DE10105400A1 - Demonstrationsgerät für das physikalische Prinzip von der Unabhängigkeit der Bewegungen (Unabhängigkeitsprinzip, "Isaac Newtons" "Lex quarta") - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Demonstration von Bewegungen mit konstanter Beschleunigung und zusammengesetzten Bewegungen, wobei insbesondere durch die gleichzeitige Demonstration einer beschleunigten Bewegung aus der Ruhe (wie Fallbewegung) und einer parabelförmigen Bewegung (wie Wurfbewegung) das o. g. Prinzip dargestellt wird. DOLLAR A Derzeit wird im Lehrbetrieb zur Demonstration der "klassische Affenschuss" vorgeführt, wobei eine Wurf- bzw. eine Fallbewegung in "Echtzeit" zu beobachten ist. DOLLAR A Vorteile der Erfindung sind, dass die Bewegungsabläufe quasi in "Zeitlupe" beobachtet werden können. DOLLAR A Die Bewegungsabläufe (freier Fall, schiefer bzw. horizontaler Wurf) werden durch auf einer Platte rollende Kugeln demonstriert und mittels einer Lichtquelle in ihrer Projektion dargestellt. DOLLAR A Wie in Prinzipskizze 1 dargestellt, wird eine Geschosskugel beschleunigt und gibt im Moment des Verlassens der Führungsschienen eine Zielkugel frei. Wurde die Geschosskugel zielgenau auf die Zielkugel ausgerichtet, so treffen sich beide Kugeln unabhängig von der Abschussgeschwindigkeit der Geschosskugel.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Demonstration von Bewegungen mit konstanter Beschleunigung und zusammengesetzten Bewegungen (schiefer Wurf und horizontaler Wurf) einzeln oder gleichzeitig bzw. in Verbindung miteinander, wobei insbesondere durch die gleichzeitige Demonstration einer beschleunigten Bewegung aus der Ruhe (wie Fallbewegung) und einer parabelförmigen Bewegung (wie Wurfbewegung) das Prinzip der Unabhängigkeit der Bewegungen dargestellt werden kann.

Stand der Technik

Zur Demonstration des physikalischen "Prinzips von der Unabhängigkeit der Bewegungen" wird derzeit im Lehrbetrieb der klassische Affenschuss" vorgeführt.

Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um einen "horizontalen Wurf" eines Körpers (Schuss einer Kugel), der gleichzeitig mit einem "freien Fall" eines anderen Körpers (Fallbewegung eines Stoffaffen) beginnt. Der "Wurfkörper" (Geschoss) wird zielgenau in Richtung des "Fallkörpers" (Affe) beschleunigt. Unabhängig von Abstand und Abschussgeschwindigkeit triff das Geschoss den Affen und bestätigt so das o. g. physikalische Prinzip.

Der Versuchsaufbau kann wie folgt beschrieben werden:
Auf einer Haushaltsleiter wird ein Blasrohr so befestigt, dass man beim Hindurchblicken genau einen kleinen Stoffaffen im Visier hat. Dieser Affe wiederum hängt an einem Faden, der über 2 Umlenkrollen mit einer Schlaufe an einem Metallstift befestigt ist. Dieser Metallstift ist genau unterhalb der Mündung des Blasrohres angebracht, so dass der Faden direkt vor der Mündung verläuft. Verlässt nun beim Schuss das Geschoss das Blasrohr, so zieht das Geschoss beim Herausfliegen die Schlaufe vom Metallstift ab. Der Affe fängt also genau in dem Moment seine Fallbewegung an, in dem das Geschoss das Blasrohr verlässt.

