Eine Arbeit von: Janis Hermann Kiyan Rassouli Jan Fechner 2017 Bremsweg eines Fahrrads auf verschiedenen Belägen Naturwissenschaftliche Woche 2017 an der Kantonsschule Kreuzlingen
Vorwort In unserem Projekt setzen wir uns vertieft mit dem Bremsvorgang eines Fahrrads auseinander. Wir haben dieses Thema gewählt, da wir alle sehr grosse Sportfans und insbesondere auch Fahrradbegeistert sind. Ausserdem fahren wir alle drei tagtäglich mit dem Fahrrad in die Schule und wollten uns deshalb etwas mehr in den Vorgang des Bremsens vertiefen, da wir zwar sehr oft damit zu tun haben, aber trotzdem nicht genau wissen, welche Faktoren die wichtigste Rolle dabei spielen.
Einleitung Im Projekt «Bremsweg und Bremsbeschleunigung eines Fahrrads auf unterschiedlichen Unterlagen» wird untersucht, welchen Einfluss diverse Unterlagen auf die Länge des Bremsweges und die Bremsbeschleunigung eines Fahrrads haben. Ausserdem soll ermittelt werden, ob und welchen Einfluss der durch die Witterung bestimmte Zustand auf Bremsweg und -beschleunigung hat. Dass die Bedingungen bei nassen Verhältnissen einen starken Einfluss haben, also dass sich die Länge des Bremsweges deutlich verlängert, ist bekannt. Jedoch soll ermittelt werden, wie gross der Unterschied zwischen dem Bremsweg/der Bremsbeschleunigung auf einem trockenen Belag, zu denselben Kriterien auf nassem Belag ist. So soll zum Beispiel ermittelt werden, wie lange man braucht, um beim Biken im Wald, oder im Strassenverkehr zum Stillstand zu kommen. Dies ist also sogleich Ziel der Arbeit. Durch das Wissen, wie lange ein Bremsweg/eine Bremsbeschleunigung auf verschiedenen Belägen ist und welche Rolle dabei die Witterung hat, soll herausgefunden werden, wie viel Abstand man zum Beispiel auf ein Auto im Strassenverkehr nehmen soll. Natürlich ist es naiv, zu behaupten, dass nur der Bremsweg dabei entscheidend ist, denn da spielt zum Beispiel die Reaktionszeit oder die Stärke der Bremsen am Fahrrad auch eine wichtige Rolle. Trotzdem bringt uns dieser Forschungsstand einen Schritt näher, Verkehrsunfälle mit dem Fahrrad zu minimieren. Fragestellung: Welchen Einfluss hat die Witterung auf den Bremsweg auf verschiedenen Belägen? Wie stark ist der Unterschied zwischen den unterschiedlichen Belägen?
Material & Methoden Material: - Fahrrad: Stoke CRX 8.5 - Bremsen: Tektro HD-M285 hydraulische Scheibenbremse - 20m Messsband - Garmin Vivo Active HR - Logger Pro Demo - iphone 6s Kamera - Samsung Galaxy s6 edge+ - verschiedene Unterlagen: Tartanbahn, Wiese, Kies, Asphalt, Erde - Gartenschlauch Methoden: Um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten haben wir die Versuche nur mit einem Fahrrad durchgeführt, da ein Ergebnis mit verschiedenen Fahrrädern verfälscht wäre. Die Messungen wurden mit zwei verschiedenen Methoden durchgeführt: In der ersten Methode haben wir von Hand die Distanz gemessen, welche zurückgelegt wurde um von 25km/h zum Stillstand zu kommen. Um auf die gewünschte Geschwindigkeit zu kommen, haben wir eine Velouhr benutzt. Dabei ist zu beachten, dass man immer von einer Abweichung von ca. 0.3km/h nach unten und nach oben miteinbeziehen muss, da es sich als schwierig herausstellte, genau 25km/h zu halten. Wie sich herausstellte, sollte dies jedoch keinen wirklich merkbaren Unterschied auf das Ergebnis machen, da es bei so einer kleinen Abweichung noch nicht wirklich zu einer Differenz kommt. In der zweiten Methode, haben wir mit LoggerPro ein Video analysiert. Dies haben wir jedoch nur einmal gemacht, da wir ein Vergleich mit der ersten Methode wollten.
