Physik

Bestimmung des absoluten Nullpunktes der Temperatur und der Boltzmann-Konstanten mit der Soundkarte eines PC

Bestimmung des absoluten Nullpunktes der Temperatur und der Boltzmann-Konstanten mit der Soundkarte eines PC

Eigentlich hat die Soundkarte eines Computers einen simplen Zweck: Sie kann Klänge digitalisieren und umgekehrt digitale Dateien in Klänge umwandeln. Ben Gade und Jan Kube haben das Bauteil auf originelle Weise zweckentfremdet. Sie nutzten es, um eine Grundgröße der Physik zu ermitteln: die Boltzmann-Konstante. Diese setzt die mittlere Bewegungsenergie von Teilchen in einem Gas in Bezug zur Temperatur des Gases selbst. Mithilfe der Soundkarte vermaßen die beiden Jungforscher das Rauschverhalten eines elektrischen Widerstands, den sie in einem Spezialofen auf Temperaturen von bis zu 400 ºC aufheizten. Das überraschende Ergebnis: Anhand der Messkurven ließ sich die Boltzmann-Konstante bis auf wenige Prozent genau bestimmen – ebenso wie der Wert des absoluten Temperaturnullpunkts bei rund -273 ºC.

Ein Flügel reicht: Glockenauftriebsverteilung nach Horten am Nurflügel

Ein Flügel reicht: Glockenauftriebsverteilung nach Horten am Nurflügel

Nurflügel sind Flugzeuge, die nur aus einer Tragfläche ohne Rumpf und Leitwerk bestehen. Im Vergleich zu konventionellen Fliegern zeichnen sie sich durch ihre optimierte Aerodynamik und ihren deutlich geringeren Treibstoffverbrauch aus. Doch die speziellen Flugzeuge haben auch Nachteile: Sie sind nur schwer zu steuern und kommen leicht ins Trudeln. Eine besondere Expertise im Bau von Nurflügeln hatten die Bonner Flugzeugkonstrukteure Reimar und Walter Horten. Basierend auf einem Konzept der Horten-Brüder aus den 1930er Jahren konstruierte der leidenschaftliche Modellflieger Ivo Zell einen Nurflügel mit stabilem Flugverhalten. Dessen Eigenschaften untersuchte der Jungforscher experimentell und theoretisch. Seine Forschungsergebnisse könnten zu einem umweltschonenderen zivilen Luftverkehr beitragen.

Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Ionen-Nanoteilchen-Wechselwirkungen

Elektronenmikroskopische Untersuchungen der Ionen-Nanoteilchen-Wechselwirkungen

Die Nanotechnologie hält immer stärker Einzug in den Alltag: So werden mittlerweile zum Beispiel manche Sportgeräte mit winzig kleinen Nanoteilchen verstärkt, und auch die Leiterbahnen auf Computerchips sind heutzutage nanometerfein. Julia Graupner ist von der noch jungen Technologie fasziniert und ließ sich ein aufwendiges Grundlagenexperiment einfallen. Mit einem Spezialmikroskop der Universität Jena beobachtete die Jungforscherin, was passiert, wenn man nanometerkleine Goldpartikel mit Gallium-Ionen bombardiert. Das Ergebnis: Durch den Beschuss wurden zahlreiche Goldatome aus den Partikeln herausgeschlagen. Dadurch schrumpften die Teilchen – und zwar in einem stärkeren Maße, als man es eigentlich hätte erwarten dürfen. Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, in Zukunft maßgeschneiderte Nanostrukturen herzustellen.