Druckschriftenermittlung des Deutschen Patent- und Markenamtes vom 28. 09. 2000 zu Erstanmeldung AZ 100 07 000.0:
Kategorie A: Allgemein zum Stand der Technik, technologischer Hindergrund
DE-GM 17 57 820
US 29 13 834
US 37 77 412
DE-OS 19 33 334
Produktkatalog Naturwissenschaften. Leybold Didactic GmbH, eing. 12. 3. 99, S. 28, 29;
Hauptkatalog Physikversuche, Leybold-Heraeus GmbH, Ausg. 1986, S. 44, 45;
Physik Hauptkatalog P0490, Phywe, eing. 7. 12. 88, S. 46, 47.

Nachteile des Standes der Technik

• - Der o. g. Versuchsaufbau erfordert sehr großzügige Platzver­ hältnisse, da bei zu geringen Abständen diese Demonstration nicht sehr eindrucksvoll wirkt.
• - Der Aufbau ist ausgesprochen aufwendig und arbeitsintensiv.
• - Die Justierung ist empfindlich, wodurch der Versuchsablauf in seiner Reproduzierbarkeit nicht zuverlässig ist.
• - Die Abschussgeschwindigkeit ist nur mangelhaft zu dosieren.
• - Das Blasrohr stellt in gewissem Maße auch ein hygienisches Problem da.
• - Der gravierendste Nachteil ist jedoch, dass der Versuch für das Auge zu schnell abläuft und somit die Bewegungsabläufe selbst kaum mehr wahrnehmbar sind.

Aufgabe der Erfindung

• - Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Demonstration von Bewegungen mit konstanter Beschleunigung und zusammengesetzten Bewegungen (schiefer Wurf und horizontaler Wurf) einzeln oder gleichzeitig bzw. in Verbindung miteinander, wobei insbesondere durch die gleichzeitige Demonstration einer beschleunigten Bewegung aus der Ruhe (wie Fallbewegung) und einer parabelförmigen Bewegung (wie Wurfbewegung) das Prinzip der Unabhängigkeit der Bewegungen demonstriert werden kann.
• - Der Ablauf dieser Bewegungen soll für das Auge wahrnehmbar sein, eine Betrachtung der Vorgänge quasi in "Zeitlupe" ermöglichen.
• - Abschusswinkel und Abschussgeschwindigkeit sollen frei wählbar sein.
• - Die Vorrichtung soll bei minimalen Platzverhältnissen eine möglichst große und gut sichtbare Darstellung ermöglichen.
• - Die Justierung darf nicht empfindlich auf Störgrößen reagieren.
• - Die Handhabung sollte einfach und wenig arbeitsintensiv sein.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

• - Die Bewegungsabläufe können quasi in "Zeitlupe" beobachtet werden.
• - Durch die Einstellschraube (12; Prinzipskizze 1) ist der Neigungswinkel "α" der Vorrichtung einstellbar. Die beim freien Fall auftretende Beschleunigung g (= 9,81 ms^-2) wird mit der Vorrichtung deutlich reduziert auf g.sin α, wodurch Fallbewegungen quasi in Zeitlupe beobachtet werden können.
• - Die Abschussgeschwindigkeit ist gut zu dosieren.
• - Der Abschusswinkel ist einstellbar.
• - Die Justierung ist einfach vorzunehmen und reagiert unempfindlich auf Störgrößen.
• - Die Vorrichtung ist auch bei minimalen Platzverhältnissen gut einsetzbar.
• - Die Bewegungsabläufe können auf der Vorrichtung selbst oder in ihrer Projektion mittels Tageslichtprojektor im Schattenriss in starker Vergrößerung gut sichtbar beobachtet werden.
• - Die Möglichkeit eine mit einem Raster bedruckte Folie gleichzeitig zu projizieren, erleichtert sowohl die Erklärung als auch das Verständnis der Bewegungsabläufe.
• - Aufbau und Handhabung der Vorrichtung sind einfach und mit minimalem Aufwand verbunden.