Resultate BREMSWEG TROCKEN IN M 8.98 Asphalt mit Laub 8.33 Erde 10.47 Kies 8.83 Tartanbahn 9.13 Wiese 8.33 Erde 0 2 4 6 8 10 12 Die Unterschiede zwischen den Distanzen der Bremswege ist im trockenen sehr gering. Am schnellsten bremst man auf Erde und Asphalt. Da beträgt der Bremsweg im Schnitt 8.33m, bei einer Anfangsgeschwindigkeit von ca. 25km/h. Dicht dahinter kommen die Beläge der Tartanbahn (8.83m), der Asphalt mit Laub (8.98m) und die Wiese mit (9.19m). Mit fast 1.5 m Abstand kommt der Belag mit dem längsten Bremsweg, nämlich Kies. Daraus folgt, dass Kies der Belag ist, auf welchem man den längsten Bremsweg hat.
BREMSWEG NASS IN M 12.97 Erde 11.7 Tartanbahn 14.43 Wiese 9.93 Asphalt 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Auf nasser Unterlage konnten weniger Messungen durchgeführt werden, da das Wetter nicht ideal war. Trotzdem kann man eine Bilanz aus den vier Bremswegen ziehen. Das erste, was auffällt ist, dass der Unterschied deutlich grösser zwischen den Bilanzen der Bremswege ist, als auf trockenem Untergrund. So liegt der Asphalt mit 9.93m an erster Stelle. Danach folgt die Tartanbahn (11.7m) und die nasse Erde mit 12.97m. Der längste Bremsweg ist auf der nassen Wiese mit 14.47m.
Zum Vergleich ist hier noch der mit LoggerPro erstellte Graph zum Versuch auf trockener Erde. In diesem Graphen erkennt man, welche Strecke man in welcher Zeit zurücklegt und daraus, wie regelmässig die Bremsbeschleunigung ist. Im Graphen ist zu erkennen, dass die Bremsbeschleunigung zunächst leicht steigend ist und dann abnimmt. Dies ist eine Vertiefung zum Resultateteil. Allerdings haben wir die Resultate nicht noch weiter analysiert, da es aufgrund der Videoaufnahmen nicht wirklich möglich war, ein sehr genaues Ergebnis zu erhalten.
Aus dem Zeitgraphen (s) kann man die Zeit entnehmen, die für den ganzen Bremsvorgang benötigt wurde. Da die Videoaufnahme schon gestartet wurde, bevor der eigentliche Bremsvorgang eingesetzt hat, startet die Zeit, ab welcher wir die Messung begonnen haben nicht bei 0, sondern bei 0.805s. Da die ganze Videoaufnahme auch etwas verwackelt ist, konnten wir mit den erhaltenen Ergebnissen von LoggerPro auch nicht einen genauen Wert für die Bremsbeschleunigung erhalten. Diese wollen wir benutzen, um den Reibungskoeffizienten zu berechnen.
