Arte della Physica

Atemberaubende Fotos von Experimenten zeigen auf ästhetische Weise physikalische Zusammenhänge. Dafür haben die Schüler der 5. bis 13. Jahrgangsstufe beispielsweise leuchtendes Wasser und Feuer in Rotation gebracht, um Fliehkräfte und Drehimpulserhaltung zu verdeutlichen. Explosive Versuche mit Bärlappsporen und Butan zeigen auf beeindruckende Weise Zündung und Brandverhalten verschiedener Stoffe. Knicklichter und LEDs auf Drehscheiben fixiert beschreiben Sinuswellen und Epizykelbahnen, die erst auf Langzeitbelichtungen zu sehen sind.


Die Begabtenförderung Physikusse der Gesamtschule Hennef präsentiert die Ausstellung „Arte della Physica“ während ausgewählten Fortbildungsveranstaltungen im Physikzentrum der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Bad Honnef.


Im Physikzentrum Bad Honnef sind die Arbeiten während den Fortbildungsveranstaltungen „Thermodynamik“ und „Physikalische Experimente - in der Forschung und in der Lehre“ zu sehen. Im Rahmen der Fortbildung Thermodynamik erläuterten die Physikusse in einem Vortrag souverän die physikalischen Hintergründe zu den Bildern. Dabei schaffen sie geschickt den Spagat zwischen einfachen Erklärungen und Fachbegriffen. Die Schüler zeigen anschauliche Beispiele aus dem Alltag, die jeder kennt. Die technischen Tücken mit dem Fotoequipment und Probleme bei Langzeitbelichtungen werden ebenfalls erörtert.


Die teilnehmenden Lehrerinnen und Lehrer sind begeistert. In einer abschließenden Fragerunde werden letzte Sachverhalte diskutiert, bevor der gemütliche Grillabend, zu dem die DPG eingeladen hat, beginnt. Die Physikusse haben die Veranstaltung sichtlich genossen und würden sich über weitere Engagements sehr freuen.



Arte della Physica

Hammerwurf

Ein Hammer wird mit zwei LEDs so präpariert, dass in seinem Schwerpunkt ein rotes und an seinem Kopf ein grünes Licht leuchtet. Der Hammer wird so geworfen, dass er ein wenig rotiert.  

Die rote LED beschreibt eine Wurfparabel, die grüne eine Epizykelbahn. Wir kombinieren also eine Kreisbahn mit einer Parabel. Man sieht deutlich die unterschiedliche Schwerpunktgeschwindigkeit im Verhältnis zu einer gleichförmigen Kreisgeschwindigkeit.


Auf einer Drehscheibe sind zwei Knicklichter befestigt: ein rotes im Mittelpunkt der Scheibe, ein grünes am Rand. Die Drehscheibe wird in Rotation versetzt. Das rote bleibt scheinbar stehen, das grüne beschreibt eine Kreisbahn.

Nun läuft der Physikuss mit der drehenden Scheibe von rechts nach links durch das Bild. Wir stellen eine lange Belichtungszeit ein. Ein Stroboskop beleuchtet die Szene an drei Stellen, die Knicklichter sind aber durchgehend zu sehen.

Dabei entdecken wir, dass das rote Knicklicht in der Mitte nahezu eine Gerade beschreibt. Das grüne Knicklicht außen beschreibt die Überlagerung der Kreisbahn mit der horizontalen Bewegung. Diese Überlagerung nennt man Epizykelbahn.

Die Epizykeltheorie kommt aus der Astronomie. Mit ihr wurden früher die scheinbaren Bewegungen von Planeten am Himmel erklärt. Hier überlagern sich allerdings die Kreisbahnen mit einer weiteren Kreisbahn und nicht einer Geraden, wie bei uns.


Sinus ist eine elementare mathematische Funktion, die den Zusammenhang zwischen einem Winkel und der gegenüber liegenden Seite in einem rechtwinkligen Dreieck beschreibt. Mit der Sinusfunktion kann man in der Physik alle periodischen Vorgänge, wie z.B. Druckschwingungen (Schall) oder Pendelschwingungen beschreiben. Eine Schwingung ist eine regelmäßig wiederkehrende Bewegung um einen Ruhepunkt (Mittelpunkt der Bewegung).

Auf einer Drehscheibe zwei Knicklichter befestigt: ein rotes im Mittelpunkt der Scheibe, ein grünes am Rand. Die Drehscheibe wird in Rotation versetzt. Das rote bleibt scheinbar stehen, das grüne beschreibt eine Kreisbahn.

Die Scheibe betrachten wir nun von der Seiten und erkennen, dass das grüne Knicklicht eine vertikale Schwingung zeigt. Läuft man nun mit konstanter Geschwindigkeit durch das Bild, beschreibt das pendelnde grüne Knicklicht eine Sinusbahn.



Amplitude: maximale Auslenkung vom Ruhepunkt. Hier ist die Amplitude gleich dem Radius der Holzscheibe.