Das Ausführungsbeispiel ist in den Prinzipskizzen 1-4 dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben [siehe Prinzipskizze 1]:
Auf einer PMMA-Platte (1) (im weiteren mit dem Handelsnamen "Plexiglas" bezeichnet) ist eine drehbare Zielvorrichtung (2) angebracht. Diese Zielvorrichtung beinhaltet eine Abschussvorrichtung für eine Stahlkugel (im weiteren als Geschosskugel (3) bezeichnet), die noch näher erläutert wird.

Die Zielvorrichtung wird auf eine weitere Stahlkugel (im weiteren als Zielkugel (4) bezeichnet) ausgerichtet und nach der Ausrichtung mit der Feststellschraube (5) fixiert. Die Zielkugel wird, bei eingeschalteter elektrischer Versorgung, von einem Elektromagnet (6) in ihrer Position gehalten.

Für den Elektromagnet sind verschiedene Montagepositionen (a-h) vorgesehen, um verschiedene Abschusswinkel möglich zu machen. Wobei Position (h) eine besondere Aufgabe erfüllt, die noch näher erklärt wird.

Die auf der Zielvorrichtung montierte Abschussvorrichtung besteht aus zwei Führungsschienen (7) und einer von Hand zu spannenden Blattfeder (8), die die Geschosskugel längs der Führungsschienen in Richtung Zielkugel beschleunigt. [Siehe auch Prinzipskizze 2] Das so beschleunigte Geschoss passiert bei Verlassen der Führungsschienen eine Lichtschranke (fotoelektrischer Widerstand) (9), welche über eine elektronische Schaltung (10) die Stromversorgung des Elektromagneten unterbricht und somit die Zielkugel frei gegeben wird. [siehe auch Prinzipskizze 3]

Aufstandspunkte der Plexiglasplatte sind drei Stiftschrauben, die in Durchgangsgewinden montiert sind. Somit kann die Platte mittels der Einstellschrauben (11 und 12) sowohl in einer absolut waagrechten Lage als auch mittels der Einstellschraube (12) in einer geneigten Lage eingesetzt werden. Hierbei ist der Neigungswinkel innerhalb gewissen Grenzen beliebig wählbar und stufenlos einstellbar. Wird der Elektromagnet zur Positionierung der Zielkugel in Montageposition (h) angebracht, ist ein horizontaler Schuss, also Abschusswinkel = 0°, möglich. [siehe Prinzipskizze 4]

Das bedeutet für die Fertigung der Vorrichtung, dass die gedachte Ziellinie der Zieleinrichtung im 90°-Winkel zur Fallrichtung der Zielkugel stehen muss. Dies ist bei der Fertigung zwingend zu beachten. Die Begrenzungsleisten (13) verhindern das Wegrollen der Kugeln über den Plexiglasplattenrand hinaus. Lichtschranke, Elektromagnet und elektronische Schaltung sind elektrisch miteinander verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über ein Netzteil (9 V).

Die gesamte Vorrichtung ist aus klarem Plexiglas gefertigt. Dies ist notwendig um eine durchsichtige, projektionsgeeignete Fläche zu schaffen, die eine Demonstration mittels Tageslichtprojektor ermöglicht.

Die Vorrichtung hat die ca.-Abmaße [mm] von: 360 × 290 (6 dick).

Dieses Ausführungsbeispiel bietet zahlreiche Alternativen, die folgend aufgezählt werden:

• - Die Plexiglasplatte kann durch jedes andere projektionsfähige Material ersetzt werden. Auch ist eine Spiegelung denkbar. ist eine Projektion nicht Bedingung, so kommen zahlreiche geeignete Materialien in Betracht.
• - Die Plexiglasplatte kann mit Linien bzw. einem Gitter bedruckt werden, welches im Einsatz mit projiziert wird und dem Betrachter die Beobachtung erleichtert.