Reibungskoeffizienten: Untergrund mit Bremsbeschleunigung Reibungskoeffizient Asphalt trocken -> -2.89m/s 2 0.295 Asphalt mit Laub -> -2.68m/s 2 0.273 Wiese trocken -> -2.63m/s 2 0.268 Erde trocken -> -2.89m/s 2 0.295 Kies -> -2.30m/s 2 0.234 Tartanbahn trocken -> -2.75m/s 2 0.280 Asphalt nass -> -2.41m/s 2 0.246 Gras nass -> -1.67m/s 2 0.170 Erde nass -> -1.86m/s 2 0.190 Tartanbahn nass -> -2.06m/s 2 0.201
Diskussion Die Unterschiede der Länge der Bremswege sind darauf zurückzuführen, dass das Hinterrad bei einem Fahrrad auf den Belägen unterschiedlich gut gleitet. Sinnvoll erscheint, dass man bei nasser Unterlage einen längeren Bremsweg hat, als auf trockener Unterlage, da man beispielsweise bei regnerischen Verhältnissen länger rutscht und so verzögert es sich bis man abbremst. Diese Messungen hängen vor allem vom Faktor des Gleitreibungskoeffizienten ab. Die Reibung spielt bei diesem Vorgang eine sehr wichtige Rolle, denn es gilt, je stärker die Gleitreibung ist, desto schneller bremst man ab. Heisst also, wenn man diesen Faktor mit den Messungen vergleicht, so stellt man fest, dass die Reibung auf trockenem Asphalt, sowie trockener Erde sehr stark ist. Bei nasser Wiese ist dies genau das Gegenteil. Da ist die Reibung vergleichsweise sehr schwach. Darauf gehen wir jedoch später noch ein wenig vertiefter ein. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist, dass ermittelt wird, welchen Einfluss die Unterlage und die dazugehörende Reibung auf den Bremsweg mit dem Hinterreifen eines Fahrrads haben. Dies konnten wir sehr gut ermitteln, da wir die erwarteten Unterschiede erhalten haben. Wir wussten im Voraus schon, dass die Reibung vom Belag abhängt und ein gleich langer Bremsweg einen Fehler als Folge hätte. Was uns allerdings überrascht hat, ist die Witterung und der damit zusammenhängende Zustand des Belags. Uns war schon im Voraus ziemlich klar, dass der Zustand des Belages, also ob er nass oder trocken ist einen Einfluss auf den Gleitreibungskoeffizienten hat. Was für uns aber eher überraschend kam, ist der Fakt, wie unterschiedlich der Einfluss bei den verschiedenen Belägen war. Der interessanteste Vergleich ist hierbei der Unterschied des Einflusses auf Asphalt mit jenem auf Erde. Nimmt man den Bremsweg auf trockener Erde, so ist dieser identisch mit jenem auf trockenem Asphalt, nämlich 8.33m. Der Unterschied dieser Beläge wird jedoch ziemlich deutlich, wenn man sie im nassen Zustand vergleicht. Nimmt man nun Asphalt im nassen Zustand, so erhält man einen durchschnittlichen Bremsweg von 9.93m. Dies ist nur ca. 19% mehr als bei Asphalt im trockenen Zustand. Vergleicht man dies nun mit der Erde im nassen Zustand, so bemerkt man, dass der Unterschied der Beläge grösser ist, als sich bei trockenem Zustand zunächst vermuten liesse. Der durchschnittliche Bremsweg auf nasser Erde betrug 12.97m. Im Vergleich zu den 8.33m im trockenen Zustand ist dies ca. 58% mehr. Aus diesem Ergebnis wird deutlich, wie unterschiedlich sich verschiedene Unterlagen unter verschiedenen Bedingungen verändern.
Somit hat sich unsere Hypothese, dass die Witterung einen erheblichen Einfluss auf den Bremsweg auf einer Unterlage hat bestätigt und sogar noch weitere Erkenntnisse geliefert, nämlich, dass sich verschiedene Unterlagen sehr verschieden verändern. Durch das Wissen dieser verschiedenen Daten kamen wir wiederum zu neuen Erkenntnissen. Zum Beispiel konnten wir aus unseren Experimenten gewinnen, dass auch die Geschwindigkeit einen unerwartet grossen Unterschied in den Messungen ergibt. Zu Beginn haben wir zwar schon eine Geschwindigkeit von 25km/h zur Durchführung der Versuche festgelegt, aber