Freiburg, 19. Januar 2006 Beschleunigungsmessung im Alltag Ein kabelloses Beschleunigungsmesssystem für den Physikunterricht German Hacker Seminar für Physik, Hardenberg-Gymnasium Fürth
Ausgangsidee: Zeitabhängige Beschleunigungsmessung im PU Bsp: Crashtest
Alltagsbezug: Minimierung des Verletzungsrisikos Bsp.: Kopfverletzungskriterium (Head-Injury-Criterion, HIC) Quelle: www.öamtc.at
Herkömmliche Beschleunigungsmessung im Physikunterricht: - Messwerterfassung (z.b. Speichenrad) - Videoanalyse meist aufwändig und bzgl. numerischer a-berechnung fehlerbehaftet wünschenswert: schnelle, unkomplizierte und genaue Untersuchung alltäglicher Bewegungsabläufe a(t) (vgl. Crashtests ) Lösungsidee: Kabelloses Beschleunigungsmesssystem auf Basis des ADXL von Analog Devices.
Der Beschleunigungssensor (ADXL202/210)
Der Beschleunigungssensor Details und Messprinzip Hooke sche Auslenkung: Federn Messung der Auslenkung
Technische Umsetzung die Hardware Messbox: Auswahlschalter ADXL Speicher EEPROM Sender Empfängerbox: Empfangseinheit (Gesamtansicht / Innenleben)
Technische Umsetzung - die Software Sendeeinheit (Ansicht von vorne / Innenleben) Empfangseinheit (Gesamtansicht / Innenleben)
Vorteile, Merkmale direkte Messung der Beschleunigung (a x (t), a y (t)) hohe Auflösung/Genauigkeit der Messwerte integrierter Speicher (Messwertaufnahme ohne PC!) einfache Versuchsauswertung am PC (*.csv-datei) robuste Konstruktion, einfache Bedienung keine störenden Kabel
Technische Daten
Beispiel: Fahrt mit einem Aufzug Sendeeinheit (Ansicht von vorne / Innenleben) Empfangseinheit (Gesamtansicht / Innenleben)
Beispiel: Vollbremsung eines PKW mit ABS Sendeeinheit (Ansicht von vorne / Innenleben)
Beispiel: Slalom eines PKW 80 km/h, schmale Landstraße ca. +/- 0,7 g (Querbeschleunigung)
Beispiel: Treppensteigen 9 Stufen - Absatz 5 Stufen Absatz 9 Stufen (vertikal) Sendeeinheit (Ansicht von vorne / Innenleben) horizontal in Laufrichtung
Beispiel: Fadenpendel mit Parallelaufhängung Kalibrierung in Ruhelage ( keine Gewichtskraftkomponenten!) Welchen Verlauf erwartet man in horizontaler, welchen in vertikaler Richtung? horizontal vertikal
Verlässlichkeit der ausgegebenen Werte am Beispiel einer Drehung um die z-achse Kalibrierung auf Null in horizontaler Ebene (x-y) lfd. Nr Zeit in s ax ay Werte in Excel eingelesen: Wurzel(C49^2+D49^2)
Schiefe Ebene Kalibrierung in horizontaler Ebene (x-y) In Excel eingelesene Werte
Fehler bei der Winkelmessung
Kreisbahn: horizontal Kalibrierung in horizontaler Ebene (x-y)
Kreisbahn: 45 geneigt Kalibrierung in horizontaler Ebene (x-y)
Kreisbahn: vertikal Kalibrierung in horizontaler Ebene (x-y)
Kreisbahn: Vergleich Kalibrierung in horizontaler Ebene (x-y) horizontal 45 geneigt vertikal
Beispiel: Sprung von Stuhl (ADXL 210) - Ohne Kalibrierung - blau in vertikale Richtung - Auflage auf Kopf Sendeeinheit (Ansicht von vorne / Innenleben) Absprung Freier Fall steifer Rücken : - 10 g! in die Knie gehen, abfedern : ca. 1,5 g
Beispiel: Wie gut dämpft eine Federgabel beim Fahrrad? - Ohne Kalibrierung; blaue Achse in Einfederrichtung Montierte Messbox a) Federung frei b) Federung fest
Beispiel: Wie gut dämpft eine Federgabel beim Fahrrad? a) Federung frei b) Federung fest c) Luftdruck im Reifen von 2,5 bar auf 5,0 bar erhöht
Zwei weitere Beispiele für Experimente mit Alltagsbezug Die Trägheitsnavigation Das Kopfverletzungskriterium HIC
Trägheitsnavigation Unterrichtsbeispiel zu Ph11 Mechanik: Thema: Trägheitsnavigation Anwendung des Grundgesetzes der Mechanik zur Ortsbestimmung Elementarisierte Erklärung und Modellexperiment Wie kann man bei einer Bewegung ohne GPS die Änderung des Orte bestimmen?
