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Vakuumkanone

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Es war einmal vor einiger Zeit eine ganz normale Doppelstunde im Seminarfach Medizinische Physik bzw. im Physikunterricht unserer Klasse, als gegen Schluss unser Seminarfachlehrer Herr Gieschen, der ja für seine Schülerprojekte bekannt ist, auf uns zu kam und uns auf YouTube ein Video von einem Versuch der Projektgruppe Show-Physik an der Universität Paderborn zeigte:

https://www.youtube.com/watch?v=GWrwQEOYi-M

Darin waren Studenten zu sehen, die eine sogenannte Vakuumkanone gebaut hatten. Diese bestand aus einem Plastikrohr, welches, wenn man ihren Auslöser betätigte, einen Golfball mit hoher Geschwindigkeit aus seiner Öffnung schoss. Im Anschluss daran wurden wir von der Kraft einer Vakuumkanone überzeugt, indem die Studenten mit einem einzigen Schuss eine Melone zertrümmerten. Nachdem wir uns so von der Kraft des Vakuums überzeugt hatten, stand die Antwort auf die Überlegung unseres Lehrers, ob wir nicht auch eine solche Kanone konstruieren könnten, schon fest.

Bau:

Wie aber konnten wir nun diesen physikalischen Versuch selber nachbauen? Dafür brauchte es im Grunde nicht viel. Es genügt ein Rohr aus Plastik (zu Beobachtungszwecken durchsichtig), welches durch einige Fassungen gehalten wird, die man mit Hilfe von Schraubzwingen auf einigen Böcken etwa hüfthoch montiert. Die Fassungen haben wir uns von einer Werkstadt aus ein paar Kunststoffblöcken fertigen lassen. Das eine Ende der Plastikröhre lässt man nun offen, während man das andere mit einem ausgeklügelten Stück Feinmechanik versieht, welches im Ganzen nur aus einer weiteren runden Fassung besteht, die bis an die hintere Öffnung des Rohres reicht.

2019 06 30 Kanone02

Daran befindet sich eine runde Gummilippe, die das hintere Ende der Röhre umfasst. Auf die Gummilippe wird ein weiteres rundes Stück Kunststoff aufgesetzt, welches mit einem Scharnier an dem vorigen befestigt ist und an dem sich eine Metallstage befindet, auf die man schlagen kann, um das hintere Ende der Vakuumkanone zu öffnen. Kurz vor diesem Ende muss man ein Loch in die Röhre bohren, um dort einen Anschluss für einen Gummischlauch zu schaffen, der dazu dient, dort später die Vakuumpumpe anzuschließen, die dann die Röhre evakuiert.

Damit dies funktioniert muss man einen Papierteller an das vordere Ende der Röhre halten, nachdem man ein relativ schweres Versuchsobjekt, wie z. B. einen Golfball, in diese bis an das hintere Ende hineingerollt hat. Wenn die Plastikröhre nun evakuiert (Luftteilchen herausgesagt) wird, dann wird der Papierteller an der Öffnung der Röhre festgesogen. Es ist deshalb wichtig, möglichst stabile Papierteller zu wählen, damit diese nicht in das Innere der Röhre gesogen werden. Wenn man nun plötzlich mit einem Schlag auf die Metallstange am Ende der Vakuumkanone schlägt, dann wird das Versuchsobjekt durch die einströmende Luft nach vorn getrieben und nimmt dabei große Geschwindigkeit auf. Je größer dabei die Masse des Versuchsobjektes, desto höher seine Kraft nach der Beschleunigung in der Kanone.

Tag der offenen Tür:

Nachdem wir nun nach einiger Arbeit alle Teile aufgetrieben und passend zusammengesetzt hatten, freuten wir uns schon darauf, unser tolles Experiment an dem bald anstehenden Tag der offenen Tür zu präsentieren. Allgemein lässt sich zu dem Tag der offenen Tür sagen, dass er für uns ein voller Erfolg war. Mit unserem Experiment und einigen Kaputten Zielobjekten (Pappkartons und Melonen) gelang es uns, viele Schaulustige anzuziehen und vor allem die angehenden Gymnasiasten für die Physik an der Ursulaschule zu begeistern.

Natürlich wurde mit einer weiträumigen Absperrung des umliegenden Geländes, mit Sicherheitsmasken und fachkompetenten Aufpassern für die nötige Sicherheit gesorgt. Um unsere Kenntnisse über die Kräfte des Vakuums, nachdem wir sie uns nun so eindrucksvoll vor Augen geführt hatten, weiter zu vertiefen und die Physik hinter unserem Experiment vollends zu durchleuchten, haben wir einige Formeln zur Beschreibung des von uns beobachteten Phänomens hergeleitet und im Laufe des Konstruktionsprozesses auch die Erfinder des Experimentes in Paderborn besucht, um weitere Erkenntnisse zu erhalten.

Vakuumkanone gegen Golfer:

Den Abschluss unseres Projekts markierte schließlich ein Besuch in Herrn Fründs Revier: der Golfplatz in Jeggen. Hier konnten wir nun endlich mal die Grenzen unserer Vakuumkanone auf der sogenannten „Driving Range“ austesten, indem wir den Winkel des „Abschussrohrs“ veränderten. Auch wenn Herr Fründ immer größere Eisen aus seiner Tasche zog und vollen Einsatz zeigte, blieb er letztendlich chancenlos gegen uns. Nach dem kleinen Wettkampf zeigte sich Herr Fründ aber als fairer Verlierer und bot uns eine kleine private Golflehrstunde an.

2019 06 30 Vakuumkanone kl

Hier unsere erreichten Entfernungen mit den angegebenen Winkeln der Vakuumkanone:

Winkel sx, gemessen   sx, berechnet
 10° 118 m 550 m
 20° 150 m 1033 m
 25°  165 m 1231 m
 30°  172 m 1392 m
 35°  180 m 1510 m
 40°  160 m 1583 m

 

Unsere Verblüffung war groß: Nach der Theorie müsste bei 45° die größte Entfernung erreicht werden. Der Platzmanager Dr. Axel Städtler hatte die Lösung: Die Dimpel (Einkerbungen in den Golfbällen) führen zu einer Aerodymanik, die dem Golfball Auftrieb verleihen und somit den Winkel erhöhen.

Mit unserer hergeleiteten Formel haben wir die theoretischen Werte berechnet, diese sind in der Auflistung in Klammern angegeben…

Formel für das anfängliche Tempo des Golfballes aus der Vakuumkanone (ohne Berücksichtigung der Erdbeschleunigung während der Beschleunigungsphase, ohne Reibung, ohne Berücksichtigung des Restdruckes):

 formel1

Formel für die maximale Entfernung des Golfballes (ohne Luftreibung, Annahme: Abschusshöhe gleich Erdbodenebene):

 formel2

Ein Vergleich der Werte zeigt die großen Einflüsse der verschiedenen Reibungen, des Restdruckes in der Röhre bzw. der Aerodymanik. Näheres erfahrt ihr gerne bei uns (Till Fese, Thea Kleine-Huster, Chiara Lauxtermann, Simon Molitor, JanWarkene, Herr Gieschen)

 

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