Physik

Bewegung von pyrolytischem Grafit auf Magnet-Array mit Wärme

Bewegung von pyrolytischem Grafit auf Magnet-Array mit Wärme

Wird Kohlenstoff erwärmt, kann er sich in eine spezielle Form umwandeln, in pyrolytisches Grafit. Das Material zeigt eine besondere Eigenschaft. Es kann über einer schachbrettartigen Anordnung von Magneten schweben. Diesem Phänomen gingen Charlotte Klar und Katharina Austermann auf den Grund. Eine Frage interessierte sie besonders: Lässt sich der Schwebevorgang durch die Zufuhr von Wärme oder Kälte manipulieren? Dazu führten die beiden Jungforscherinnen eine Reihe von Versuchen durch. Unter anderem kühlten sie den pyrolytischen Grafit mit Trockeneis auf Minusgrade herunter und beobachteten, dass er dabei stärker von einem Magneten abgestoßen wurde als im warmen Zustand. Damit konnten sie zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften des Grafits tatsächlich von der Temperatur abhängen.

Akustische Ermittlungen im Klassenzimmer

Akustische Ermittlungen im Klassenzimmer

Im Unterricht kann es ziemlich laut zugehen – was nicht nur die Lehrkräfte stört, sondern auch viele Schülerinnen und Schüler. Ronja Hollatz und Lea Gaurun wollten den Lärm in ihrer Schule genauer analysieren. Dazu stellten sie in den Klassenräumen zweier Jahrgangsstufen Messgeräte auf, die zwei Tage lang den Schallpegel erfassten. Das Resultat: In der sechsten Klasse ging es im Durchschnitt deutlich lauter zu als in der elften Klasse – zum Teil war es im Klassenraum so laut wie an einer Hauptverkehrsstraße. Darüber hinaus fanden die Jungforschenden heraus, dass auch die Raumakustik eine Rolle spielt. In Räumen, deren Decken mit akustischen Dämmplatten verkleidet sind, war der Nachhall deutlich reduziert, und damit auch der Lärmpegel.

Analyse optischer Phänomene an selbstgebauten Schlierenfotografieapparaten

Analyse optischer Phänomene an selbstgebauten Schlierenfotografieapparaten

Die Schlierenfotografie ist eine Spezialtechnik, die zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird, um die Aerodynamik von Flugzeugen in einem Windkanal zu überprüfen. Die Methode basiert darauf, dass Luft bei großen Temperatur- oder Druckunterschieden ihre Lichtbrechung verändert – im Prinzip ist das der Effekt, der hinter einer Fata Morgana steckt. In seinem Forschungsprojekt entwickelte Henry Hill selbst eine Schlierenfotografieapparatur. Dazu kombinierte er einen Theaterscheinwerfer mit einem Spiegel, einer 3-D-gedruckten Halterung sowie einer alten Kamera. Damit gelangen eindrucksvolle Aufnahmen. Unter anderem konnte der Jungforscher sichtbar machen, wie Luft mit Überschallgeschwindigkeit aus einem Druckbehälter schießt oder wie der heiße Gasstrahl eines Bunsenbrenners strukturiert ist.

Empirische strömungsmechanische Analysen von Helix-Rotoren für dezentrale Energiesysteme

Empirische strömungsmechanische Analysen von Helix-Rotoren für dezentrale Energiesysteme

Wegen steigender Strompreise müssen immer mehr Kommunen einen Teil ihrer Straßenbeleuchtung abschalten. Mit dem Ziel, für diese Problemstellung eine Lösung zu finden, entwickelte Anne Marie Bobes eine interessante Idee: Würde man Straßenlaternen mit Solarmodulen sowie kleinen Windrädern ausstatten, könnten sie die für den Betrieb erforderliche Energie selbst erzeugen und wären so unabhängig vom Stromnetz. Um herauszufinden, welche Art von Windturbine sich dafür eignet, stellte die Jungforscherin per 3-D-Druck 24 Varianten der schraubenförmigen Rotoren her. Anschließend testete sie die Prototypen in mehreren Versuchsständen, darunter ein Windkanal der Universität Magdeburg. Die Ergebnisse waren so überzeugend, dass zwei Firmen das Konzept nun aufgreifen und in Feldversuchen erproben wollen.

Ermittlung der Hubble-Konstante durch 1A-Supernovae

Ermittlung der Hubble-Konstante durch 1A-Supernovae

Der Urknall war vor Abermilliarden Jahren der Ausgangspunkt des Universums, so lautet die gängige Theorie. Seitdem dehnt sich das Weltall immer weiter aus. Wie schnell diese Expansion verläuft, wird durch eine Zahl beschrieben – die Hubble-Konstante. Deren präziser Wert ist in der Astronomie jedoch umstritten. Um ihn zu ermitteln, nahm Maximilian Alt sogenannte Supernovae ins Visier. Diese gewaltigen Sternexplosionen scheinen stets ähnlich zu verlaufen und eignen sich daher sehr gut für kosmische Entfernungsmessungen. In seinem Forschungsprojekt wertete der Jungforscher die Daten diverser Großteleskope aus, nahm aber auch eigene Spektren in einer Sternwarte in der Eifel auf. Auf diese Weise erhielt er einen erstaunlich genauen Wert für die Hubble-Konstante.

Heronscher Sonnenbrunnen

Heronscher Sonnenbrunnen

Lässt sich ein Springbrunnen mit Licht steuern? Um das zu klären, bauten Til Mantelers und Nicolas Ludwig eine Erfindung nach, die auf den Griechen Heron von Alexandria zurückgeht. Ihr Sonnenbrunnen-Modell besteht aus einer Plastikflasche, in deren Deckel ein Glasrohr steckt. Der Boden ist mit Wasser bedeckt und die Flasche mit schwarzem Papier gefüllt. Beleuchtet man sie mit einer Wärmelampe, erhitzt sich das Papier. Dadurch wird die Luft in der Flasche warm, dehnt sich aus und drückt das Wasser durch ein Glasrohr – der Brunnen sprudelt. Darüber hinaus entwickelten die Jungforscher das Konzept weiter: Sie kombinierten mehrere Plastikflaschen zu einem sich drehenden Brunnenautomaten. Auf diese Weise schufen die beiden einen Kreislauf, bei dem kein Wasser verloren geht.

Kälteschutz für Handyakkus

Kälteschutz für Handyakkus

Ist ein Smartphone über eine längere Zeit Kälte ausgesetzt, kann sein Akku in die Knie gehen und den Dienst versagen. Zwar gibt es mittlerweile Kälteschutzhüllen zu kaufen, etwa aus Gänsedaunen – doch halten sie, was sie versprechen? Um das herauszufinden, initiierte Laura Michelle Felber in ihrem Forschungsprojekt einen Vergleich. Dazu legte sie ihr Handy nacheinander mit jeweils verschiedenen Schutzhüllen zuerst in den Kühlschrank und dann ins Gefrierfach. Dabei ermittelte sie jeweils den Zeitraum bis zum Versagen des Akkus. Im Ergebnis machte das „nackte“ Smartphone als erstes schlapp, eine Hülle wärmt also tatsächlich. Als besonders effektiv erwies sich dabei eine Kombination aus Gänsedaunenhülle und Handwärmer. Damit hielt der Handyakku im Gefrierschrank fast dreimal länger als ohne Hülle.

Mechanisch-magnetischer Oszillator

Mechanisch-magnetischer Oszillator

Stehen zwei Blattfedern nebeneinander, an deren oberen Ende jeweils ein Magnet klebt, lässt sich eine faszinierende Beobachtung machen: Tippt man eine der Metallfedern an und bringt sie wie ein Pendel zum Schwingen, dann beginnt bald darauf auch die andere Feder, sich hin und her zu bewegen. Der Grund ist, dass die beiden Magnete aufeinander wirken und dadurch ein gekoppeltes Pendel entstehen lassen. Wie das im Detail funktioniert, erkundeten Leyan Abu Hasan, Emma Schnegg und Liv Anna Jochimsen in ihrem Forschungsprojekt. Sie verfolgten die Pendelbewegung per Video und zeichneten die schwingenden Magnetfelder mit einem Spezialsensor auf. Dabei stellten die drei Jungforscherinnen fest, dass es vor allem der Abstand zwischen den Magneten ist, der das Pendelverhalten beeinflusst.

Mikrowellenplasma für die Glasschmelze

Mikrowellenplasma für die Glasschmelze

Die Glasindustrie ist stark von der Erdgaskrise betroffen. Sie benötigt den Brennstoff, um ihre Schmelzwannen auf bis zu 1600 Grad Celsius aufzuheizen. Da dabei auch enorme Mengen an CO2 freigesetzt werden, suchten Henrik Laurin Herrmann, Céline Laurel Herrmann und Clara Marie Scherenberger nach einer klimaverträglichen Alternative. Inspirieren ließen sie sich von einem interessanten Phänomen: Werden zwei Bleistiftminen dicht aneinander in einen Mikrowellenherd gelegt, kann sich zwischen ihnen ein Plasma bilden – ein heißer, elektrisch aufgeladener Funken, der hell leuchtet. Mit einem trickreichen Aufbau gelang es den Jungforschenden, solch ein Plasma gezielt und zuverlässig herzustellen. Mit einigen Weiterentwicklungen sollte sich damit Glas effizient schmelzen und bearbeiten lassen.

Rolling Balls – eine physikalische Untersuchung des Rollverhaltens auf Sand

Rolling Balls – eine physikalische Untersuchung des Rollverhaltens auf Sand

Solange Murmeln über Asphalt rollen, geht es gut voran. Geraten sie dann aber auf Sand, werden sie rapide abgebremst. Wie sich das im Detail erklären lässt, wollten Donat Miftari und Joséphine Griep herausfinden. Dazu entwarfen sie ein Experiment, bei dem sie unter anderem gefüllte Tischtennisbälle von einer Rampe in ein Becken mit Sand, Glasperlen oder Eisenkörnchen rollen ließen. Je nach Füllung waren die Bälle unterschiedlich schwer, und ihre Geschwindigkeit ließ sich durch die Neigung der Rampe variieren. Zahlreiche Versuchsreihen kombiniert mit Kameraauswertungen ergaben, dass nicht immer die leichten Kugeln am weitesten rollen. Auf tiefem Sand kamen die Kugeln schneller voran als auf flachem. Zudem programmierten die Jungforschenden eine Simulation, die das Geschehen beschreibt und präzise berechnet.

Simulation einer Wasserrakete

Simulation einer Wasserrakete

Eine Wasserrakete basiert auf einem verblüffend einfachen Prinzip: Druckluft, die in einem Tank gespeichert ist, lässt einen Wasserstrahl nach unten schießen und treibt das Fluggerät so in die Höhe. Aufgrund dieser simplen Funktionsweise lässt sich eine solche Rakete leicht selbst bauen. Dabei will Justus Jaguttis Hilfestellung geben. Er entwickelte ein Programm, das den Start einer Wasserrakete digital simuliert. Seine Software berücksichtigt, welche Masse und welchen Luftwiderstand die Rakete hat und wie während des Flugs der Druck im Lufttank abfällt. Das Programm kann verschiedene Wassermengen und Raketengrößen durchspielen und so helfen, ein brauchbares Design zu finden. Der Jungforscher baute zudem seine eigene Wasserrakete – mit dem Ziel, die Tauglichkeit seiner Software zu überprüfen.

Untersuchung des Zusammenhangs von Form und Auftrieb eines Propellers in Luft

Untersuchung des Zusammenhangs von Form und Auftrieb eines Propellers in Luft

Eine Minidrohne wird durch Propeller in der Luft gehalten. Dahinter steckt folgendes Prinzip: Dreht sich der Propeller, entsteht über ihm ein Sog und unter ihm ein Überdruck – beides zusammen sorgt für den Auftrieb. Jakob Weber wollte herausfinden, welche Propeller einen besonders guten Auftrieb erzeugen. Dazu stellte er per 3-D-Druck mehrere Exemplare mit unterschiedlichen Flügeln her. Dann platzierte er diese jeweils mitsamt Motor auf einer Waage. Begann der Propeller zu laufen, erzeugte er einen Auftrieb, der die Waage entlastete. Ab 500 Umdrehungen pro Minute war der Auftrieb messbar, bei höheren Drehzahlen nahm er deutlich zu. Der Jungforscher fand heraus, dass der Winkel, mit dem die Flügel von der Propellerachse abstehen, eine wichtige Rolle spielt. Hier erwies sich ein Wert von 16 Grad als optimal.

Untersuchung der waagerechten und vertikalen diamagnetischen Levitation

Untersuchung der waagerechten und vertikalen diamagnetischen Levitation

Magnete können sich bekanntlich kräftig anziehen und auch abstoßen. Diese Kräfte lassen sich für einen verblüffenden Effekt nutzen – das magnetische Schweben. Die große Herausforderung besteht allerdings darin, den schwebenden Magneten so in der Balance zu halten, dass er nicht herunterfällt. Carlos Steiner Navarro konnte diese Herausforderung durch einen raffinierten Trick meistern. Er verwendete eine Grafitplatte und setzte sie dem Feld starker Dauermagneten aus. Das rief in der Platte ein spezielles Magnetfeld hervor, mit dessen Hilfe sich ein kleiner Magnet zum beständigen Schweben bringen ließ – je nach Aufbau über oder neben der Platte. Darüber hinaus gelang es dem Jungforscher, diesen Effekt präzise zu berechnen und so vorherzusagen, an welchen Positionen stabiles Schweben möglich ist.

Let's Twist Again – die Physik des Rotationspendels

Let's Twist Again – die Physik des Rotationspendels

Verbindet man zwei Metallkugeln mit einem verdrillten Gummiband, setzt sie auf eine flache Platte und lässt die Kugeln dann los, ist ein bemerkenswerter Effekt zu beobachten: In einer Pendelbewegung drehen sich beide Kugeln abwechselnd erst in die eine, dann in die andere Richtung. Verona Miftari und Florian Bauer nahmen das Phänomen genauestens unter die Lupe. Es gelang ihnen, die Bewegung dieses sogenannten Rotationspendels mathematisch zu beschreiben und auszurechnen, wie schnell die Pendelbewegung abläuft und wohin sich die Kugeln bewegen. Um ihre Theorie zu überprüfen, entwarfen die beiden einen Versuchsaufbau, bei dem sie das Hin- und Herrollen der Kugeln filmten und die Bilder dann per Software auswerteten – mit dem Resultat, dass Theorie und Experiment gut übereinstimmten.

Fraktale Dimension chaotischer Attraktoren

Fraktale Dimension chaotischer Attraktoren

In der Physik versteht man unter Chaos etwas ganz Bestimmtes: Systeme, bei denen schon kleinste Ursachen ausreichen können, um enorme Wirkungen zu erzielen. Viel zitiertes Beispiel ist der Schmetterling in Brasilien, der durch seinen Flügelschlag in Texas einen Wirbelsturm auslösen kann. Diese Art chaotischer Prozesse nahm Jason Luke von Juterczenka in seinem Forschungsprojekt unter die Lupe. Zunächst untersuchte er das Phänomen theoretisch. Dann analysierte er es mithilfe eines speziellen Drehpendels, das unter bestimmten Umständen begann, ganz und gar regellos auszuschlagen. Dadurch gelang es dem Jungforscher, den Weg ins Chaos mathematisch präzise nachzuzeichnen und typische Bedingungen zu identifizieren, unter denen ein System chaotisch wird – buchstäblich also unberechenbar.

Thermovoltaik neu überDacht

Thermovoltaik neu überDacht

Solarmodule auf dem Dach, die Licht in Strom verwandeln – Fachleute bezeichnen dieses Konzept als Fotovoltaik. Weniger bekannt ist die Thermovoltaik: Hier wandeln spezielle Zellen Wärme in elektrische Energie um. Amelie Foshag und Melina Isabel Blanco Lopez entwickelten ihre eigenen Thermovoltaik-Zellen, sogenannte Peltier-Elemente. Mithilfe eines Ofens und spezieller Gussformen stellten sie mehrere Thermoelemente von unterschiedlicher Materialzusammensetzung her. Bei Tests auf einem eigens konstruierten Prüfstand kam heraus, dass mit Aluminium bzw. Phosphat versetztes Silizium die besten Ergebnisse liefert. Nun wollen die beiden Jungforscherinnen ihre Zellen weiterentwickeln und an einen Pkw-Auspuff anbringen. Damit ließe sich dessen Abwärme clever nutzen, um Strom für die Autobatterie zu gewinnen.

ARA – Akustische RaumAnalyse

ARA – Akustische RaumAnalyse

Fledermäuse navigieren mit Ultraschall: Während des Fluges senden sie hohe, für den Menschen unhörbare Töne aus, fangen die Echos auf und können dadurch bei Nacht Hindernissen flink und elegant ausweichen. Dieses Prinzip nahmen sich Ferdinand Schäffter und Lukas Schnellbacher zum Vorbild, um ein neuartiges Vermessungssystem für Räume zu konstruieren. Dabei spielt ein Lautsprecher ein Schallsignal aus, mehrere Mikrofone nehmen die von Wänden und Decke reflektierten Echos auf. Um diese Echos zu analysieren, programmierten die Jungforscher eine Software, die die Signale der verschiedenen Mikrofone vergleicht und Rauschen sowie Störgeräusche herausfiltert. Hilfreich sein könnte das System eines Tages unter anderem zur Navigation autonomer Roboter.

Der Einfluss der Saxofon-Blattstärken auf das Klangspektrum

Der Einfluss der Saxofon-Blattstärken auf das Klangspektrum

Für manche Menschen überraschend zählt das Saxofon nicht zu den Blechbläsern, sondern zu den Holzblasinstrumenten. Der Grund ist die Art der Tonerzeugung: Sie erfolgt über ein Schilfrohrblatt, das durch den gepressten Atem zum Schwingen gebracht wird. Wie aber wirkt sich die Stärke dieses Blatts auf den Instrumentenklang aus? Um das herauszufinden, ermittelte Marje Kaack zunächst die Kraft, die zum Verbiegen verschiedener Rohrblätter nötig ist. Dann setzte sie die Blätter nacheinander in ein Saxofon ein und nahm die jeweiligen Klangspektren auf. Im Ergebnis erzeugten dünne Blattstärken einen scharfen, obertonreichen Klang, wohingegen dickere Rohrblätter einen wärmeren, jedoch auch klareren Ton zur Folge hatten. Sie sind allerdings technisch anspruchsvoller zu spielen als dünnere Blattstärken.

Effekte im fallenden viskosen Flüssigkeitsstrom

Effekte im fallenden viskosen Flüssigkeitsstrom

Lässt man Honig von einem Holzstab nach unten fließen, ist ein interessantes Phänomen zu beobachten: Wo er auftrifft, rollt sich der Honigstrahl zu einem schneckenartigen Gebilde auf. Der Grund dafür ist, dass die Flüssigkeit unten langsamer abfließen kann, als sie von oben nachkommt. Diesen Effekt nahm Finn Michler in seinem Forschungsprojekt genauer unter die Lupe und verglich ihn mit dem Verhalten weniger dickflüssiger Stoffe. Er konstruierte unter anderem einen Versuchsaufbau, bei dem die verschiedenen Flüssigkeiten aus unterschiedlichen Höhen nach unten fielen. Dann stellte er mithilfe von Kamerabildern fest, unter welchen Bedingungen das Schneckenphänomen einsetzte. Im Prinzip könnte der Effekt, so das Resümee des Jungforschers, künftig das 3-D-Drucken beschleunigen.

Ermittlung des Normalized Difference Vegetation Index mit einer modifizierten RGB-Kamera

Ermittlung des Normalized Difference Vegetation Index mit einer modifizierten RGB-Kamera

Die Fernerkundung per Satellit wird für Forschung und Landwirtschaft immer wichtiger: Die Aufnahmen können verraten, in welchem Zustand sich die Vegetation befindet und wann und wo gedüngt werden sollte. Allerdings sind dafür ausgefeilte Verfahren erforderlich, mit denen sich aus den Bildern die gewünschten Informationen extrahieren lassen, etwa über den Gesundheitsstatus der Pflanzen. Eine solche Methode entwickelte Britt Besch in ihrem Forschungsprojekt mit einfachen Mitteln – mit einer Digitalkamera, mehreren Filtern und einer selbst gebauten Halterung. Es folgte der Langzeittest im eigenen Garten: Die Spezialaufnahmen zeigten nicht nur die Entwicklung der Vegetation im Verlauf der Jahreszeiten, sondern auch den Einfluss von Dünger und Bewässerung auf den Rasen.

Experimenteller Nachweis von negativer effektiver Masse

Experimenteller Nachweis von negativer effektiver Masse

Können Stäbe, die durch Federn miteinander verbunden sind, so schwingen, als hätten sie eine negative Masse? Dieser Frage ging Johannes Rothe nach. Anregen ließ er sich dabei von einer chinesischen Fachpublikation, in der er den Hinweis fand, dass solche negativen Massen bei einer anderen Art von Federpendel aufgetreten waren. Um seine Frage zu beantworten, konstruierte der Jungforscher eine Wellenmaschine aus beweglichen Stäben, die mit Federn untereinander verbunden sind. Ein elektrischer Impulsgeber versetzte sie in Schwingung, eine Kamera filmte das Geschehen. Die anschließende Computeranalyse lieferte das Ergebnis: Werden einige der Stäbe mit Klammern fixiert, kann sich die Wellenmaschine so verhalten, als wären tatsächlich negative Massen im Spiel.

Faser-Bragg-Gitter und deren Potenzial zur Anwendung im Bereich der Neuroprothesen

Faser-Bragg-Gitter und deren Potenzial zur Anwendung im Bereich der Neuroprothesen

Arm- und Handprothesen sind in den vergangenen Jahren immer leistungsfähiger geworden. Dafür sorgen unter anderem Sensoren, die Nervensignale im Unterarm erfassen und an einen Steuerungsrechner weiterleiten oder die Motorbewegungen der mechanischen Finger genauestens überwachen. Malte Reinstein, Johanna Rackete und Lilly Schuster untersuchten, inwieweit ein Bauteil als Prothesensensor taugt, das dort bislang noch nicht zum Einsatz kommt – die Glasfaser. Sie kann zum Beispiel Dehn- und Biegebewegungen präzise messen. In mehreren Experimenten analysierten die drei, wie belastungsfähig und haltbar Glasfasern im Dauerbetrieb sind. Ihr Ergebnis fällt durchaus positiv aus: Glasfasern scheinen als Komponenten von Neuroprothesen absolut geeignet zu sein.

Fehlertolerante Methode zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung

Fehlertolerante Methode zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung

Das Elektron ist das wohl prominenteste unter den Elementarteilchen. Es trägt eine ganz bestimmte elektrische Ladung, die sich mit speziellen Experimenten messen lässt, zum Beispiel im Physikunterricht. Allerdings sind diese Messungen zumeist ziemlich ungenau, was oftmals an den wenig präzisen Versuchsaufbauten liegt. Christoph Schütze, Stefan Kribbe und Leon Krasniqi wollten sich damit nicht abfinden und entwickelten eine Messapparatur, mit der sich die Elektronenladung besonders genau ermitteln lässt. Wesentliche Teile des Aufbaus stellten sie per 3-D-Drucker her, auch die Schaltungen für die Messelektronik entwarfen sie selbst. Damit gelang es den Jungforschern, den Wert der Elektronenladung bis auf wenige Prozent genau zu bestimmen.

Festkörperanalyse mithilfe des Fermi-Hubbard-Modells

Festkörperanalyse mithilfe des Fermi-Hubbard-Modells

Wenn ein Laptop-Prozessor auf Hochtouren arbeitet, laufen pro Sekunde Abermilliarden von Schaltprozessen – Elektronen fließen gezielt von einer Stelle zur anderen. Solche Prozesse mathematisch zu beschreiben, ist alles andere als einfach, schließlich gehorchen Elektronen den hochkomplexen Regeln der Quantenphysik. In seinem Forschungsprojekt entwickelte Hugo Hager Fernández einen Algorithmus, der ebenso effizient wie präzise nachbilden kann, wie sich Elektronen in einem Festkörper verhalten. Das besondere Augenmerk des Jungforschers galt dabei einem regelrechten Extrembereich – Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius. Hier nämlich besitzen die Elektronen so wenig Energie, dass sie ihren ureigenen Grundzustand einnehmen können.

Laterale Auflösung in der Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie

Laterale Auflösung in der Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie

Viele Materialien besitzen eine Kristallstruktur. Allerdings sind die meisten Kristalle alles andere als perfekt, sie besitzen winzige Makel und Defekte. Mitunter können diese Defekte Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen und das Material spröde und brüchig machen. Glücklicherweise gibt es zerstörungsfreie Prüfverfahren, die solche Mängel aufspüren können. Eine dieser Methoden entwickelte Martin Rauch in seinem Forschungsprojekt weiter – die sogenannte Positronen-Annihilations-Lebensdauerspektroskopie. Dabei dringen winzige radioaktive Teilchen als Minisonden ins Material ein und geben Auskunft über dessen Inneres. Der Jungforscher nutzte spezielle radioaktive Salzlösungen als Positronenquelle und konnte dadurch die Auflösung bei dieser Methode merklich verbessern.

Lightwhiskers/branched flow of light

Lightwhiskers/branched flow of light

Im Juli 2020 vermeldete ein israelisch-amerikanisches Forschungsteam die Entdeckung eines verblüffenden optischen Effekts: Streift ein Laserstrahl eine Seifenblase, kann er sich in Dutzende feinere Strahlen aufspalten – ähnlich einem Baumstamm, der sich in immer dünnere Äste verzweigt. Max Dorzweiler und Jan Dajnec konstruierten mithilfe eines 3-D-Druckers eine Apparatur, die solche Seifenblasen von gleichbleibender Qualität erzeugen kann. Zudem ließen sie sich einen raffinierten Mechanismus einfallen, bei dem eine Glasfaser das grüne Licht eines Lasers zur Seifenblase leitet. Nach einiger Tüftelei gelang es ihnen, das faszinierende Lichtspektakel selbst zu erzeugen. Darüber hinaus entwickelten sie ein Gerät zur Messung der Dicke der Seifenmembran, um das Phänomen so noch weiter zu erforschen.

Physikalische Beschreibung und Modellierung des Fluges von Papierstreifen

Physikalische Beschreibung und Modellierung des Fluges von Papierstreifen

Wird eine Konfettikanone abgefeuert, folgt ein turbulentes Schauspiel: Aberhunderte von Papierschnipseln wirbeln in abenteuerlichen Flugkurven durch die Luft. Leonard Münchenbach und Leo Neff widmeten sich diesem Phänomen in ihrem Forschungsprojekt mit wissenschaftlicher Akribie. Sie konstruierten ein Gestell, das kleine Papierstreifen auf immer gleiche Weise zu Boden fallen ließ. Eine Zeitlupenkamera filmte das Geschehen und eine Computersoftware half bei der Analyse der Aufnahmen. Auf diese Weise untersuchten die Jungforscher die unterschiedlichsten Streifenformen, manche lang und schmal, andere kurz und breit. Als Ergebnis fanden sie unter anderem eine Formel, mit der sich präzise ausrechnen lässt, wie schnell Papierstreifen von einer bestimmten Form und Größe beim Herunterfallen rotieren.

Neuartige SPIONs als alternatives MRT-Kontrastmittel

Neuartige SPIONs als alternatives MRT-Kontrastmittel

Die Magnetresonanztomografie (MRT) zählt zu den wichtigsten Bildgebungsverfahren in der Medizin. Sie erlaubt es auf schonende Weise, 3-D-Aufnahmen aus dem Körperinneren zu erstellen. Um die Bildqualität zu steigern, wird oft ein Kontrastmittel verabreicht, das auf dem Element Gadolinium basiert. Dieses kann sich jedoch im Gewebe anreichern und in seltenen Fällen eine Erkrankung verursachen. Daher suchte Aruna Sherma in ihrer Forschungsarbeit nach einer Alternative. Mithilfe aufwendiger chemischer Herstellungsverfahren entwickelte sie mehrere Varianten eines gadoliniumfreien Kontrastmittels, basierend auf Nanopartikeln aus Eisenoxid. Die Analysen verliefen vielversprechend: So wie es aussieht, könnten einige der Kandidaten durchaus als effektive, nicht giftige Kontrastmittel taugen.

Projekt X

Projekt X

Trifft ein gebündelter Laserstrahl auf eine raue Oberfläche, ist oft ein besonderes Schauspiel zu sehen: Es erscheinen kleine Lichtsprenkel, im Fachjargon Speckles genannt. Als Jochan Brede diese genauer in den Blick nahm, fiel ihm auf, dass die Lichtflecken selbst bei kleinsten Erschütterungen hin und her tanzten. Das brachte ihn auf einen Gedanken: Ließe sich dieser Tanz nicht ausnutzen, um winzigste Bewegungen und Verschiebungen zu messen? Um seine Idee zu prüfen, konstruierte der Jungforscher eine raffinierte Apparatur aus Laser, Kamera und Piezomotor. Dann erprobte er seinen Versuchsaufbau in einem Profilabor mitsamt schwingungsgedämpftem Tisch und Speziallaser. Das Ergebnis: Die Apparatur konnte sogar eine Verschiebung von nur zehn Nanometern zuverlässig erkennen.