wir hatten zum Teil eine Abweichung von oben nach unten von bis zu 2.5 km/h. Nach den ersten paar Versuchen mussten wir jedoch feststellen, dass dies mit einer solch starken Abweichung schlicht und einfach ein zu ungenaues Ergebnis gibt. Deshalb haben wir die Versuchsreihe nach den ersten Versuchen neu begonnen und eine maximale Abweichung von 0.3km/h nach oben und nach unten festgelegt, da wir feststellten, dass eine solch kleine Abweichung nicht wirklich einen sehr grossen Einfluss auf die Resultate hat. Die hatte vor allem zur Folge, dass wir einen Verzug in unserem Zeitplan hatten. Wir konnten zwar alle Versuche durchführen, aber wir konnten nicht wirklich genaue Videoanalysen durchführen, da uns die Zeit fehlte, um auch die Videoaufnahmen so zu erneuern, um uns eine gute Videoanalyse zu ermöglichen. Leider mussten wir durch die eben erst herausgefundene Wichtigkeit der Tempomessung zur Kenntnis nehmen, dass wir eines unserer Ziele verwerfen mussten. Ursprünglich wollten wir noch ermitteln, wie viel Abstand man, durch das Wissen der Länge der Bremswege, im Strassenverkehr auf ein Hindernis oder Fahrzeug nehmen muss. Zwar sind die von unseren Messungen erhaltenen Werte schon ein Richtwert, aber man sollte diesen kaum in der Praxis anwenden, da kaum ein Mensch mit einer wirklich konstanten Geschwindigkeit von 25km/h ohne allzu grosse Abweichung fährt. Was man jedoch verwenden kann sind die von uns erhaltenen Reibungskoeffizienten. Um erkennen zu können, ob die Versuche mit dem bisherigen Forschungsstand übereinstimmen, haben wir die bisher bekannten Reibungskoeffizienten genommen und mit den von uns erhaltenen Reibungskoeffizienten verglichen. Um die Reibungskoeffizienten zu erhalten, haben wir zunächst die Bremsbeschleunigung ausgerechnet. Da wir den Bremsweg, sowie die Geschwindigkeit gemessen haben, haben wir dies mit der Formel gerechnet. Da es sich um die Bremsbeschleunigung handelt, ist der Wert natürlich
negativ. Um von der Bremsbeschleunigung auf den Reibungskoeffizienten zu kommen, muss man die Bremsbeschleunigung durch die Erdanziehung, also 9.81m/s 2 teilen. Da wir ausser für Reifen auf trockenem Asphalt weder im Internet, noch in irgendeiner Formelsammlung Reibungskoeffizienten gefunden haben, können wir nur für den trockenen Asphalt einen Vergleich ziehen. Dabei muss jedoch noch ein wichtiger Faktor beachtet werden. Nämlich, dass die Versuche nur mit der hinteren Bremse durchgeführt wurden. Dadurch kommt natürlich eine andere Bremsbeschleunigung zu Stande, als wenn man sowohl mit der Vorderals auch mit der Hinterbremse bremsen würde. Somit sind nun Werte entstanden, welche bisher noch, zumindest in allgemein zugänglichen Quellen, nicht bekannt waren. Wenn man nun die von uns erhaltenen Werte mit anderen, bereits bekannten Werten vergleicht, fällt auf, dass diese eher niedrig sind. Nimmt man nun zum Beispiel den Wert für den trockenen Asphalt, der 0.295 beträgt und vergleicht diesen mit dem allgemein geltenden Wert für Asphalt, so fällt auf, dass dieser weniger als die Hälfte von diesem ist. Dieser gilt also nur, wenn man ausschliesslich mit der Hinterbremse bremst. Für uns überraschend war der erhaltene Wert von 0.170 auf nassem Gras, welcher sehr tief ist. Zum Vergleich: Der Gleitreibungskoeffizient für Ski auf Schnee ist 0.12. Wenn man bedenkt, dass man mit Skiern auf Schnee sehr gut und einfach beschleunigt, ist das ein sehr interessanter Wert. Zum Gleitreibungskoeffizient lässt sich abschliessend von uns festhalten, dass einige Werte doch sehr überraschend sind, da die Gleitreibung allgemein eher klein ist und wir das so im Voraus nicht so erwartet haben.