Geschüttelt, nicht gerührt – Granulat komplett dicht

Geschüttelt, nicht gerührt – Granulat komplett dicht

Granulate sind körnige Substanzen wie beispielsweise Streusalz oder Reiskörner. Die Industrie verwendet diese Schuttgüter in großen Mengen und steht dabei unter anderem vor der Frage, wie sich Granulat möglichst dicht packen und damit platzsparend lagern lässt. Dieses Problem hat Ann-Kathrin Raab in Angriff genommen. Sie entwarf einen Versuchsaufbau mit einem zu einem Schüttler umfunktionierten Lautsprecher. Dieser ermöglichte es ihr, diverse Schüttgüter systematisch unter die Lupe zu nehmen. Dabei kam die Jungforscherin zu dem Ergebnis, dass es für eine effektive Verdichtung und somit platzsparende Anordnung des Granulats entscheidend ist, welche Größe und Form das Gefäß hat, in dem es gelagert wird. Diese Erkenntnis könnte auch für die Industrie interessant sein.

Laser-Beugungsmuster als „Fingerprint" von Bakterien

Laser-Beugungsmuster als „Fingerprint" von Bakterien

Wenn der Arzt nach einem Abstrich eine bakterielle Infektion bei seinem Patienten vermutet, bleibt die Frage zu klären, um welchen Erreger es sich genau handelt. Um dies herauszufinden, werden heute in der Regel biochemische Laboruntersuchungen durchgeführt. Doch die kosten Zeit und sind nicht billig. Katarina Chapman suchte nach einer günstigeren und schnelleren Methode – und versuchte es mit dem Laser. Das Prinzip: Ein Laser bestrahlt bei absoluter Dunkelheit die betreffenden Bakterienkolonien und eine Kamera nimmt das von den Einzellern gestreute Licht auf. Mit diesem Aufbau konnte die Jungforscherin acht verschiedene Bakterienarten anhand ihres Laser-Fingerabdrucks unterscheiden. Als mögliches Einsatzfeld kann sie sich das schnelle und einfache Aufspüren etwa von EHEC-Keimen vorstellen.

LiteWave: mobile Wasseranalyse

LiteWave: mobile Wasseranalyse

Die Analyse von Schwermetallen im Wasser mittels Spektroskopie ist meistens aufwendig und teuer. Aber es geht auch anders: Niklas Fauth entwickelte ein preisgünstiges Atomemissionsspektrometer als akkubetriebenes Handgerät für den mobilen Einsatz. Darin wird das Wasser mithilfe von Ultraschall, der von Piezoelementen erzeugt wird, zunächst zerstäubt. Im nächsten Schritt regt der Jungforscher die Atome der Probe mit einem Lichtbogen an, damit sie – je nach Substanz – ihr charakteristisches Licht aussenden. Die daraus resultierende Frequenzverteilung analysiert er anschließend mit einem kostengünstigen kommerziellen Spektrometer – nicht ohne auch für diese Komponente schon Ideen zum Eigenbau entwickelt zu haben.

Nutzung bioelektrischer Zellpotenziale zur Steuerung von Maschinen

Nutzung bioelektrischer Zellpotenziale zur Steuerung von Maschinen

Die Nervenzellen im menschlichen Körper funktionieren unter anderem mit Elektrizität. Will man seinen Daumen bewegen, schickt das Gehirn ein schwaches elektrisches Signal zum Finger. Solche Signale lassen sich mithilfe von Elektroden, die auf der Haut angebracht werden, einfangen und messen. Patrick Langer hat diesen Umstand genutzt, um ein originelles Gerät zu entwickeln: Eine Manschette mit Elektroden wird um den Arm geschnallt und mit einem Minicomputer verbunden, der die gesendeten Signale empfängt und verarbeitet. Spannt man nun die Armmuskeln an, nimmt der Sensor den elektrischen Impuls auf und initiiert die gewünschte Aktion, etwa einen Mausklick auf einem Rechner. Nützlich sein könnte das Gerät zum Beispiel zur genauen Messung von Reaktionszeiten, aber auch zur Steuerung elektronischer Prothesen.