Alternativbeispiel

Eine Vorrichtung, die das Prinzip der Erfindung in weiterentwickelter Weise umsetzt ist im Alternativausführungsbeispiel [siehe Prinzipskizzen 5-10] dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben [siehe Prinzipskizze 5]:
Auf einer PMMA-Platte (14) (im weiteren mit dem Handelsnamen "Plexiglas" bezeichnet) ist eine Abschussvorrichtung in einem Punkt drehbar befestigt. Aufstandspunkte der Plexiglasplatte sind drei Stiftschrauben, die in Durchgangsgewinden montiert sind. Somit kann die Platte mittels der Einstellschrauben (28 und 29) sowohl in einer absolut waagerechten Lage als auch mittels der Einstellschraube (29) in einer geneigten Lage eingesetzt werden. Hierbei ist der Neigungswinkel innerhalb gewisser Grenzen beliebig wählbar und stufenlos einstellbar.

Die Abschussvorrichtung ist so ausgeführt, dass eine Stahlkugel (22) (im weiteren als Geschosskugel bezeichnet) zielgenau auf eine weitere Stahlkugel (25) (im weiteren als Zielkugel bezeichnet) ausgerichtet ist. Die Vorrichtung ermöglicht, dass in dem Moment, in dem die Geschosskugel beschleunigt gleichzeitig die Zielkugel frei gegeben wird.

Die gesamte Abschussvorrichtung kann sowohl in waagerechter Lage (waagerechter Wurf) als auch, um den Drehpunkt (17) stufenlos gedreht, in Schräglage (schiefer Wurf) verwendet werden [siehe Prinzipskizze 6]. [Prinzipskizze 5 und Prinzipskizze 7, Detail E]

Der Träger (15) der Abschussvorrichtung ist in Punkt 17 (17) drehbar gelagert, und mit einer Rändelmutter auf der Plexiglasplatte (14) festzuklemmen. Über den Griff (18) wird an der im Träger gelagerten Verschiebestange (16) gezogen, die über das Widerlager (27) die Druckfeder (26) spannt. Das Widerlager (27) ist auf der Verschiebestange stufenlos positionierbar und kann mittels Klemmschraube verspannt werden. Somit kann der Feder eine Vorspannung gegeben werden, was einstellbare Abschussgeschwindigkeiten ermöglicht. Zweites Widerlager ist der Träger. Die Verschiebestange (16) ist über das Verbindungsstück (19) mit einem Drehteil (20) starr verbunden. Teil 20 ist im Träger geführt und kann sich durch eine Einfräsung kontaktlos über den Dorn (21) bewegen. Bei gespanntem Gerät gibt dieses Drehteil den Dorn (21) frei, auf den die Geschosskugel (22) aufgesteckt wird.

[Prinzipskizze 5 und Prinzipskizze 8, Detail F]

Gleichlaufend wird über die Verschiebestange (16) und Verbindungsstück (23) ein Stift (24) durch eine Durchgangsbohrung im Träger geführt. Bei gespanntem Gerät wird die Zielkugel (25) auf den Stift (24) aufgesteckt. Verschiebestange, Verbindungsstück und Stift sind starr miteinander verbunden.

Loslassen des Griffs führt zum Entspannen der Feder, und somit zur Bewegung der Verschiebestange und der mit ihr starr verbundenen Bauteile.

Drehteil 20 schiebt die Geschosskugel von Dorn (21).

[siehe Prinzipskizze 7, Detail E]

Gleichzeitig gibt Stift (24) die Zielkugel frei.

[Prinzipskizze 8, Detail F]

Analog zu "Wurf-" und "Fallbewegung" rollen Geschoss- und Zielkugel auf der Plexiglasplatte ab.

Der Funktionsvorgang ist in den Prinzipskizzen 9 und 10 dargestellt:
Ausrichtung waagerechter Wurf" [siehe Prinzipskizze 9]
Ausrichtung "schiefer Wurf" [siehe Prinzipskizze 10]

Die Grundplatte der Vorrichtung ist aus klarem Plexiglas gefertigt. Dies ist notwendig um eine durchsichtige, projektionsgeeignete Fläche zu schaffen, die eine Demonstration mittels Tageslichtprojektor ermöglicht.