Reibungsoszillator

Reibungsoszillator

Ein Pendel, das einfach hin- und herschwingt, ist mathematisch gesehen ein harmonischer Oszillator. Tamás Simon befasste sich in seinem Forschungsprojekt mit einem ganz ähnlichen Gebilde – dem Reibungsoszillator. Er besteht aus zwei sich gegenläufig drehenden Zylindern, auf denen ein Stab liegt. Unter bestimmten Bedingungen beschreibt der rutschende Stab, verursacht durch die Reibung auf den rotierenden Zylindern, eine rhythmische Bewegung. Doch entspricht diese Bewegung exakt der eines Pendels, so wie es in den Lehrbüchern steht? Der Jungforscher untersuchte das Phänomen präzise mit einem eigens konstruierten Messaufbau – und kam zu einem anderen Ergebnis: Die Bewegung des Stabs verläuft deutlich komplexer als die eines einfachen harmonischen Oszillators.

Ultraschnelle Emissionsprozesse in Graphen

Ultraschnelle Emissionsprozesse in Graphen

Ein noch junges Material fasziniert die Physikgemeinde: Graphen – eine Kohlenstoff-Modifikation, die nur aus einer einzigen Lage von Atomen besteht. Tamara Pröbster ließ sich von der Begeisterung anstecken und schaute sich in ihrem Forschungsprojekt eine Eigenschaft von Graphen genauer an: Was genau passiert, wenn es mit starken Lichtblitzen beschossen wird? Dazu konstruierte sie einen Versuchsaufbau, bei dem ein Laser ultrakurze Pulse auf ein Graphenblättchen feuert. Dabei wurden innerhalb kürzester Zeit Elektronen frei, was sich als Stromfluss durch das Graphen bemerkbar machte. Bei ihren Messungen konnte die Jungforscherin herausfinden, wie sich dieser Prozess im Detail abspielt. Praktische Anwendungen sind für die Elektronik der Zukunft denkbar – hier gilt Graphen als heißer Kandidat.

Visualisierung von Mikrowellen

Visualisierung von Mikrowellen

Ist von der Mikrowelle die Rede, denken viele an den praktischen Herd in der Küche, der im Handumdrehen Speisen erwärmt. Doch mit Mikrowellen lässt sich noch mehr anfangen: Camille Westerhof entwarf ein Konzept, um Bilder mithilfe von Mikrowellen aufzunehmen. Dazu machte er sich den sogenannten Dopplereffekt zunutze, bekannt etwa vom Martinshorn auf Einsatzfahrzeugen: Bewegt sich eine Schallquelle auf einen zu, ist der Ton höher, als wenn sie sich von einem entfernt. In seinem Forschungsprojekt konstruierte der Jungforscher eine Platine, die diesen Mikrowellen-Dopplereffekt erfassen kann – eine Voraussetzung für die Bildaufnahme. Als Nächstes plant er den Bau einer Spezialantenne, die Mikrowellensignale aus der Umgebung erfassen kann, etwa von einem vorbeifliegenden Flugzeug.

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

Wer sich für Mechanik, Wellenlehre, Optik, Magnetismus, Quantenphysik, Thermo- oder Elektrodynamik interessiert, dem fällt es wahrscheinlich leicht, ein Thema aus diesen Bereichen zu einem Projekt zu machen. Es kann zum Beispiel eine Tragfläche im Windkanal getestet, das Klangspektrum einer Flöte analysiert, die Farberscheinung von Seifenblasen untersucht oder mit Solarzellen experimentiert werden.

Disziplinen im Fachgebiet Physik sind vor allem

  • Experimentalphysik
  • Theoretische Physik
  • Klassische Mechanik
  • Elektrodynamik und Optik
  • Thermodynamik
  • Relativitätstheorie
  • Quantenphysik
  • Teilchenphysik

Das Fachgebiet Physik umfasst eine Vielzahl von Unterthemen, die z. B. nach Methodik oder Theorien, auf denen sie beruhen, kategorisiert werden. Eine umfassende Übersicht findet sich hier. Die Einordnung in das Fachgebiet ist dann korrekt, wenn der Schwerpunkt der Forschungsarbeit auf der Physik liegt.

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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