Physikalische Analyse einer Wasserfontäne

Physikalische Analyse einer Wasserfontäne

Füllt man eine Glaspipette teilweise mit heißem Wasser, verschließt deren oberes Ende und dreht sie zügig um, schießt das Wasser oben springbrunnenartig heraus. Grund dafür ist die durch das heiße Wasser erwärmte Luft, die sich ausdehnt und die durch die Drehung oben befindliche Flüssigkeit herausdrückt. Doch nach welchen physikalischen Prinzipien funktioniert so eine Wasserfontäne genau? Dieser Frage ging Carina Kanitz nach. Sie näherte sich dem Phänomen zunächst theoretisch anhand von Beschreibungen der verschiedenen Parameter wie der Pipettenrotation oder der Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft. Die so ermittelten Auswirkungen auf die Höhe der Fontäne überprüfte sie anschließend mit einem selbst entwickelten Versuchsaufbau. Die höchste Fontäne, die die Jungforscherin erzeugen konnte, maß beinahe zwei Meter.

Spannungsoptik für Implantatoptimierung

Spannungsoptik für Implantatoptimierung

Bei manchen Zahnoperationen greifen Kieferorthopäden zu winzigen Schrauben, die sie in den Knochen eindrehen. Diese Minischrauben haben ihre Vorteile, sie bringen aber auch Probleme mit sich. Beim Hineinschrauben können beträchtliche Spannungen im Kiefer entstehen, sodass Teile des Knochens absterben. Hier setzt die Arbeit von Vincent Stirnweiß, Arne Röhner und Fabian Collin an: Die drei simulierten das Verfahren mit Blöcken aus Plexiglas, in die sie Minischrauben hineindrehten. Die dabei entstandenen mechanischen Spannungen machten sie mit einem raffinierten Beleuchtungsverfahren sichtbar. Als Ergebnis konnten die Jungforscher zeigen, wie sich verschiedene Formen und Größen von Schrauben auswirken: Je länger und größer Gewinde und Durchmesser sind, umso höher fallen die Spannungen aus.

Ultraschneller Teilchenregen

Ultraschneller Teilchenregen

Myonen sind winzige Elementarteilchen, die in vielen Eigenschaften den Elektronen ähneln. Sie entstehen laufend in den oberen Schichten der Erdatmosphäre, wenn energiereiche kosmische Strahlung auf unseren Planeten trifft. Ein Teil der Myonen fliegt bis zur Erdoberfläche und lässt sich dort mit Messgeräten erfassen. Antje Burckhardt, Larissa Bergmann und Gesa Pelloth haben sich einen ausgefeilten Versuchsaufbau einfallen lassen, mit dem sich Myonen nicht nur nachweisen, sondern auch ihre Geschwindigkeiten abschätzen lassen. Das Ergebnis: Die langsamsten Teilchen erreichten rund 91 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, die schnellsten schafften mehr als 99 Prozent. Von ihrem Entstehungsort in rund elf Kilometern Höhe benötigten die Raser also weniger als 40 millionstel Sekunden bis zur Erde.

Untersuchung des Verhaltens von Fusionsplasmen unter Einwirkung von anisotropen elektrischen Feldern

Untersuchung des Verhaltens von Fusionsplasmen unter Einwirkung von anisotropen elektrischen Feldern

Manche Physiker sehen in der Kernfusion, also der kontrollierten Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium, eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Schließlich funktioniert auch die Sonne auf diese Weise – und die erzeugt viel Energie! Um eines fernen Tages Strom mittels Kernfusion erzeugen zu können, bauen Forscher bereits riesige Versuchsreaktoren wie das Milliardenprojekt ITER in Frankreich. Vielleicht geht es aber auch deutlich einfacher, dachten sich Luca Ponzio, Daniel Itkis und Johannes Konrad. Sie konstruierten ein eigenes, originelles Fusionsexperiment mitsamt Vakuumpumpen, Reaktorgefäß und Hochspannungsaggregat – bei Gesamtkosten von nur 1 000 Euro. In ihren Testläufen beobachteten die Jungforscher interessante Leuchterscheinungen – und womöglich sogar das eine oder andere Fusionsfünkchen.

Untersuchung von Trigger-Systemen in der Teilchenphysik – Tabletop- und Großexperimente

Untersuchung von Trigger-Systemen in der Teilchenphysik – Tabletop- und Großexperimente

Die Experimente im weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC in Genf zählen zu den aufwendigsten der Welt: Haushohe Detektoren beobachten die ungemein wuchtigen Teilchenkollisionen und vermessen präzise deren „Bruchstücke“. Wichtig ist dabei die Frage, wann ein Detektor überhaupt auslöst, um ein Ereignis zu registrieren. Ebendiesen Trigger-Mechanismus hat Saskia Plura bei einem der LHC-Detektoren genauestens analysiert. Ihre Ergebnisse verglich sie mit der Auslösetechnik eines Schulversuchs, der auf einer Thermoskanne basiert. Das Resümee der Jungforscherin: So schlecht schneidet das simple Schulexperiment gegenüber dem Hightech-Riesen in Genf gar nicht ab – zumindest was den Trigger-Mechanismus anbelangt.

Untersuchungen zum Druckabfall und zur Strömungsentwicklung in Mikrokanälen

Untersuchungen zum Druckabfall und zur Strömungsentwicklung in Mikrokanälen

Ob das Blut in einer Kanüle oder das Benzin in einem Schlauch – in Medizin und Technik kommt es häufig vor, dass Flüssigkeiten durch äußerst dünne Kanäle oder Röhrchen geleitet werden. Das nasse Medium fließt darin durchaus anders als in breiten Rinnen oder dicken Rohren. Der Grund dafür liegt in den Grenzflächen zwischen Kanülenwand und Flüssigkeit, die das Fließverhalten ganz entscheidend beeinflussen. Diesen Umstand hat Baibhab Ray in seinem Forschungsprojekt genauestens analysiert, und zwar mit ausgefeilten mathematischen Methoden. Unter anderem beobachtete der Jungforscher, dass an manchen Stellen einer Kapillarröhre die Flüssigkeiten schneller vorankommen können, als es die üblichen Theorien voraussagen.

Urknall-Gurke

Urknall-Gurke

Setzt man eine Essiggurke unter Strom, kann man sie auf einer Seite zum Leuchten bringen – ein klassischer Unterrichtsversuch. Doch Hannes Hipp und Sonja Gabriel wollten mehr wissen: Woran liegt es, dass die Gurke nur auf der einen Seite leuchtet? Und wovon hängt es ab, welche Seite das ist? Da dieses Phänomen auch unter Wechselspannung stets nur auf einer Seite auftritt, kann die Polung nicht ausschlaggebend sein. In Messreihen konnten die Jungforscher zudem nachweisen, dass es keine Relevanz hat, auf welcher Seite sich der Stiel der Gurke befindet, und es ist auch unerheblich, wie die Gurke geformt ist. Die Erklärung ist letztlich rein physikalischer Natur: Die Gurken leuchten immer auf der Seite mit der dünneren Elektrode.

Völlig abgedreht – Untersuchungen von Vortex-Halbringen

Völlig abgedreht – Untersuchungen von Vortex-Halbringen

Manche Raucher beherrschen ein kleines Kunststück: Sie können Ringe aus Zigarettenrauch in die Luft blasen. Auf etwas Ähnliches haben es Lukas Flesch, Anja Du?cker und Hagen Glauche in ihrer Forschungsarbeit abgesehen – Halbringe, die man mit etwas Geschick in einem Wasserbecken erzeugen kann. Unter günstigen Umständen können sich diese Wirbelpaare längere Zeit halten, bevor sie sich wieder auflösen. Die drei Jungforscher färbten die Strudel mit etwas Tinte ein, um sie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zu filmen und anschließend zu analysieren. Dabei beobachteten sie unter anderem dunkle Flecken, die am Beckengrund direkt unter den Wirbeln erschienen – ein interessantes optisches Phänomen, verursacht durch die eigentümliche Lichtbrechung der Strudel.

