Schnellste Kugelbahn der Klasse bauen?
Hallo,
In unserem Physikunterricht wurde uns die Aufgabe gegeben, eine Kugelbahn in Gruppen von 4 Personen zu bauen, die schneller ist als die der anderen Gruppen. Jedes Material ist erlaubt, die Maße seht ihr im Bild. Nicht erlaubt sind Magnete, Luftdruck, usw.
Habt ihr Vorschläge für Material, Aufbau?
Danke schon im Vorraus.♡
8 Antworten
Die Bahnform wurde hier ja schon ausreichend abgeklärt.
Nun zur Umsetzung der Bahn. Welche Fertigungsmöglichkeiten stehen euch denn zur Verfügung?
Denkbar halte ich eine Art Sandwichaufbau: Mittig eine Holplatte, welche keinen Kontakt zur Kugel hat (Trägerplatte). Außen aufgeschraubt die beiden Laufflächen. Die beiden Laufflächen sollten eine möglichst scharfe Kante haben und sehr glatt sein. Ihr könntet die Laufflächen aus Blech machen und die Lauffläche mit einem Winkelschleifer erzeugen. Das sollte einfach umzusetzen sein. Falls ihr kein Metall bearbeiten könnt, wäre auch Kunststoff oder Holz denkbar.
Eine Andere Möglichkeit wäre eine einzelne Platte, bei der ihr die Kontur rein schneidet und dann z.B. mit einer Oberfräse eine Nut einbringst. So hast u auch zwei möglichst scharfe Kanten, auf denen Die Kugel rollen kann.
Wenn ihr mit Metall etwas besser umgehen könnt (schweißen,...) oder einen 3D Drucker habt, könnte ich mir auch gut eine Lösung mit zwei gebogenen Rundstäben/Drähten vorstellen.
Eine weitere Idee:
Ihr nehmt ein PVC Rohr, das Im Durchmesser größer als eure Kugel ist und schneidet es so zurecht, dass ihr nur noch eine Halbschale habt. Diese erhitzt ihr vorsichtig mit einem Heißluftföhn und bringt es in die Brachistochrone- Form. Dann braucht ihr nur noch ein kleines Gestell, dass diese Bahn trägt und fertig.
Zu der Möglichkeit mit der Oberfräse kommt mir gerade noch ein Gedanke. Sinnvoller wäre es einen Kugelfräser zu nehmen, der einen größeren Durchmesser als eure Kugel hat. So habt ihr nur einen Berührungspunkt zwischen Kugel und Laufbahn.
Servus, viele denken ja, der schnellste Weg wäre eine grade Linie. Das ist aber falsch, der schnellste Weg ist die Brachistochrone - Kurve. Hier ein Link, wenn du gut englisch kannst :)
Ansonsten lies dich mal hier rein.
In dem englischen Video bauen die das auch nach. Das würde ich vielleicht bei dir als Anregung nehmen. :)
Die Idee hinter der Kurve ist zusammengefasst, dass u.a. die Gravitation die Kugel schneller macht, je steiler der Weg ist, gleichzeitig ist es aber auch so, dass die Kugel in der Zeit weniger Strecke hinter sich bringt. Das Ausbalancieren von Beschleunigung und Weg hinter sich bringen, bringt dich zu eben dieser Kurve.
Hab als Kind mit meinem Vater immer die Kugeln eines Lochbillards (kleiner als normale Billardkugeln) über Modelleisenbahnschienen gejagt, so lassen sich weiche Radien und geneigte Kurven am besten realisieren und die Schienen lassen sich hervorragend einfach zusammensetzen, ohne bremsende Übergänge. Außerdem sind so nur jeweils 2 Berührungspunkte gegeben, die Reibung ist sehr niedrig. Der Unterbau waren damals Holzbausteine, also würd ich dafür ne Sperrholzunterkonstruktion anfertigen.
Ansonsten ist die Antwort von KriegerMan sehr wichtig.
Ich kann dir jetzt schon verraten, dass alle Kugelbahnen exakt gleich schnell sein werden, wenn die Maße eingehalten werden von Start und Endpunkt !
eine einfache Extrembetrachtung widerlegt diese Gleichheit:
eine Bahn, die fast waagerecht bis über den Endpunkt führt und dann senkrecht abfällt, wird die Kugel schon gegenüber der einfachen schrägen Geraden ins Hintertreffen bringen, weil die Kugel bis zum Fallpunkt beliebig lange brauchen kann.
Was theoretisch zwischen allen Bahnen gleich ist, ist die Geschwindigkeit am Endpunkt, aber die Geschwindigkeiten auf dem ganzen Weg und die Länge des Weges sind entscheidend.
Ok - man muss zusätzlich voraussetzen, dass die Bahn in einer Ebene ist und die Reibung nicht allzu unterschiedlich ausfällt.
Aber ich denke der Lehrer möchte genau auf das hinaus, dass alle Bahnen gleich schnell werden sollen - oder fast gleich schnell.
Wäre nämlich eine OH und AHA Effekt - Energieumwandlung - pot. Energie - kin. Energie.
Das kann gut sein ^^ Aber "exakt" im Sinne von " auf die ms gleichzeitig" ist glaub ich höchst unwahrscheinlich.
Ich kann dir jetzt schon verraten, dass alle Kugelbahnen exakt gleich schnell sein werden, wenn die Maße eingehalten werden von Start und Endpunkt !
Physikalisch vollkommener Quatsch.
Nur weil die Kugel beim Überwinden der Höhendifferenz immer die gleiche Arbeit verrichtet, ist sie nicht immer gleich schnell - ich glaube, du verwechselst die beiden Dinge.
Extremes Beispiel um deine Theorie zu widerlegen: Auf einer Bahn, die zunächst bergauf geht, wird die Kugel unendlich lange brauchen, bis sie unten ankommt. Sprich: sie wird nichtmal wegrollen.
Die Bahn in Form einer Brachistochrone.
Zusätzlich sollte die Bahn zB aus pollierem Edelstahl mit Leichtmaschinenöl sein und die Kugel aus einem harten Material mit mittlerer Dichte zB eine Glasmurmel und diese sollte vorher mit Isopropanol gereinigt werden.
Optimal wären zwei Edelstahl Rundstangen als Führung wie man sie von Kugelbahnen kennt. Det Abstand dieser Bahnen sollte etwas weniger als der Durchmesser der Kugel sein, so verhindert man am effektivsten das abdriften der Kugel. Optimal wäre eine gekrümmte Fläche aber da hätte die Kugel keine gute Führung mehr.
Warum sollte es? Verschiedene Materialien (Reibung), verschiedene Lösungsansätze (z.B. keine Gerade) sorgen für unterschiedliche Geschwindigkeit.