Zusammenfassung In dieser naturwissenschaftlichen Woche haben wir Experimente mit dem Fahrrad durchgeführt. Wir wollten herausfinden, wie lange es dauert, bis man mit einer Geschwindigkeit von 25km/h vollständig abgebremst hat und stillsteht. Wir haben dies auf sechs unterschiedlichen Unterlagen versucht. Diese Beläge waren: Asphalt, Kies, Wiese, Tartanbahn, Erde und Asphalt mit Laub. Zudem versuchten wir dieses Experiment noch bei nassen Bedingungen zu tätigen, damit wir noch den Einfluss des Wetters bestimmen können. Dabei sind wir auf folgende Resultate gekommen: insgesamt ist der Bremsweg bei trockenen Verhältnissen kürzer, als bei nassen. Bei den trockenen Bedingungen steht man bei Asphalt und Erde am schnellsten still. Im Nassen haben wir auf Erde und einer Wiese den längsten Bremsweg bekommen. Heisst also, dass man beispielsweise auf trockenem Asphalt deutlich schneller abbremst, als auf einer nassen Wiese. Dabei haben wir herausgefunden, dass diese Unterschiede mit verschiedenen Gleitreibungskoeffizienten zusammenhängen und konnten uns somit die Längen der Bremswege erklären. Damit wir überhaupt so weit kommen konnten, mussten wir uns diese Woche klar definierte Ziele setzen. Zum einen waren dies Ziele auf sozialer Ebene. Das einwandfreie Zusammenarbeiten war eines davon. Dieses Ziel hatten wir meist erreicht. Der praktische Teil mit den Experimenten verlief ohne grosse Probleme, da wir uns einen Plan für diese Woche gesetzt haben. Bei Schreiben der Arbeit waren Unstimmigkeiten in der Gruppe vorhanden, die wir jedoch reibungslos wieder aus der Luft schafften. Zum anderen hatten wir uns naturwissenschaftliche Ziele gesetzt. Dies war das Ermitteln der Bremslänge auf unterschiedlichen Unterlagen, miteinbezogen der Witterung. Diese Ziele hatten wir erreicht. Wir konnten fast alle unserer geplanten Experimente durchführen, ausser zwei Messungen bei nassen Bedingungen. Diese waren nicht realisierbar, da das Wetter nicht mitgespielt hat und uns nicht die Möglichkeit bot alles zu vervollständigen. Neben den erreichten Zielen und neuen Erkenntnissen, gab es aber auch Dinge, die wir so wie wir es geplant hatten nicht erreicht hatten. Wir wollten das Ganze mit einem Bezug zum Strassenverkehr setzen. Unser unerreichtes Ziel war, dass wir ermitteln können, wie viel Abstand man auf ein Fahrzeug oder ein Hindernis im Strassenverkehr nehmen muss damit man einen Unfall verhindern kann. Da wir allerdings in dieser Woche bemerkt hatten, welche Wichtigkeit das Tempo hat, mussten wir zur Kenntnis nehmen, dass dieses Ziel in einer Woche fast nicht realisierbar ist. Dies haben wir anfangs sehr bedauert, stellten aber fest, wie viel wir uns diese Woche an Wissen aneignen konnten, dass wir trotzdem ein zufriedenstellendes Fazit ziehen können. Wir haben mehrheitlich als ein gut harmonierendes Team zusammengearbeitet, und konnten Messungen durchführen, die zu einem für uns sinnvoll erscheinenden Resultat geführt haben. Mit einem Blick in die Zukunft hat uns diese Woche vor allem im Arbeiten in einer Gruppe verbessert. Für Aufgaben die wir später einmal als ein Team erledigen müssen, konnten wir in dieser Woche sehr wichtige Informationen und Erkenntnisse herausnehmen.