Welle schaltet Welle – Experimente mit linearen Bauelementen für die optische Datenverarbeitung

Welle schaltet Welle – Experimente mit linearen Bauelementen für die optische Datenverarbeitung

Die Funktionsweise eines Computers lässt sich vereinfacht so erklären: In einem Mikroprozessor werden kleinste Elektroströme hin- und hergeschoben, die dann die Rechenleistung ausmachen. Es gibt jedoch ein weiteres Konzept, das prinzipiell schneller sein sollte – das Rechnen mit Licht. Bereits existierende Prototypen basieren zumeist auf speziellen Werkstoffen, die durchaus kostspielig sind. Daher haben Maximilian Oehmichen, Adrian Lenkeit und Marvin Lohaus nach einer preiswerten Alternative gesucht. Sie stellten raffinierte „Metamaterialien“ her – Kunststoffplatten, auf die sie zum Beispiel Halbringe aus Kupfer aufbrachten. Diese Platten beleuchteten die Jungforscher mit Mikrowellen und stellten dabei fest, dass sich mit diesem Aufbau tatsächlich simple Rechenoperationen ausführen lassen.

Entwicklung eines Spektrumanalysators

Entwicklung eines Spektrumanalysators

Man kennt es aus der Musik: Klänge besitzen höhere und tiefere Tonanteile – ein sogenanntes Frequenzspektrum. Indem man dieses Spektrum analysiert und in seine Einzeltöne zerlegt, erhält man den genauen Fingerabdruck eines Klangs. Das ist wichtig, etwa um verschiedene Stimmen voneinander unterscheiden zu können. Ähnliche Verfahren gibt es auch in der Hochfrequenztechnik, zu der unter anderem Mobilfunk und WLAN zählen. Markus Lippl hat in seiner Arbeit ein Gerät gebaut, das solche Hochfrequenzsignale in ihre Anteile zerlegt und dadurch exakt analysiert. Gebraucht werden solche Messapparaturen unter anderem in den Entwicklungslabors der IT-Industrie.

Monopod – Physik bis zum Umfallen

Monopod – Physik bis zum Umfallen

Sechsbeinige, geländegängige Roboter sind beliebte Forschungsobjekte. Doch lässt sich auch ein Roboter bauen, der stabil auf nur einem Bein steht und sich springend fortbewegt? Dieser Frage ging Anselm von Wangenheim nach. Mittels aufwendiger Simulationen konnte er zeigen, dass es physikalisch möglich ist, einen sogenannten Monopod zu konstruieren – einen einbeinigen Roboter, der sich kippend fortbewegt und dabei durch die Rotation einer Schwungmasse vor dem Umfallen bewahrt wird. Auch experimentell kann der Jungforscher erste Erfolge vermelden: Mit Schaschlikspießen, Holzleim und Sensoren gelang ihm bereits der Bau eines Duopods.

Chaos am Wasserrad?

Chaos am Wasserrad?

Das Auftreten von Chaos ist mitunter berechenbar, das zeigt das Forschungsprojekt von Tobias Spanke. Er befestigte Plastikbecher an einer Fahrradfelge und befüllte jeweils den oberen – einem Wasserrad gleich – mit Flüssigkeit. Da die Becher jeweils ein Loch haben, sie somit permanent Wasser verlieren, zeigt sich ein spannendes Phänomen: Je nach Menge des Wasserzuflusses und je nach Reibung des Rades sind dessen Drehbewegungen berechenbar, oder aber chaotisch. Im chaotischen Zustand wechselt das Rad unregelmäßig und unkalkulierbar seine Drehrichtung. Per Computer dokumentierte der Jungforscher die Drehbewegungen und analysierte, unter welchen Bedingungen sie chaotisch sind und unter welchen nicht. Dieses Phänomen simulierte er anschließend mithilfe einer selbst geschriebenen Software.

