssigkeit (Archimedisches Prinzip)

6 = F A = ρ Fl g V K

7 Warum schwimmtein Stahlschiff? Schiffe sind meistens aus Stahl (ρ=7,8g/cm 3 ). Ein Quader aus Stahl geht in Wasser sofort unter. Warum schwimmen die Schiffe trotzdem?

8 Die Schiffe sind hohl, enthalten im Inneren sehr viel Luftraum, so dass die mittlere Dichte kleiner wird als die des Wassers. Beim Eintauchen verdrängt das Schiff Wasser, was zu einer großen Auftriebskraft führt. Das Schiff geht dabei so tief, dass das verdrängte Wasser gerade so schwer ist wie das Schiff.

9 Boote für die Unterwasserfahrt Wie gelingt das Ab- und Auftauchen?

10 Wie baut man Tauchboot. Eine leere verschlossene Plastikflasche wird mit mehreren Löchern versehen. Ein Schlauchstück wird durch das Loch im Deckel in die Flasche gebracht. Ein Luftballon wird am Ende des Schlauches in der Flasche befestigt. Nun wird die Flasche in das Gefäß mit Wasser gebracht. Das obere Schlauchende muss oberhalb des Wassers sein.

11 Erklärung: Durch das eindringende Wasser wird die Gewichtskraft des Bootes erhöht. Das Boot verdrängt ein Wasservolumen, das gleich seinem Eigenvolumen ist. Aber die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft ( Boot zusammen mit eingedrungenem Wasser).

12 Jetzt wird in den Schlauch vorsichtig gepustet. Beobachtung: Das Volumen vom Luftballon wird größer; das Wasser wird aus dem Boot verdrängt; die Flasche steigt zur Oberfläche des Wassers und schwimmt.

13 Erklärung: Jetzt bleibt die Auftriebskraft gleich (bis das Boot sich vollständig im Wasser befindet), aber die Gewichtskraft wird kleiner, wenn das Volumen vom Luftballon größer wird.

14 Bei einem Unterseebootsind die Unterwassermanöver genauso wie bei unserem Modell-U-Boot. Beim Abtauchen kann man so viel Wasser in die Tauchtankseinfließen lassen, dass das Boot gerade schwebt. Durch Tiefenruder (Flügel am Bootsheck, die zusätzliche Auf-und Abtriebskräfte bewirken) wird das Boot gesteuert.

15 Im Schwebezustandin einer bestimmten Tiefe wird durch Einblasen von Pressluft die Wassermenge in den Tauchtanks automatisch konstant gehalten (Anblasen). Bei einer Unterwasserfahrt sind Trimmzellen für die stabile Waagrechtstellung des Bootes.

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17 Tauchtiefe Um den starken Wasserdruck in der Tiefe auszuhalten, muss ein solches Boot stabil gebaut sein. Tauchboote dienen vielfach zivilen Forschungszwecken. Sie können bis ca m Tiefe tauchen.

18 Wikimedia Commons Das Forschungs-U-Boot Geo im Stralsunder Nautineum, 2006

19 Bathyskaphen (bathos ( Tiefe ) und skaphos ( Schiff )) sind in der Lage, jeden Punkt des Meeresbodens zu erreichen. Ablauf eines Tauchgangs: 1. Start: Fluten der Wasser-Ballasttanks. 2. Tauchgang wird beendet: Ballastabwurf. 3. Der Bathyskaph steigt an die Oberfläche

20 Bathyscaphe Trieste

21 Tauchboot Trieste (erreichte den Marianengraben des Stillen Ozeans: m)

22 Katamaran (gebautes Modell)

23 Aufbau Der Bug ist das Vorderteil des Schiffs. Zwei Schwimmkörper (Auftriebskörper, Stopfer und Buge). Propeller undelektromotor dienen dem Antrieb des Schiffes. Das Heck bezeichnet den hinteren Teil des Schiffes. Vier Solarzellen(Energiequelle) Der Schalter dient dem Halt des Schiffes, wenn es nicht fährt.