Zusammenfassung (Lettisch) Šajā zinātniskajā nedēļā mēs veica eksperimentus ar velosipēdu. Mēs vēlējāmies uzzināt, cik ilgi tas būs vajadzīgs, līdz jūs pilnīgi braucat ar ātrumu 25 km / h un atpūsties. Mēs to izmēģinājām sešos dažādos dokumentos. Šīs segumi bija: asfalts, grants, pļava, tartāns, zeme un asfalts ar zaļumiem. Turklāt mēs centāmies veikt šo eksperimentu arī mitros laikapstākļos, lai mēs vēl varētu noteikt laika apstākļu ietekmi. Rezultāti ir šādi: bremzēšanas ceļš sausos apstākļos ir īsāks nekā mitros apstākļos. Sausos apstākļos asfalts un zeme ir visātrākie. Slapjā mēs saņēmām garāko bremzēšanas ceļu uz zemes un pļavu. Tas nozīmē, piemēram, ka sausā asfalta palēnināšana ievērojami straujāk nekā slapjā pļavā. Mēs esam konstatējuši, ka šīs atšķirības ir saistītas ar dažādiem bīdes berzes koeficientiem, kas izskaidro bremzēšanas attālumu garumus. Lai mēs varētu iegūt tik tālu, mums šogad bija jānosaka skaidri noteikti mērķi. No vienas puses, tie bija mērķi sociālā līmenī. Viena no tām bija ideāla sadarbība. Mums galvenokārt bija sasniegts šis mērķis. Praktiskā daļa ar eksperimentiem nonāca bez lielām problēmām, jo mēs esam izveidojuši plānu šai nedēļai. Kad darbs tika uzrakstīts, grupā bija neatbilstības, tomēr mums izdevās gludi atgriezties no gaisa. No otras puses, mums bija noteikti mūsu zinātniskie mērķi. Tas bija bremžu garuma noteikšana dažādos dokumentos, ieskaitot laika apstākļus. Mēs esam sasnieguši šos mērķus. Mēs varējām veikt gandrīz visus mūsu plānotos eksperimentus, izņemot divus mērījumus mitros apstākļos. Tie nebija realizējami, jo laika apstākļi nedarbojās un nedeva mums iespēju pabeigt visu. Papildus mērķiem un jauniem atklājumiem bija arī lietas, kuras mēs nebija sasnieguši, kā bija plānojuši. Mēs vēlējāmies visu nodarboties ar ceļu satiksmi. Mūsu nepārspīlētais mērķis bija noskaidrot, cik daudz attāluma jums ir nepieciešams, lai transportlīdzekli vai šķērsli ceļā, lai novērstu negadījumu. Tomēr, ņemot vērā, ka šonedēļ mēs redzējām, cik liela nozīme ir tempam, mums bija jānorāda, ka šis mērķis nedēļā ir gandrīz nereāls. Pirmām kārtām tas nožēloja, bet mēs uzzinājām, cik daudz mēs varējām iegūt zināšanas šonedēļ, bet mēs joprojām varam pieņemt apmierinošu secinājumu. Mēs kopīgi sadarbojāmies kā labi koordinēta komanda, un mēs spējām veikt mērījumus, kuru rezultātā radās rezultāts, kas mūs šķita nozīmīgs. Apskatot nākotni, šī nedēļa ir uzlabojusies, it īpaši darbojoties grupā. Lai uzdevumus, ko vēlāk jārīkojas kā komandai, šonedēļ mēs varējām iegūt ļoti svarīgu informāciju un ieskatus.
Literaturverzeichnis Bücher: DMK, Orell Füssli Verlag: Formeln und Tabellen. Begriffe. 5. Erweiterte Auflage inklusive E-Book, Zürich 2015. Internetquellen: Google Translate: https://translate.google.com/#de/lv/guten, 29.09.2017
Nachwort & Danksagung Wir möchten im Namen unserer Gruppe ganz herzlich unserem Betreuer Herr Brunner danken, der uns vor, aber auch während der Arbeit unterstützt hat. So konnte er uns vor allem mit seinem Wissen weiterbringen, uns hilfreiche Tipps geben und uns so vor gröberen Problemen fernhalten. Ebenfalls danken wir Herr Brunner dafür, dass er uns viel Spielraum für unsere Arbeit gegeben hat. Somit konnten wir den Arbeitsplatz und die Arbeitszeiten etwas flexibler gestalten, dass wiederum das Klima in unserer Gruppe verbesserte. Beispielsweise durften wir in Tägerwilen einige Experimente durchführen, dass uns viel Zeit gespart hatte. Zudem wollten wir uns auch für das bereitgestellte Material danken. Abschliessend wollen wir noch Herr Ming danken, der uns die Erlaubnis für eine interessante und intensive Forschungsarbeit gegeben hat. Sollten wir jemanden vergessen haben, der im Hintergrund für uns gearbeitet hat, so danken wir natürlich auch ihnen. Ohne diese Hilfe hätten wir er nicht so weit geschafft. Vielen Dank!