An der Abschussvorrichtung selbst ist ein Bauteil vorzusehen, das die Befestigung an einer Halterung ermöglicht. So ist die Abschussvorrichtung unabhängig von ihrer Grundplatte einsetzbar, um die Bewegungsabläufe in "Echtzeit" zu demonstrieren, also die Kugeln nicht auf der Ebene abrollen sondern ein tatsächlicher Wurf bzw. Fall vorzuführen ist.

Die Vorrichtung hat die ca.-Abmaße [mm] von: 360 × 300 × 80.

Bezugszeichenliste zu den Prinzipskizzen 1-4

1

PMMA-(Plexiglas)-Platte

2

Zielvorrichtung (drehbar)

3

Geschosskugel (Stahlkugel)

4

Zielkugel (Stahlkugel)

5

Feststellschraube (Senkschraube)

6

Elektromagnet

7

Führungsschienen

8

Blattfeder

9

fotoelektrischer Widerstand

10

elektronische Schaltung

11

/

12

Einstellschrauben (Stiftschrauben)

13

Begrenzungsleisten (L-Profil)
a-h Montagepositionen für Elektromagnet

Bezugszeichenliste zu Prinzipskizze 5-10

14

Plexiglasplatte

15

Träger

16

Verschiebestange

17

Drehpunkt (Klemmschraube)

18

Griff

19

Verbindungsstück (Verschiebestange/Drehteil)

20

Drehteil (Abschuss)

21

Dorn (Geschosskugel)

22

Geschosskugel

23

Verbindungsstück (Verschiebestange/Stift)

24

Stift (Zielkugel)

25

Zielkugel

26

Feder

27

Widerlager (Feder)

28

/

29

Einstellschrauben

Zeichenerklärung zu den Prinzipskizzen 1-4

1

PMMA-(Plexiglas)-Platte

2

Zielvorrichtung (drehbar)

3

Geschosskugel (Stahlkugel)

4

Zielkugel (Stahlkugel)

5

Feststellschraube (Senkschraube)

6

Elektromagnet

7

Führungsschienen

8

Blattfeder

9

fotoelektrischer Widerstand

10

elektronische Schaltung

11

/

12

Einstellschrauben (Stiftschrauben)

13

Begrenzungsleisten (L-Profil)
a-h Montagepositionen für Elektromagnet

Zeichenerklärung zu Prinzipskizze 5

j Schiene (Aufhängung)
k Zielkugel
l Elektromagnet
m Klemmvorrichtung
n Rohr (Abschuss)
o Geschosskugel
p Druckfeder
r Aufhängung
s Scheibe (Federwiderlager)
t Zugstange
u Griff
v Fotoelektrischer Widerstand (Lichtschranke)

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Demonstration von Bewegungen mit konstanter Beschleunigung und zusammengesetzten Bewegungen (schiefer Wurf und horizontaler Wurf) einzeln oder gleichzeitig bzw. in Verbindung miteinander, wobei insbesondere durch die gleichzeitige Demonstration einer beschleunigten Bewegung aus der Ruhe (wie Fallbewegung) und einer parabelförmigen Bewegung (wie Wurfbewegung) das Prinzip der Unabhängigkeit der Bewegungen dargestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungen in verlangsamter Form beobachtet werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere Wurfbewegungen quasi in "Zeitlupe" demonstriert werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des "freien Falls", des "schiefen Wurfs" und des "horizontalen Wurfs" durch auf einer Platte rollende bzw. gleitende Körper dargestellt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahren die Bewegungen mittels eines Tageslichtprojektors bzw. einer punktförmigen Lichtquelle an einer Projektionsfläche im Schattenriss dargestellt werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der "freie Fall", "schiefer bzw. horizontaler Wurf" mittels des gleichen Gerätes in "Echtzeit" demonstriert werden können.