Physik

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.

Die Bestimmung des Alkoholgehaltes mit Graphen

Die Bestimmung des Alkoholgehaltes mit Graphen

Graphen ist eine besondere Erscheinungsform von Kohlenstoff – eine extrem dünne Schicht von der Dicke eines einzigen Atoms. Da das Material bemerkenswerte Eigenschaften besitzt und zum Beispiel extrem stabil und elektrisch leitfähig ist, beschäftigt es die aktuelle Forschung. Auch Phillip Brefka und Jakob Wendt sind vom hauchdünnen Kohlenstoff fasziniert. Die Nachwuchsphysiker stellten fest, dass ein Tropfen aus einem Alkohol-Wasser-Gemisch eine Graphen-Oberfläche umso besser benetzt, je größer der Alkoholgehalt ist. Auf Grundlage dieses Effekts ließe sich ein Prüfgerät konstruieren, das den Alkoholgehalt bei industriellen Herstellungsprozessen schnell und einfach ermitteln könnte.

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.

Ausschwingverhalten eines Supraleiter-Magnetlagers

Ausschwingverhalten eines Supraleiter-Magnetlagers

Supraleiter sind eine besondere Materialklasse. Kühlt man sie unter eine sehr tiefe Temperatur ab, verlieren sie ihren elektrischen Widerstand und leiten verlustfrei Strom. Geeignet sind sie etwa für effiziente, extrem reibungsarme Magnetlager. Valentin Lux hat sich eine besondere Anwendung vorgenommen: Dabei soll in einer Spinnmaschine ein Faden durch einen Metallring geführt werden, der mit hohem Tempo rotiert. Der Jungforscher untersuchte eine Variante, bei der ein Permanentmagnet als Metallring dient, der im Feld eines supraleitenden Magneten schnell und nahezu reibungsfrei rotiert. Er entwarf eine Messapparatur, die das Schwingverhalten des Magnetlagers erfasst. Das Ergebnis: Der Ring wird durch die Supraleitung äußerst stabil in der Schwebe gehalten.

Grundlagenforschung der Optimierung des Lifterprinzips

Grundlagenforschung der Optimierung des Lifterprinzips

Ein sogenannter Lifter ist ein verblüffendes Fluggerät in Form eines dreiseitigen Prismas. Dabei dienen Holzstäbe als Seitenkanten und ein Streifen Alufolie sowie ein Draht bespannen die Seitenwände. Setzt man das Gebilde unter Hochspannung, erhebt es sich in die Lüfte. Ursache dieses Phänomens sind Ionen, die durch die Spannung freigesetzt werden. Wolfgang Laudensack und Nico Savitteri testeten in ihrer Forschungsarbeit systematisch diverse Lifter-Konfigurationen. Dabei ermittelten sie unter anderem Stromstärke und Tragkraft. Ihr Resultat: Die beste Tragkraft zeigte eine breite Aluminiumfolie mit großer Seitenlänge und geringem Abstand zum Draht.

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.

Charakterisierung kristalliner Metallschichten mittels Röntgenstreuung

Charakterisierung kristalliner Metallschichten mittels Röntgenstreuung

Beleuchtet man einen Kristall mit einem starken, gebündelten Röntgenstrahl, geschieht etwas Hochinteressantes: Der Kristall lenkt die Röntgenstrahlen ab, und aus der Art der Ablenkung lässt sich präzise ermitteln, wie die Atome, aus denen der Kristall besteht, angeordnet sind. Für die Wissenschaft ist diese Methode der sogenannten Röntgenstreuung mittlerweile ein wichtiges Instrument. Niklas Henke befasste sich intensiv mit diesem Themengebiet. Der Jungforscher führte selbst Untersuchungen an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III durch. Mit deren Röntgenstrahl nahm er einen Kristall aus Eisen, Magnesium und Nickel detailliert unter die Lupe – ein Material, das für die Elektronik der Zukunft relevant sein könnte.

Elektromagnetische Tonabnahme einer Trompete

Elektromagnetische Tonabnahme einer Trompete

Bei Gitarren sind sie seit Jahrzehnten gang und gäbe: elektrische Tonabnehmer, die den Klang des Instruments verstärken und Musikrichtungen wie Rock ’n’ Roll oder Heavy Metal erst möglich machen. Das Prinzip: Die Gitarrensaiten schwingen im Magnetfeld einer Spule und erzeugen dort eine Wechselspannung. Frederik Giese, Marvin Schnubel und Jonas Baltes übertrugen dieses Konzept auf ein ganz anderes Instrument – die Trompete. Dazu befestigten sie einen starken Magneten am Mundstück des Blasinstruments, sodass es sich über einen Verstärker spielen lässt. Die Klangqualität entspricht der einer Mikrofonabnahme – mit dem Vorteil, dass man sich beim Spielen nicht darauf konzentrieren muss, die Trompete möglichst nah ans Mikrofon zu halten, sondern sich ganz und gar aufs Musizieren konzentrieren kann.

Schweben durch Ultraschall

Schweben durch Ultraschall

Ultraschall – also für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbarer Schall – wird beispielsweise zum Reinigen von Brillengläsern oder zur Abstandsmessung genutzt. Jule Henrika Kuhn, Jule Anna Caroline Stevens und Anna Linnéa Hölterhoff haben mithilfe der Schallwellen etwas anderes, überaus Spektakuläres geschafft: Sie können kleine Gegenstände zum Schweben bringen. Als Basis dienen spezielle Kristalle, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung zu schwingen beginnen und dadurch starke, gebündelte Schallwellen erzeugen. Diesen Schallsender konnten die drei Nachwuchsforscherinnen so konfigurieren, dass er Styroporflocken wie mit einer unsichtbaren Pinzette in der Luft halten kann – ein geradezu magisches Phänomen.

Kammerton aus Glas

Kammerton aus Glas

Glasfaserkabel bilden hierzulande das Rückgrat der Telekommunikation. Ohne sie wäre das Internet mitsamt seinen ultraschnellen Übertragungsraten kaum denkbar. Doch Tilman Tschirner und Justin Saeger hatten nicht das World Wide Web im Sinn, als sie sich in ihrem Forschungsprojekt mit den durchsichtigen Fibern befassten: Sie wollten damit eine Art Stimmgabel auf Glasbasis konstruieren, die möglichst genau den Kammerton a trifft. Aus einem dünnen Glasstab, einem Verstärker und ein Paar Lautsprecherboxen bauten sie eine Vorrichtung, die nach einigem Tüfteln tatsächlich einen Ton erzeugte – mit einem klaren und reinen Klang, so wie ihn auch eine Stimmgabel aus Metall von sich gibt.

Kristalle aus Luft

Kristalle aus Luft

Die regelmäßig angeordneten Luftblasen auf einer seifenhaltigen Flüssigkeit sind nicht nur schön anzusehen, auch könnten sie künftig Schülern oder Studenten zu einem besseren Verständnis von Kristallstrukturen verhelfen. Anselm von Wangenheim entwickelte ein Verfahren, mit dem sich Luftblasen gleicher Größe herstellen lassen. Er studierte deren Verhalten und fasste seine Beobachtungen in einem mathematischen Modell zusammen. Dabei zeigte sich, dass erstaunlich viele Gemeinsamkeiten zwischen zweidimensionalen „Luftblasenkristallen“ und realen dreidimensionalen Kristallen bestehen. So kann der Jungforscher zum Beispiel die Effekte von Fehlordnungen in Kristallen auf der Ebene von Atomen in einem Experiment sehr anschaulich darstellen.

e-Wave

e-Wave

Meereswellen enthalten so viel Energie, dass sie im Prinzip den gesamten Stromverbrauch der Menschheit decken könnten. Bislang aber ist die Technik noch zu unausgereift. Deshalb dachten sich Jonas Scholz, Nils Weinberg und Matties Kleesiek einen eigenen Ansatz für ein Wellenkraftwerk aus: „e-Wave“ besteht aus einem Schwimmkörper, in den ein Magnet eingesetzt ist. Bewegt sich dieser Magnet mit den Wellen auf und ab, erzeugt er in einer Kupferspule elektrischen Strom. Als die drei Jungforscher ihr Konzept in einem Wellenkanal an einer Universität testeten, kamen sie zu einem ermutigenden Resultat: Im Prinzip kann e-Wave tatsächlich Energie erzeugen – auch wenn für eine großtechnische Anwendung noch manche Frage zu klären ist.

Analyse von Nanodrähten

Analyse von Nanodrähten

Die Nanotechnologie zählt gemeinhin zu den Schlüsseltechnologien der Zukunft. Sie dreht sich um Strukturen in der Größenordnung von milliardstel Metern. In seiner Arbeit untersuchte David Theidel unvorstellbar dünne Drähte, die einen Durchmesser von nur ein paar Atomen besitzen. Hergestellt hat er die Drähte, indem er zwei Goldkontakte zunächst zusammenschob und dann mit einem Präzisionsmotor ein klein wenig auseinanderzog. Als Resultat bildete sich zwischen den Kontakten der Nanodraht, der einem dünnen Faden gleicht. Anschließend vermaß der Jungforscher die genauen Eigenschaften des Drahtes und stellte fest, dass sich dessen elektrischer Widerstand sprunghaft ändert – ein typischer Quanteneffekt.

Erleuchtende Momente – mithilfe einer Gurke auf den Spuren der Teilchen

Erleuchtende Momente – mithilfe einer Gurke auf den Spuren der Teilchen

Jedes Jahr sterben drei bis vier Millionen Kinder an Infektionen, die durch verseuchtes Trinkwasser hervorgerufen werden. Mithilfe von Sensoren, die die Wasserqualität schnell und einfach prüfen und vor gefährlichen Keimen warnen, könnte das verhindert werden. In ihrer Arbeit verfolgten Edgar Zander und Luise Pevestorff einen neuen Ansatz für derartige Sensoren: Schickt man starken Strom durch eine in Salz eingelegte Gurke, beginnt sie an zu leuchten. Dabei stellten sie fest, dass die Farbe dieses Leuchtens von der Art des Salzes abhängt, in das die Gurke eingelegt ist. Nach diesem Prinzip – so die Hoffnung der beiden Jungforscher – könnte sich ein Wassersensor bauen lassen, der so einfach und kostengünstig ist, dass er sich auch in den ärmsten Ländern flächendeckend einsetzen ließe.

Das unausgeschöpfte Potenzial des Drachens

Das unausgeschöpfte Potenzial des Drachens

Für gewöhnlich ist Drachensteigen ein großer Spaß für Kinder. Doch mittlerweile ist ein Patent auf dem Markt, das dieses Prinzip auf die Schifffahrt überträgt: Indem ein großer Lenkdrachen vor ein Schiff gespannt wird, kann dieses Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen verringern. Doch unter welchen Bedingungen entfaltet der Drachen seine größtmögliche Kraft? Um diese Frage zu klären, konstruierten Johannes Conradi, Beve Akkermann und Felix Sievers einen Teststand. In diesem ließen sie einen handelsüblichen Drachen an einem Kraftmesser ziehen. Das Ergebnis: Immer wenn er auf einer kreisähnlichen Bahn flog, war die Kraft maximal. Interessant ist diese Erkenntnis nicht nur für Schiffe, sondern auch für Drachen, die eines Tages als Windrad-Alternative zur Stromerzeugung dienen sollen.

Zwischen Harmonie und Chaos – ein verallgemeinertes Modell des Doppelpendels

Zwischen Harmonie und Chaos – ein verallgemeinertes Modell des Doppelpendels

Man denke sich ein Pendel wie bei einer alten Standuhr. Hängt man an dessen Ende ein weiteres Pendel, erhält man ein sogenanntes Doppelpendel. Einmal angestoßen kann die Konstruktion aberwitzige Bewegungen vollführen: Zunächst schwingt es noch recht gleichmäßig hin und her, um bald darauf chaotisch und unvorhersehbar herumzutanzen. Dieses Chaos-Phänomen nahm Vincent Stimper in seinem Forschungsprojekt unter die Lupe. Er schrieb eine Computersimulation, welche die Erdgravitation exakt berücksichtigt und damit das Schwingungsverhalten des Pendels exakt imitiert. Das Resultat: Selbst in Fällen, in denen die Bewegung des Doppelpendels regelmäßig erscheint, kann es bei genauerem Hinsehen bereits im Chaos versunken sein.

Entwicklung und Erprobung eines nicht mechanisch gesteuerten Ionentriebwerkes für Raumflugkörper

Entwicklung und Erprobung eines nicht mechanisch gesteuerten Ionentriebwerkes für Raumflugkörper

Ionentriebwerke zählen zum Standard in der Raumfahrt: Sie halten Satelliten auf ihrer Umlaufbahn und treiben Raumsonden an, die zu Merkur oder Venus fliegen. Das Prinzip: Man lädt ein Gas elektrisch auf, die entstehenden Ionen werden elektrisch beschleunigt und treiben den Satelliten per Rückstoß an. Pascal Koch und Johannes Hill haben dieses Konzept nun verfeinert: Bei der Aufladung des Gases entstehen zwangsläufig Elektronen, die jedoch bei den heutigen Ionentriebwerken ungenutzt bleiben. Diese Elektronen verwendeten die beiden Jungforscher in einem selbst gebauten Teststand, um das Triebwerk und damit den Satelliten zu steuern. Damit würde ein Satellit künftig statt sechs nur noch zwei Einzeltriebwerke benötigen – eine spürbare Kostenersparnis.

Geschüttelt, nicht gerührt – die Induktionstaschenlampe 2.0

Geschüttelt, nicht gerührt – die Induktionstaschenlampe 2.0

Das Prinzip hinter einer Induktionstaschenlampe ist simpel, aber verblüffend: Wenn man die Lampe kräftig schüttelt, erzeugt ein Magnet in ihrem Inneren mittels einer Spule Strom. Dieser wird in einem kleinen Kondensator gespeichert. Schaltet man die Lampe an, kann der Kondensator den Strom wieder abgeben und bringt so ein LED-Lämpchen zum Leuchten. Ludwig Kircher und Florian Proske haben diese Methode in ihrem Forschungsprojekt verfeinert. Sie konstruierten ein Modell mit einem stärkeren Magneten und einer leistungsfähigeren Spule. Wenn man ihre Lampe knapp zwei Minuten lang schüttelt, liefert sie für eine halbe Stunde Licht.

Aerodynamik-Untersuchungen an Mini-Rennwagen

Aerodynamik-Untersuchungen an Mini-Rennwagen

Zwei Besonderheiten kennzeichnen die Firma „Formel future”: Zum einen wird sie von Schülern betrieben, zum anderen veranstaltet sie originelle Events – Rennen mit kleinen Modellautos. Bausatz und Antrieb aller teilnehmenden Mini-Boliden sind identisch – nur Spoiler und Radsätze dürfen verändert werden, um so die Aerodynamik zu verbessern. Doch welches Set-up ist das beste? Patrick Zehle und Jonathan Gierke, zwei der Betreiber von „Formel future”, wollten es genau wissen. In einem Windkanal untersuchten sie, welche der Kombinationen aus Rädern, Front- und Heckspoilern zum schnellsten Auto führt. Das Resultat: Nicht der Rennwagen mit dem geringsten Strömungswiderstand erreichte als erster das Ziel, sondern der, bei dem sich Auf- und Abtrieb der umströmenden Luft optimal ergänzten.

Optimierung aerodynamischer Eigenschaften von Tragflächen durch Ionenwind-Turbulatoren

Optimierung aerodynamischer Eigenschaften von Tragflächen durch Ionenwind-Turbulatoren

Wie lässt sich ein Flugzeugflügel konstruieren, der optimal von der Luft umströmt wird, so einen großen Auftrieb erzeugt und dadurch auch die Wendigkeit des Flugzeugs erhöht? Auf diese Frage hat sich Susanna Domogalla eine originelle Antwort überlegt: Sie stattete eine Modelltragfläche mit Elektroden aus, welche die Luft am Flügel elektrisch aufladen und die Luftströmung dadurch verändern. Doch wie muss man die Elektroden anordnen, damit sie maximale Wirkung entfalten? Hier ließ sich die Jungforscherin von der Natur inspirieren – nämlich von der Form der Buckelwalflosse. Als sie ihr Konzept in einem Windkanal erprobte, kam sie zu einem ermutigenden Resultat: Die Elektroden konnten die Strömungsverhältnisse signifikant verbessern, und zwar deutlicher als erwartet.

Der invertierte Wassersprinkler

Der invertierte Wassersprinkler

Gartenbesitzer schätzen sie als treue Helfer: Sprinkler, die an trockenen Sommertagen zahllose Rasenflächen bewässern. Leonard Bauersfeld hat das Prinzip ins Gegenteil verkehrt: Statt Wasser durch den Sprinkler nach außen zu drücken und zu versprühen, lässt er das Gerät ins Nass tauchen und es Wasser einsaugen. Die Frage dabei ist: Wird sich der Sprinkler drehen, und in welche Richtung? Systematisch experimentierte der Jungforscher mit verschiedenen Längen der Sprinklerröhrchen und fand heraus, dass es die sogenannte Corioliskraft sein muss, die den Sprinkler in Schwung hält – jene Kraft also, die bei Wettergeschehen dafür sorgt, dass sich auf der Nordhalbkugel die Luft um Tiefdruckgebiete stets gegen den Uhrzeigersinn bewegt.

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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