Frequenz: wie oft wiederholt sich der Vorgang in einer Sekunde. Hier ist die Frequenz abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die Scheibe dreht und wie schnell Jannik durch das Bild läuft.

Fliehkraftflasche

Bindet man eine halbgefüllte Flasche an einen Faden und lässt sie rotieren, kann man beobachten, dass die Flüssigkeit immer am Boden der Flasche bleibt.  Aus Sicht des Beobachters wirken zwei Kräfte auf die Flasche und damit auf jedes Wasserteilchen in der Flasche: die Gewichtskraft (stets nach unten gerichtet und gleich groß) und die Kraft des Physikuss, der den Faden hält. Letztere ist immer zum Mittelpunkt der Rotation gerichtet.

Wenn der Physikuss die Flasche schnell dreht, wird die Gewichtskraft quasi irrelevant. Dann gibt es im Wesentlichen nur noch die Fadenkraft. Dieser folgt das Gas in der Flasche „leichter“, als die Flüssigkeit. Das gilt, egal in welche Richtung der Faden gespannt ist: nach unten, nach oben, nach rechts oder links oder sonst wohin: die Flüssigkeit ist immer außen.


Bärlappexplosion

Bärlappsporen (Sporen der Bärlapppflanzen) werden auch als Hexenmehl oder Blitzpulver bezeichnet. Sie wurden bereits im Mittelalter für pyrotechnische Effekte genutzt. Mit Bärlapp wurden früher Schornsteine vom Ruß befreit. Bei Überdosierung wurde manchmal auch das Haus vom Schornstein – oder auch der Besitzer vom Haus - befreit.

Prinzipiell sind alle Gemische aus Staub und Luft explosionsfähig. Die geringe Partikelgröße des Staubs ist entscheidend, d. h. die explosiven Effekte steigen mit abnehmender Größe.

Die sehr große Oberfläche einer Staubwolke kann einerseits sehr schnell oxidieren und damit erhitzt werden und andererseits sehr gut Wärme aufnehmen und damit durchzünden. Durch diese Effekte ist es möglich, dass auch Materialien, die in fester Form als schwer entflammbar gelten (wie auch Mehl), in dieser feinverteilten Form sogar explodieren.


Butanfackel

Butan ist ein brennbares Gas, das durch den hohen Druck im Spraybehälter flüssig ist. Füllt man das Butan in ein offenes Reagenzgas, sinkt der Druck schlagartig und ein Teil verdampft. Die dazu benötigte Energie führt zu einer starken Abkühlung der verbleibenden Flüssigkeit. Bei einer Temperatur von −0,5 °C muss von außen Energie zugeführt werden, damit weiteres Butan verdampfen kann. Hier wird mit der Körperwärme diese Energie zugeführt.

Über dem Reagenzglas vermischt sich das gasförmige Butan mit Luft und kann angezündet werden. Im Reagenzglas selbst fehlt Sauerstoff, weshalb die Flamme sich nicht nach unten fortsetzen kann. Die Flammengröße kann man steuern, indem man das Reagenzglas nur mit zwei Fingern greift, oder mit der ganzen Hand umschließt. Je mehr Butan vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, desto größer wird die Flamme.


Parabelwasser

Eine zweidimensionale Wasseroberfläche wird durch Drehung zu einer dreidimensionalen Fläche verformt. Diese nennt man Rotationsparaboloid.

Die Physikusse versetzen ein rechteckiges Glasgefäß in Rotation. Durch die Gefäßform erhalten wir ein Schnittbild durch den Paraboloiden. Das „Wasser“ besteht aus einer selbst angerührten Spezialmixtur der Physikusse und wurde mit Schwarzlicht angeleuchtet.


Flaschengeist

Die Physikusse erkunden in einer Forschungsreihe selbstständig den Abbrand von Spiritus. Wenig Spiritus wird dabei in eine Glasflasche gegeben und anschließend mit einem Streichholz in Brand gesetzt.


Zunächst wird der Versuch auf Video aufgezeichnet und in Zeitlupe angesehen, bzw. in Einzelbilder zerlegt. In der Zeitlupenaufnahme ist deutlich der Ereignishorizont zu sehen, an dem der gasförmige Spiritus brennt. Dieser setzt sich langsam von oben nach unten, je nach Lage des Streichholzes und Gaszusammensetzung auch von einer zur anderen Seite fort. Die physikalischen Zusammenhänge können mit diversen technischen Hilfsmitteln noch besser dargestellt und Details herausgearbeitet werden.


In zwei Gruppen untersuchen die Physikusse, wie sich der Abbrand von Spiritus bei kleinerer oder größerer Flaschenöffnung verändert. Ergebnis ist, dass je kleiner die Flaschenöffnung ist, desto schneller tritt das heiße Gas aus und je lauter sind die damit verbundenen Geräusche. Die Schüler erfinden Vorrichtungen, wie zum Beispiel einen Trichter aus Pappe, der nicht nur den Abbrand, sondern auch deutlich die dabei entstehenden Töne variiert.