Physik

Chaotische Dynamik in Hamilton'schen Systemen

Chaotische Dynamik in Hamilton'schen Systemen

Chaos gibt es nicht nur im Kinderzimmer oder auf manchem Schreibtisch, sondern auch in der Physik. Hier bezeichnet man Systeme als chaotisch, bei denen bereits kleinste Ursachen große Wirkungen haben können – wie jener sprichwörtliche Schmetterling in Brasilien, der durch seinen Flügelschlag womöglich einen Tornado in Texas auslöst. Mit der hochkomplexen Mathematik, die hinter solchen chaotischen Phänomenen steckt, befasste sich Timo Hofmann in seinem Forschungsprojekt. Dabei nahm er eine bestimmte Klasse von Systemen in den Blick – die sogenannten Hamilton‘schen Systeme. Der Jungforscher untersuchte, unter welchen Umständen diese Systeme mathematisch vorhersagbar bleiben und wann sie unberechenbar werden – und sich damit chaotisch verhalten.

DAZU – digitaler Abbiegeassistent zur Unfallvermeidung an Fahrradkreuzungen

DAZU – digitaler Abbiegeassistent zur Unfallvermeidung an Fahrradkreuzungen

Leider passiert es immer wieder im Straßenverkehr, dass ein Lkw-Fahrer nach rechts abbiegt und dabei einen Radfahrer übersieht – mit zum Teil dramatischen Folgen. Um hier für mehr Verkehrssicherheit zu sorgen, entwickelten Ferdinand Karnath und Jupp Nepomuk Haasler ein ausgeklügeltes Warnsystem. Das Prinzip: Nähert sich ein Lkw einer Kreuzung, erfassen zwei Ultraschallsensoren dessen Anfahrts- und Bremsweg. Gleichzeitig überwachen weitere Sensoren den Radweg. Registrieren sie einen Radfahrer, ermittelt ein Rechner, ob sich Fahrrad und Lkw auf Kollisionskurs befinden. In diesem Fall leuchtet auf einem Display ein Signal auf, dass den Lkw-Fahrer vor der Gefahrensituation warnt. Um die Tauglichkeit ihres Systems zu demonstrieren, erstellten die Jungforscher ein realitätsgetreues Lego-Modell im Maßstab 1 : 41.

Der Wirbel im Tank

Der Wirbel im Tank

Auf einer Raumstation ist vieles anders als auf der Erde, schließlich herrscht dort kaum Gravitation. Die Unterschiede gehen bis ins Detail: So ist es mangels Schwerkraft gar nicht so einfach, Wasser aus einem Vorratstank zu den Astronauten zu leiten. Vithusa Thirunavukarasu und Melanie Brehmer ließen sich dafür eine originelle Lösung einfallen: Mit einem Rührmagneten, wie man ihn aus dem Chemielabor kennt, erzeugten sie in einem zylindrischen Tank einen Wirbel. Dieser drückt das Wasser aus dem Tank heraus in Richtung eines Transportschlauchs und verhindert dabei zudem die Bildung von lästigen Bläschen. Dass ihr System wie erhofft funktioniert, konnten die beiden bei Versuchen in einem Fallturm belegen, wo für kurze Zeit in einer Abwurfkapsel Schwerelosigkeit herrscht.

Der ZeoWarm 2.0 – verschiedene Zeolith-Arten und ihre Regeneration

Der ZeoWarm 2.0 – verschiedene Zeolith-Arten und ihre Regeneration

Zeolithe sind Kristalle mit einer besonderen Eigenschaft: Trocknet man sie sorgfältig und gießt dann Wasser darüber, erhitzen sie sich stark. Charlotte Henkel und Ruben Rohsius nutzten dieses Phänomen für eine clevere Erfindung – einen Trinkbecher, der seinen Inhalt von selbst erwärmt. In ihrem Forschungsprojekt untersuchten die beiden, welche der vielen Zeolith-Arten sich am besten dafür eignet. Da der Becher wiederverwendbar sein soll, lag ihr Hauptaugenmerk auf der Frage, welche Kristalle sich möglichst effektiv trocknen lassen, um das Gefäß „neu zu laden“. Als Ergebnis stießen die beiden auf eine Zeolith-Art, die sich in vertretbarerer Zeit regenerieren lässt: Im Backofen muss man sie eine halbe Stunde lang auf 250 Grad erhitzen, in der Mikrowelle genügen elf Minuten bei 135 Watt.

Ein Leben mit Kleben

Ein Leben mit Kleben

Als sich Anja Sack das Innenleben eines Kameraobjektivs näher anschaute, fiel ihr auf, dass alle Linsen in Fassungen eingeklebt waren, um sie so möglichst stabil in Position zu halten. Da kam sie auf eine Idee: Könnte man auf die Fassungen verzichten und die Linsen nur mit Klebstoff fixieren? Wäre das möglich, ließen sich deutlich leichtere Objektive bauen. Fraglich war allerdings, ob der Kleber allein für ausreichende Stabilität sorgen kann. Um das zu prüfen, konzipierte die Jungforscherin einen Langzeitbelastungstest, bei dem sie zwei miteinander verklebte Linsen sowohl großer Hitze als auch starker Kälte aussetzte. Das Ergebnis: Sogar nach neun Monaten hatte sich die Klebung nur wenig verformt. Einer Anwendung im Alltag scheint also nichts entgegenzustehen.

Entwicklung eines gadoliniumfreien Kontrastmittels für die Kernspinresonanztomografie

Entwicklung eines gadoliniumfreien Kontrastmittels für die Kernspinresonanztomografie

Magnetresonanztomografen – kurz MRT-Scanner – sind aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Sie liefern ohne gesundheitsschädliche Röntgenstrahlung Bilder aus dem Körperinnern. Allerdings bergen bestimmte Kontrastmittel, die für manche Aufnahmen verwendet werden, ebenfalls Gesundheitsrisiken. Sie enthalten das Metall Gadolinium, das sich im Nervensystem ablagern kann. Daher machte sich Aruna Sherma auf die Suche nach einem weniger belastenden Kontrastmittel, das auf nanometerkleinen Teilchen basieren soll. Um die Tauglichkeit verschiedener Materialien zu prüfen, konstruierte sie eine Magnetisierungskammer in der Größe eines Schuhkartons. Das Resultat: Am erfolgversprechendsten erschienen Nickel und Aluminium, die die Jungforscherin nun eingehender untersuchen will.

Entwicklung eines Messgerätes zur Oberflächenprüfung mit Laser Specklemustern

Entwicklung eines Messgerätes zur Oberflächenprüfung mit Laser Specklemustern

Trifft der Strahl eines Lasers auf eine raue Wand oder eine Schallplatte, entsteht ein scheinbar chaotisches Lichtmuster aus gesprenkelten hellen und dunklen Flecken. Dieses Phänomen, auch „Speckles“ genannt, inspirierte Jochan Brede zur Entwicklung und Optimierung einer Messmethode für die zerstörungsfreie Prüfung von Werkstücken. Er untersuchte den Effekt zunächst experimentell wie auch mittels zahlreicher Simulationen. Basierend auf seinen Forschungsergebnissen entwickelte der Jungforscher ein mobiles Messgerät, mit dem sich die Rauheit sowohl von Metall- als auch von Kunststoffoberflächen bestimmen lässt. Bereits feinste Risse in Werkstücken lassen sich bei Tageslicht einfach und schnell detektieren. Damit ist das Gerät eine kompakte und vielseitige Lösung für die Qualitätsprüfung oder Instandhaltung.

Entwicklung eines thermoregulativen Bekleidungstextils auf Grundlage variabler Luftzellen

Entwicklung eines thermoregulativen Bekleidungstextils auf Grundlage variabler Luftzellen

Im Frühjahr wird der Griff in die Garderobe an manchen Tagen zur Herausforderung. Den Wintermantel anziehen und dann am Nachmittag schwitzen? Oder doch lieber die Jacke nehmen und dafür am Morgen frösteln? Hier wollten Simon Fiebich, Louisa Weber und Charlotte van Almsick Abhilfe schaffen: Sie entwickelten eine spezielle Jacke, die sich dem Wetter anpasst und bei Frost stärker wärmt als bei milder Frühlingsluft. Der Trick: Die drei bauten zusätzliche, wabenförmige Kammern in das Textil ein. Durch Öffnen und Schließen dieser Kammern ist es möglich, die Wärmeströmung innerhalb des Textils zu beeinflussen. Damit lässt sich einstellen, ob die Jacke besser oder schlechter isoliert. Testreihen in einer Kühlkammer zeigten: Das Prinzip funktioniert, auch wenn es im Detail noch Verbesserungsmöglichkeiten gibt.

Ionenwind – der Antrieb der Zukunft?

Ionenwind – der Antrieb der Zukunft?

Positioniert man eine Nadel neben einer Kerzenflamme und setzt sie unter Hochspannung, passiert etwas Überraschendes – wie aus dem Nichts erlischt die Flamme. Die Erklärung dafür: Die unter Spannung stehende Nadelspitze lädt die Luft elektrisch auf, wodurch ein Lufthauch entsteht. Dieser „Ionenwind“ ist so stark, dass er die Flamme ausbläst. Rickmer Krinitz, Daniel Mynko und Frieder Büchner regte dieses Phänomen zu einem originellen Gedanken an: Wäre es möglich, per Ionenwind ein Raumschiff anzutreiben? Um das Potenzial abzuschätzen, ließen sie sich mehrere Versuchsaufbauten einfallen. So gelang es ihnen, ein kleines Raumschiff-Enterprise-Modell dank Ionenwind Karussell fahren zu lassen. Ihr Resümee: Auf einem Planeten wie der Venus könnte ein Ionenwind-Antrieb durchaus nützlich sein.

Neuronale Netze auf der Suche nach dunkler Materie

Neuronale Netze auf der Suche nach dunkler Materie

Es ist eines der großen Geheimnisse der Physik: Diverse Phänomene deuten darauf hin, dass es neben der gewohnten, uns umgebenden Materie noch etwas anderes gibt – die sogenannte dunkle Materie. Dank ihrer Gravitation scheint sie die Galaxien zusammenzuhalten wie ein unsichtbarer Klebstoff. Nur: Woraus diese dunkle Materie besteht, darüber rätseln Experten seit Jahrzehnten. Carolin Kohl befasste sich in ihrem Forschungsprojekt mit einem Experiment namens CAST, das am Teilchenforschungszentrum CERN in Genf nach dem Ursprung der dunklen Materie sucht. Sie schrieb ein spezielles Computerprogramm, das auf künstlicher Intelligenz basiert und dazu in der Lage ist, die Messdaten des Experiments vorzusortieren sowie interessante und weniger interessante voneinander zu trennen.

Superluminares Tunneln: Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit

Superluminares Tunneln: Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit

Laut Albert Einstein ist es ein ehernes Gesetz: Nichts ist schneller als das Licht. Daher sorgte in den 1990er Jahren ein Experiment für Aufsehen, das einen Verstoß gegen das „kosmische Tempolimit“ nahelegte. Demnach bewältigen Mikrowellensignale unter bestimmten Bedingungen eine kurze Strecke in unendlich kurzer Zeit – für Einstein ein Ding der Unmöglichkeit. In der Folge kamen Theorien auf, die dieses Phänomen letztlich doch in Übereinstimmung mit Einstein erklären konnten. Dennoch blieben Zweifel – weshalb sich Peter Elsen und Simon Tebeck die Sache näher anschauten. Mit zwei Prismen aus Acrylglas und einer Menge Mikrowellentechnik vermaßen sie den Effekt systematisch und kamen zu einem verwegen klingenden Schluss: Vielleicht ist doch etwas dran an den Signalen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen.

Untersuchung fliegender Gyroskope

Untersuchung fliegender Gyroskope

Mit einer Frisbeescheibe lassen sich enorme Weiten erzielen, der Weltrekord liegt aktuell bei mehr als 300 Metern. Der Grund dafür ist die Rotation des Flugobjekts: Sie trägt entscheidend zur Stabilisierung des Fluges bei. Nils Wagner widmete sich in seiner Arbeit einem ähnlichen Wurfgerät: Der „X-Zylo“ ist ein dünnwandiger Hohlzylinder, der wie ein Football geworfen wird und erstaunlich geradlinig fliegen kann. Um dies im Detail zu verstehen, schrieb der Jungforscher ein Computerprogramm, das die Flugbahn des X-Zylo simulieren kann. Anschließend überprüfte er die Ergebnisse auf Basis von Versuchen mit einer selbst gebauten, katapultähnlichen Abschussvorrichtung. Das Ergebnis: Die berechneten und die tatsächlichen Flugbahnen lagen nahe beieinander, auch wenn die Software noch nicht alle für den Flug maßgeblichen Effekte berücksichtigte.

Wärmestrahlung bei der Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit LEDs

Wärmestrahlung bei der Bestimmung des Planck'schen Wirkungsquantums mit LEDs

Das Planck'sche Wirkungsquantum zählt seit seiner Entdeckung vor 120 Jahren zu den wichtigsten Naturkonstanten der Physik. