Physik

Kurzfassung
Stand P1
Physik
Landessieger Baden-Württemberg 2013
Impedanzspektroskopischer Sensor
zur Ermittlung der optimalen
Waschleistung von Waschmaschinen
&
Der Kerzenlift
Wolfgang Köbele & Dana Tran
Otto-Hahn-Gymnasium, Nagold
Jugendforschungszentrum
Schwarzwald- Schönbuch e.V.
Marcel Neidinger & Leonard Bauersfeld
Hans-Thoma-Gymnasium, Lörrach
phaenovum Schülerforschungsnetzwerk
Dreiländereck
2. Preis Physik
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P1
Fachgebiet
Physik
Thema
(E)iperfect - Das ideale Frühstücksei
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Lena Heller (15)
68167 Mannheim
Ludwig-Frank-Gymnasium
Mannheim
Lisa Weigl (14)
68259 Mannheim
Ludwig-Frank-Gymnasium
Mannheim
Betreuung: Frau Sprinz
Lena isst zum Frühstück gerne Eier. Leider ist sie mit ihren gekochten Frühstückseiern oftmals nicht
zufrieden, da diese zu hart, zu weich, geplatzt oder nur schlecht schälbar sind. Bei Lena zu Hause
kocht ihr Vater die Eier. Er ärgert sich oft, wenn Lena ihr Ei nicht gut findet und daran herummäkelt.
Um ihm diesen Ärger zu ersparen wollten wir in dieser Arbeit erforschen, wie man vorgehen muss,
um Lenas perfektes Frühstücksei zu kochen.
Wir untersuchten also die drei Bedingungen für Lenas perfektes Ei:
1. Wann sind Eier gut schälbar? Hier erforschten wir vor allem, ob es einen Zusammenhang zwischen
dem Alter eines Eis und der Schälbarkeit gibt.
2. Wie kocht man ein Ei mit hartem Eiweiß und wachsweichem Dotter? Dazu kochten wir 450 Eier
und untersuchten den Zusammenhang zwischen verschiedenen Faktoren und der Kochzeit.
3. Wie kann man das Auskochen des Eis verhindern? Hier erforschten wir, ob es Sinn macht, die
Eier vor dem Kochen anzupieksen oder sie vorher in Essig zu legen. Außerdem untersuchten wir, wie
sich der Druck im Ei während des Kochens verändert.
Wir haben aus unseren Ergebnissen eine Checkliste entwickelt, mit deren Hilfe Lenas Papa nun
perfekte Frühstückseier kochen kann.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P2
Fachgebiet
Physik
Thema
„Schibi, Schibo!“ - Der Brauch des Scheibenschlagens im Fokus
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Kianusch Vahid Yousefnia (17)
79585 Steinen
Hans-Thoma-Gymnasium
Lörrach
Yannik Winzer (16)
79541 Lörrach-Haagen
Hans-Thoma-Gymnasium
Lörrach
Betreuung: Herr Klein, Herr Dr. Glatzel
Partnerinstitution: phaenovum-Schülerforschungszentrum Dreiländereck, Lörrach
„Schibi, Schibo, die Schiib‘ soll go!“ Mit diesem Spruch und einem kräftigen Schlag gegen eine
Holzbohle schleudert man beim Scheibenfeuer glühende Holzscheiben einen Hang hinunter. Immer
am Sonntag nach Fasnacht werden kleine Buchenscheiben dabei an einen Haselnussstab gesteckt
und in einem Lagerfeuer zum Glühen gebracht. Ruhm erlangt, wer seine Scheibe besonders weit
schießt und lange in der Luft hält. Die meisten – auch wir – haben aber bereits Schwierigkeiten,
überhaupt eine stabile Flugbahn zustande zu bekommen. Deshalb wollten wir diesem Brauch auf den
Grund gehen. Wie verhält sich die Scheibe auf ihrer Flugbahn? Welchen Kräften ist sie dabei
ausgesetzt? Bei welchem Abschusswinkel ist die Flugbahn optimal? Messungen im Windkanal,
Aufnahmen im Freien und eine Computersimulation geben darüber Auskunft.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P3
Fachgebiet
Physik
Thema
Der invertierte Wassersprinkler
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Leonard Bauersfeld (16)
79541 Lörrach
Hans-Thoma-Gymnasium
Lörrach
Betreuung: Herr Klein
Partnerinstitution: phaenovum-Schülerforschungszentrum Dreiländereck, Lörrach
Im Sommer kann man häufig Wassersprinkler beobachten, die Gärten und Felder bewässern. Durch
den Überdruck wird Wasser zu allen Seiten herausgeschleudert und auf Grund des Impulses des
versprühten Wassers beginnt sich der Kopf zu drehen. Was passiert nun, wenn man einen solchen
Sprinkler „invertiert", d.h. ihn vollständig unter Wasser setzt und dieses ansaugt?
Der Versuch wurde ähnlich bereits von Ernst Mach durchgeführt und ist Anfang des 20. Jhd. durch
Feynman bekannt geworden. Viele Physiker haben sich seitdem an dieses Experiment herangewagt,
es jedoch meist nur qualitativ und nicht quantitativ beschrieben.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Versuch quantitativ zu untersuchen und dabei beispielsweise den
Einfluss der Viskosität der umgebenden Flüssigkeit zu messen und die publizierten Ergebnisse
mithilfe eines eigenen Versuchsaufbaus zu erweitern.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P4
Fachgebiet
Physik
Thema
Einfluss der Oberflächenspannung auf die Fließgeschwindigkeit von Fluiden in
Kapillaren
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Luisa Rank (17)
78628 Rottweil
Droste-Hülshoff-Gymnasium
Rottweil
Sharina Kimura (17)
72355 Schörzingen
Droste-Hülshoff-Gymnasium
Rottweil
Betreuung: Herr Prof. Dr. Klein, Herr Weik
Partnerinstitution: Jugendforschungszentrum Schwarzwald-Schönbuch e.V., Nagold
Beobachtet man das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren, so stellt man fest, dass die
Geschwindigkeit des Fluids von dem ausgeübten Druck, der Länge, dem Durchmesser der Kapillare
und der Viskosität des Fluids abhängt. Dies geht auch aus der Hagen-Poisouille-Gleichung hervor, in
welcher der ausgeübte Druck proportional zu dem Durchflussvolumen des Fluids durch die Kapillare
dargestellt wird. Doch ist die Formel vollständig?
Durch experimentelle Untersuchung der Abhängigkeit des Durchflussvolumens von Durchmesser der
Kapillare und Druck ist eine Abweichung der exp. Ergebnisse von den theoretischen Ergebnissen,
welche durch die Verwendung der bekannten Formel erhalten wurden, festzustellen. Daraus geht
hervor, dass eine Größe Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit hat, welche bislang in der HagenPoisouille-Gleichung nicht vorkommt, die Oberflächenspannung.
Wir versuchen nun den Einfluss der Oberflächenspannung zu definieren und in die bekannte Formel
zu integrieren.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P5
Fachgebiet
Physik
Thema
Innovative Vorrichtung zur Erzeugung von An- und Auftrieb bei
Bodeneffektfahrzeugen im virtuellen Windkanal
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Joscha Metzger (17)
70567 Stuttgart
Max-Eyth-Schule
Stuttgart
Mittels CAD/CFD-Software Erstellung und Untersuchung des 3D-Modells einer Vorrichtung, die
Tragflächen großer Streckung im Bodeneffekt mit Radialrotoren anbläst und so aerodynamische und
strukturelle Probleme konventioneller Bodeneffektfahrzeuge löst. Simuliert wird das System in
Originalgröße, um valide Ergebnisse zu erhalten.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P6
Fachgebiet
Physik
Thema
Magnus-Effekt: Untersuchung und Experimente
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Lukas Wagner (17)
71083 Kuppingen
Otto-Hahn-Gymnasium
Böblingen
Philipp Stärk (16)
71034 Böblingen
Otto-Hahn-Gymnasium
Böblingen
Magnus Kollmeier (17)
71034 Böblingen
Otto-Hahn-Gymnasium
Böblingen
Betreuung: Herr Hinkel
Partnerinstitution: Jugendforschungszentrum Aerospace Lab e.V., Herrenberg
Aufgrund der Faszination für den Magnus-Effekt haben wir uns entschieden, mit ihm zu
experimentieren. Der Magnus-Effekt tritt dann auf, wenn eine sich drehende Röhre von Luft umströmt
wird. Wir untersuchen die Formel für den Magnus-Effekt auf mögliche Ungenauigkeiten, vor allem im
Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit. Dazu bauen wir Messaufbauten mit verschiedensten
Zylindern und testen diese dann im professionellen Windkanal. Unsere Ergebnisse könnten dazu
beitragen, effizientere Schiffe zu bauen, denn schon heutzutage gibt es Modelle mit sogenannten
"Flettner-Rotoren", die den Magnus-Effekt ausnützen.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P7
Fachgebiet
Physik
Thema
Nicht-Newton‘sche Fluide und Schallschutz?
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Dana Tran (17)
72202 Nagold
Otto-Hahn-Gymnasium
Nagold
Betreuung: Herr Prof. Dr. Klein
Partnerinstitution: Jugendforschungszentrum Schwarzwald-Schönbuch e.V., Nagold
Nicht-newton‘sche Fluide besitzen die Eigenschaft unter bestimmen Bedingungen sowohl fest, als
auch flüssig zugleich sein zu können. Bei geringer Druckeinwirkung (wie z.B. Luftdruck) verhalten
sich die Fluide flüssig. Wird jedoch der Druck beispielsweise durch einen Faustschlag erhöht, werden
sie schlagartig fest. Beispiele für nicht-newton‘sche Fluide sind Treibsand, Blut, Ketchup oder auch
Maisstärke mit Wasser.
Ziel dieses Projektes ist es, das nicht-newton‘sche Fluid Maisstärke mit Wasser zu untersuchen und
somit eine Alternative zu herkömmlichen Schallschutzmauern (die aus Beton, Kunststoff oder Metall
bestehen) zu entwickeln, da das Fluid bei Schalleinwirkung durch einen Basslautsprecher auch
schlagartig fest wird. Untersucht werden soll das Fluid unter anderem mithilfe von Kugeln und
Lichtschranken, sowie mit High-Speed-Kamera-Aufnahmen.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand P8
Fachgebiet
Physik
Thema
Untersuchung der Temperaturdrift von mikroelektromechanischen (MEMS)
Gyroskopen
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Ulrich Schmid (14)
88662 Überlingen
Gymnasium
Überlingen
Phillipp Schoch (14)
88662 Überlingen
Gymnasium
Überlingen
Betreuung: Herr Locher, Herr Späth
Partnerinstitution: Schülerforschungszentrum Südwürttemberg (SFZ), Überlingen
In unserem Projekt beschäftigen wir uns mit der Bestimmung der Temperaturdrift eines MEMSGyroskops. Wir sind auf diese Projektidee gekommen, weil unsere bisherigen Versuche, bei einem
autonomen Fahrzeug mit einem Gyroskop die Fahrtrichtung zu ermitteln, unbefriedigend waren.
Unser Ziel war es durch Messung der temperaturabhängigen Messfehler, Korrekturwerte zu finden,
die wir dann zur Ermittlung von genaueren Messwerten für die Winkelgeschwindigkeiten des Sensors
verwenden können.
Zur Ermittlung dieser Messfehler haben wir eine Kühlwärmebox gebaut, die wir über ein PeltierElement kühlen und aufheizen können. Die Temperatur in der Box steuern wir mit Hilfe eines
Mikrokontrollers (Atmega168), der auf einer Platine verbaut ist. Über eine USB2UART-Bridge
kommuniziert der Mikrokontroller mit dem PC. Somit können wir per Software die auf der Platine
verbauten Temperatursensoren auslesen und das Peltierelement sowie die Lüfter ein und
ausschalten. Der eine Temperatursensor befindet sich in der Box, der andere am Kühlkörper. Die
Lüfter, die sich unter dem Kühlkörper befinden, werden nur eingeschaltet, wenn die Kühlrippen zu
warm werden. Mit dem von unserem Betreuer größtenteils erstellten Programm ist es möglich, über
einen größeren Temperaturbereich die Korrekturdaten für das Gyroskop zu messen und mit Hilfe von
B-Splines eine Korrekturfunktion zu ermitteln. Das Gyroskop liefert mit dieser Korrektur deutlich
verbesserte Messwerte.
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49. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
08. bis 10. April 2014
Robert Bosch GmbH, Stuttgart