Mit der Monschauer Kugelkette zum NRW-Sieg "Jugend forscht": Glückwunsch!

10. April 2014

Insgesamt 95 Teilnehmer des Landeswettbewerbs präsentierten ihre Projekte in dieser Woche in Leverkusen. Dem Wissensdurst und Einfallsreichtum der Teilnehmer aus dem ganzen Bundesland - allesamt Sieger der vorangegangenen Regionalrunden - verdankt der Wettbewerb wieder eine faszinierende Themenpalette in den Fachgebieten Technik, Biologie, Chemie, Mathematik/Informatik, Physik, Arbeitswelt sowie Geo- und Raumwissenschaften.

Die Jugendlichen befassten sich mit Alltagsproblemen wie der hygienischen Situation an Schultoiletten, entwickelten ein Kommunikationssystem zwischen Lehrern und Schülern sowie ein neuartiges Fahrradlicht mit Kurvenfunktion und eine zeitsparende Kleinsteuerung für Feuerwachen. Sie bauten Roboter für die verschiedensten Anwendungen, Stratosphärenballons und ein Flug-Kontrollsystem, machten sich auf die Suche nach alternativen Energiequellen und Antriebsarten, forschten nach neuartigem Biomaterial zur Behandlung von Hautkrankheiten, reisten bei der Untersuchung von Hügelgräbern in die Vergangenheit - und entdeckten dabei, dass Forschung nicht nur Fragen beantwortet, sondern auch neue entstehen lässt.

Worum geht es in Simons und Kristofs Projekt?

"Die an unserer Schule vorhandene Kugelstoß-Pendelkette hat uns seit unserem ersten Gang in die Physiksammlung der Schule fasziniert. Bei unseren Facharbeiten zum Thema „Kugelkette" haben wir bemerkt, dass in dieser Versuchsanordnung mehr Physik steckt, als man auf den ersten Blick sieht. Deswegen haben wir uns entschlossen, die Kugelkette im Rahmen dieser Arbeit gründlicher zu untersuchen.
Nach einem kurzen Rückblick beschreiben wir anschließend den inneren Mechanismus, der die zu sehenden Stoßvorgänge steuert.
Dann zeigen wir am Beispiel einer Kugelkette mit drei Kugeln, dass Impuls- und Energie-Erhaltung nicht ausreichen, um das jedem aus den Spielzeug-Anordnungen bekannte „Verhalten" der Kette zu erklären. Dies ist mit der Hertzschen Kontakttheorie möglich, deren Hauptergebnisse (Kraftgesetz und Stoßdauer) wir anschließend skizzieren. Das 1882 von Hertz aus ganz allgemeinen Gesetzen der Elastizitätstheorie gefundene Kraftgesetz für die „Berührung fester elastischer Körper" wird an einem einfachen Modell erläutert.
Wir stellen die Besonderheiten der „Monschauer Kugelkette" vor und wie sie von uns justiert wurde. Anschließend wird die Bestimmung der elastischen Konstanten für das Kugelmaterial beschrieben. Diese Konstanten müssen bekannt sein, damit der Vergleich unserer Messungen mit der Hertzschen Theorie möglich ist. Dazu wird auch die Registrierung eines Stoßsignals mit einer Piezoscheibe analysiert. Die Scheibe steckt in der „Sensor-Kugel" senkrecht zur Stoßrichtung. Es wird gezeigt, dass die gemessene Pulsdauer mit der Hertzschen Stoßdauer übereinstimmt. Dann werden die „Hertz-Pulse" nachgewiesen, die den inneren Mechanismus der Kette steuern. Abschließend folgt eine kurze Betrachtung zur Reibung der Kugeln und eine Fehlerbetrachtung."

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