Trägheitsnavigation 1. Schritt: t-a x - und t-a y -Diagramme bei Verschiebungen in x-y-ebene, parallel bzw. unter 45 zu den Achsen
Trägheitsnavigation 2. Schritt: t-a x - und t-a y -Diagramm bei beliebigen Verschiebung in x-y-ebene
Trägheitsnavigation 3. Schritt: Suche nach einem Ort bei gegebenem t-a x - und t-a y - Diagramm
Das Kopfverletzungskriterium HIC *Zusätzliche Bedingungen (empirisch begr.): 1) t 2 -t 1 36 ms, bzw. t 36 ms (längere Einwirkzeiten erhöhen Verletzungsrisiko nicht) 2) 3 ms t ( Beschleunigungsspitzen kürzerer Dauer haben keine Auswirkungen auf das Gehirn) Quelle: H.-W. Henn, Der HIC-Koeffizient bei Crash-Tests, in: Der Mathematikunterricht, 43 (1997) 5, S. 50 60 [Hen97]
Das Kopfverletzungskriterium HIC ohne Airbag HIC 682 mit Airbag HIC 308 Grafiken aus [Hen97]
Das Kopfverletzungskriterium HIC Vorschlag für ein Modellexperiment mit dem ADXL-System zur Entwicklung des Kraftbegriffes in der Sek. I
Stand der Dinge (12/2005) Einsätze im Physik-U. positiv (Gym., Ph11) Selbstkostenpreis für plug & play -Messset: 270 - Messbox, Empfänger - Software, zwei Sensoren (202, 210)
Premiere: iba-axel (ACCEL) Überarbeitete Version der IBA-AG, Fürth Flash-Karte und Bluetooth Zwei ADXL-Chips on board Software: IBA-Analyzer Preis: ca. 200
Premiere: iba-axel Technische Daten: Zeitliche Auflösung: 1 ms (!) Speicherzeit (Flash-Karte): bei 128 MB mehrere Tage (!) Zwei Chips: 5g, 18g freie Wahl, alle Daten vorhanden mehrere AXEL synchronisierbar => z-richtung Zwei Mignon-Batterien
Crash-Experiment mit dem iba-axel LEGO-Eisenbahn: gleiche Ausgangshöhe, gleiche Masse 1. Harter Aufprall (Styroporklotz) 2. Weicher Aufprall ( Airbag )
Crash-Experiment mit dem iba-axel Ergebnis: harter Stoß weicher Stoß
Crash-Experiment mit dem iba-axel
Vielen Dank für Ihr Interesse! Artikel bei www.phydid.de Weitergabe dieses Vortrags Kontakt: Hardenberg-Gymnasium Fürth Seminar für Physik Dr. German Hacker Kaiserstr. 92 90763 Fürth E-Mail: german.hacker@physik.uni-erlangen.de Bezug ACCEL über Fa. IBA-AG Fürth E-Mail: michael.jungnickel@iba-ag.com