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25 Wie funktioniert eine Solarzelle? Solarzellen wandeln die Energie von Sonnenstrahlen direkt in elektrische Energie um.

26 Das funktioniert so: Solarzellen bestehen aus dem Halbleiter Silizium (Halbleitersind Stoffe, die unter Zufuhr von Lichtoder Wärmeelektrisch leitfähig werden). Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten: eine n-schicht(negativ) und eine p-schicht(p-positiv). Am Übergang der beiden Schichten (p-n-übergang) baut sich ein elektrisches Feld auf. Die Lichtenergie wird an die Elektronen abgegeben. Eine Solarzelle besteht aus zwei Halbleiterschichten: eine n-schicht(negativ) und eine p-schicht(p-positiv). Am Übergang der beiden Schichten (p-n-übergang) baut sich ein elektrisches Feld auf. Die

27 Beim Anschluss eines Verbrauchers (z.b. Motoreines Schiffmodells) wird der Stromkreis geschlossen. Für einige Modelle braucht man mehr Energie. Da schaltet man zwei, vier Solarzellen ( in Reihe ).

28 Abbildung: Bei niedrigen Temperaturen sitzen die Elektronen wie fest gefroren. Da sie sich nicht bewegen können, fließt auch kein Strom. Bei Lichteinfall können die Elektronen mit Hilfe dieser Energie auf das Leitungsbandwechseln. In diesem Leitermaterial können sie sich bewegen. Es entsteht ein Stromfluss.

29 Katamaran Zunächst wurden die Auftriebskörper gebaut. Mit spezieller Maschine wurden die Bohrungen durchgeführt. Es hat sich rausgestellt, dass Kunststoff Polyethylen(PE) nicht leicht zu bearbeiten ist. Danach wurden die jeweils drei Teile: Auftriebskörper, Stopfer und Buge zusammengeklebt. So entstanden 2 Schwimmkörper. Die Schwimmkörper wurden mit Fräsefür die Platte vorbereitet und mit 40-er Bohrer(4000 Drehungen pro Sekunde) wurden Gewinde gemacht.

30 Mit der Laubsägewurde die Platte für den Schalter und Kondensator ausgeschnitten. Mit der Handsäge wurde die Platte aus Plexiglas vorbereitet. Es wurde immer sehr genau mit dem Höhenanreißerabgemessen. Mit dem Zentrierbohreran der Fräsmaschinewurde auch für die Genauigkeit gesorgt. Damit die Teile während der Bearbeitung nicht so heiß werden, verwendet man Kühlschmierstoff.

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32 Das Feilenwar sehr wichtig bei Bearbeitung der Teile des Katamarans. An der Bohrmaschinewurden 4 Gewinde an der Plexiglasplatte geschnitten. Besonders schwer war es, ein Loch für den Elektromotor auszuschneiden, weil kein so großer Bohrer vorhanden war. Es wurde entschieden, mit Hilfe von Fräsmaschine ein quadratisches Loch zu bohren.

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34 Die Solarzellenmusste man löten. Dann wurden 9 kleine rechteckige Platten aus Plexiglas vorbereitet. Mit dem Kleber wurden sie an der großen Platte gefestigt und an sie wurden die Solarzellen geklebt. An die Platte kommen noch die Kabel vom Elektromotor. Daraufhin wurde für die Elektrik noch ein Gehäuse aus Plexiglas gebaut.

35 o Quelle und Recherchen: Experimentierkasten. Anleitung. Selbstbaumodelle mit Solarantrieb R. Schildhauer, R.Köthe. Text und Experimente. Solar 8. Anleitung 1. Auflage Frankh-Kosmos Verlags-GmbH & Co.KG, Stuttgart / 2008 Dr. Josef Raabe Verlags-GmbH / Klett-Gruppe November Experimente zur Fotovoltaik. Wie funktioniert eine Solarzelle? M3 S. 5 von 14 Auftrieb Wikipedia Archimedisches Prinzip Wikipedia U-Boot Wikipedia Schiff Wikipedia Leifi Physik-Web 8. Klasse G8 Auftrieb, U-Boot, Schwimmblase