Der Wunderkerzenrotor

Der Wunderkerzenrotor

Ihre Antriebskraft ist gering, aber deutlich nachweisbar: Wunderkerzen sind in der Lage, einen Rotor in Bewegung zu versetzen, weil ihr Funkenflug einen Rückstoß erzeugt. Voraussetzung dafür ist, dass die Funken hauptsächlich in eine Richtung fliegen. Und dass genau dies der Fall ist, wiesen Tim Königl und Dennis Zisselsberger mit einer Hochgeschwindigkeitskamera nach. Anschließend bauten sie einen solchen Wunderkerzenrotor, nahmen daran Messungen vor, und analysierten die Vorgänge. So reizvoll der Funkenantrieb optisch auch ist, als Konzept für die Praxis taugt er nicht, wie die Jungforscher nachweisen konnten. Denn die Energieausbeute des Prozesses ist sehr schlecht und nach nur 26 Sekunden ist das Feuerwerk ohnehin beendet.

Grätzelzelle Advanced Edition – der Veganer der Energieerzeugung

Grätzelzelle Advanced Edition – der Veganer der Energieerzeugung

Solarzellen, die sich mittlerweile in großer Zahl auf deutschen Dächern befinden, bestehen überwiegend aus Silizium – jenem Halbleiter, aus dem auch Computerchips gefertigt sind. Doch es gibt auch andere Materialien, die Sonnenlicht in Strom umwandeln können. Der Schweizer Chemiker Michael Grätzel nutzte dafür organische Farbstoffe – wie sie beispielsweise in Hibiskustee enthalten sind – und erfand die „Grätzelzelle“. Diese erforschte Philipp Kerth in seiner Arbeit. In mehreren Versuchsreihen überprüfte er ihr Potenzial, experimentierte mit verschiedenen Farbstoffen und schaffte es sogar, die Energieausbeute der Zelle zu steigern – mit geschickter Beleuchtung und Zugabe von Alkohol.

Tschernobyl auf der Spur – Nachweisuntersuchung von Caesium-137 in Pilzen und Tee

Tschernobyl auf der Spur – Nachweisuntersuchung von Caesium-137 in Pilzen und Tee

Als 1986 das Kernkraftwerk von Tschernobyl havarierte, zogen beträchtliche Mengen an Radioaktivität über Europa und fielen als strahlender Niederschlag zu Boden. Manche dieser Stoffe sind heute noch aktiv, zum Beispiel das Isotop Caesium-137 mit seiner Halbwertszeit von 30 Jahren. Mareike Wolff und Julia Sachsendahl haben Pilze und Tee aus verschiedenen Regionen Europas auf Caesium-Spuren hin analysiert. Das Ergebnis: Bei einigen der selbst gesammelten Pilze werden die Grenzwerte überschritten, zumindest wenn die Pilze getrocknet sind. In einigen Gebieten Europas, etwa in Österreich und Deutschland, lässt sich das strahlende Erbe von Tschernobyl also Jahrzehnte später noch nachweisen.

Segel gegen Flügel: das Duell auf dem Wasser

Segel gegen Flügel: das Duell auf dem Wasser

Das Segeln zählt zu den ältesten Fortbewegungsmethoden der Menschheit – schon die alten Ägypter ließen sich per Segeltuch über den Nil treiben. Dennoch gelingt es auch heute noch, Segelboote durch neue Technik immer schneller zu machen. Eine dieser Innovationen ist der „Doppelflügel“, bei dem zwei Segel durch einen dünnen Spalt getrennt sind. Tobias Hoch, selbst Hobbysegler, hat dieses neue Konzept mit einer konventionellen Hightech-Segelkonstruktion verglichen – zunächst theoretisch, dann mit Versuchen in einem Windkanal. Das Ergebnis: Beide Konstruktionen haben ihre Berechtigung. Bei günstigen Windverhältnissen hat der Doppelflügel das größere Potenzial. Bei stark wechselnden Bedingungen liefern konventionelle Segel den verlässlicheren Vortrieb.

Das vierte Element – Entwicklung und Untersuchungen an einem auf Übergangsmetalloxid basierenden Memristor

Das vierte Element – Entwicklung und Untersuchungen an einem auf Übergangsmetalloxid basierenden Memristor

2008 stellte der US-Computerkonzern Hewlett-Packard den Prototypen eines neuartigen elektronischen Bauelements vor, Memristor genannt. Vereinfacht gesagt handelt es sich um ein Bauteil, dessen elektrischer Widerstand vom Stromfluss abhängt und das sich diesen Widerstand unter bestimmten Umständen merken kann. Evgeny Ulanov und Philipp Schnicke bauten so einen „Gedächtniswiderstand“ aus einem ungewöhnlichen Material – aus Kupfersulfid, einer Verbindung aus Kupfer und Schwefel. Mithilfe einer LED gelang es den Jungforschern, Informationen in dem Memristor zu speichern und wieder abzurufen. In Zukunft könnten Bauelemente dieser Art als Grundlage für leistungsfähigere Speicherchips dienen.

Physikalische Betrachtungen zur Positionsbestimmung in Netzen

Physikalische Betrachtungen zur Positionsbestimmung in Netzen

Tippt man sachte gegen ein Spinnennetz, lässt sich etwas Interessantes beobachten: Das Netz beginnt auf komplexe, durchaus ästhetische Weise zu schwingen. Mathematisch gesehen ist es alles andere als einfach, diese Schwingungen zu beschreiben. Daher entwarf Sophie Atzpodien einen raffinierten Versuchsaufbau: Gummibänder sind so miteinander verbunden, dass sie eine netzähnliche Struktur bilden. Dann versetzte sie das Netz in Schwingung und maß mithilfe von Lichtschranken präzise, wie es sich bewegte. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse darauf, wie es eine Spinne schafft, genau den Punkt zu erfassen, an dem ihr Opfer ins Netz gegangen ist, und wie sie es schafft auf dem schnellsten Weg dorthin zu gelangen.

Highspeed-Internet aus der Glasfaser – Informationsübertragung mit dem Polarisationszustand des Lichtes

Highspeed-Internet aus der Glasfaser – Informationsübertragung mit dem Polarisationszustand des Lichtes

Immer mehr Daten in immer kürzerer Zeit – diese Maxime stellt die IT-Industrie vor große Herausforderungen. So sollen die Datenmengen, die durch Glasfaserleitungen geschickt werden, stetig zunehmen, was neue Technologien erfordert. Vor diesem Hintergrund entwickelten Maurice Zeuner, Konstantin Schwark und Max Bräuer ihre Idee: Sie möchten zur Datenübertragung künftig die Polarisation des Lichts ausnutzen, also die Ebene, in der die Lichtwellen schwingen. Indem man diese Schwingungsrichtung gezielt dreht, lassen sich gleichsam Informationen auf das Licht prägen. Die ersten Versuche liefen durchaus vielversprechend, weshalb die Jungforscher großes Potenzial in dem Ansatz vermuten.

Ein neues Antibiotikum? – Elektrophysiologische Untersuchung neuartiger Gramicidin-Derivate

Ein neues Antibiotikum? – Elektrophysiologische Untersuchung neuartiger Gramicidin-Derivate

Wie beeinflussen bestimmte antibiotikaähnliche Moleküle menschliche Zellen? Zur Beantwortung dieser Frage ließen sich Frederike Stein, Stella Becht und Anh Duong Vo einen trickreichen Versuchsaufbau einfallen. Mithilfe einer Teflon-Vorrichtung und einer hauchdünnen, fettartigen Schicht bauten sie eine künstliche Zelle. In diese brachten sie die zu untersuchenden Moleküle – ausgewählte Gramicidin-Derivate – ein. Anschließend ermittelten sie, wie viel elektrischer Strom durch die künstliche Zellmembran geflossen war, und erhielten dadurch Hinweise auf einen möglichen Wirkmechanismus. Vielleicht, so vermuten die Jungforscherinnen, könnten die untersuchten Moleküle tatsächlich als neue Medikamente taugen.

Die Ultraschall-Pinzette – Untersuchung akustischer Levitation

Die Ultraschall-Pinzette – Untersuchung akustischer Levitation

Ultraschall kommt in diversen Geräten zum Einsatz – etwa beim Optiker zum Brillenreinigen oder als piepsender Einparkassistent. Jule Henrika Kuhn, Anna Linnéa Hölterhoff und Jule Anna Caroline Stevens nutzen den für Menschen nicht wahrnehmbaren Ultraschall auf andere Weise – als akustische Pinzette. Sie bauten eine Apparatur, bei der sich zwischen einem Ultraschall-Sender und einem Metallspiegel eine stehende Welle ausbildet. An bestimmten Stellen dieser Welle können Styroporkügelchen oder Getreidekörnchen gleichsam „eingeklemmt“ werden und dadurch im Raum schweben – Fachleute sprechen bei diesem Phänomen von akustischer Levitation. Durch ihren trickreichen Aufbau gelang es den drei Jungforscherinnen, die Körnchen seitwärts, nach oben und nach unten zu bewegen.

Präzision durch Resonanz – mit dem Biegebalken in die Zukunft

Präzision durch Resonanz – mit dem Biegebalken in die Zukunft

Wie stark biegt sich ein Material, wenn man es mit einer bestimmten Kraft belastet? Das Maß dafür ist die sogenannte Biegesteifigkeit, eine wichtige Größe in den Ingenieurwissenschaften. Jakob Hofmann hat ein hochpräzises Verfahren zur Messung der Biegesteifigkeit entworfen. Das Prinzip: Eine Schallwelle versetzt das zu prüfende Werkstück in Schwingung, und bei einer gewissen Schallfrequenz nehmen diese Schwingungen Maximalwerte an. Diese „Resonanzfrequenz“ hat der Jungforscher mit einem Laser sehr präzise vermessen, woraus er auf die Biegesteifigkeit des Werkstücks schließen konnte. Mit seiner Methode ermittelte er unter anderem Werte für Marmor, Sandstein und Porenbeton.

Bau eines Windkanals und experimentelle Untersuchungen

Bau eines Windkanals und experimentelle Untersuchungen

Ob für die Entwicklung von Flugzeugflügeln, Windrädern oder Formel-1-Boliden – Windkanäle sind für Ingenieure ein unverzichtbares Hilfsmittel. In der Regel sind die Anlagen aufwendig und teuer. Winfried Karpen baute mit relativ einfachen Mitteln einen Windkanal. Aus Holz, einem Propeller und dem Motor einer Fräse konstruierte er einen knapp zwei Meter langen Kanal, in dem Windgeschwindigkeiten von 20 Metern pro Sekunde erzeugt werden können, das ist nahezu Sturmstärke. Mit einer speziellen, selbst gebauten Messeinrichtung werden Auftriebs- und Widerstandskraft gemessen. Mithilfe einer Nebelmaschine lassen sich zudem Luftströmungen – etwa um ein Flügelprofil – sichtbar machen.

Ob Licht oder Elektrizität, ob Wellen oder feste Körper – hinter beinahe allen Dingen in unserer Umwelt steckt Physik

Wer sich etwa für Mechanik, Akustik, Optik, Magnetismus, Kernphysik, Thermo- oder Elektrodynamik interessiert, dem dürfte es leicht fallen, ein Thema aus diesen Bereichen zu einem Jugend forscht Projekt zu machen. Jungforscherinnen und Jungforscher können zum Beispiel ein Modellauto im Windkanal testen, den Klang eines Instruments analysieren, die Lebensdauer von Seifenblasen untersuchen oder mit der Brennstoffzelle experimentieren.

Disziplinen im Fachgebiet Physik sind vor allem

  • Akustik
  • Atom- und Molekülphysik
  • Elastizität
  • Elementarteilchenphysik
  • Festkörperphysik
  • Hydro- und Aerodynamik
  • Klassische und Quantenoptik
  • Mechanik
  • Mess- und Instrumentenkunde
  • Statistische Physik
  • Thermodynamik

Welche Projekte passen nicht ins Fachgebiet Physik?

Astronomische, kosmologische oder astrophysikalische Projekte werden bei Jugend forscht nicht der Physik, sondern dem Fachgebiet Geo- und Raumwissenschaften zugeordnet.


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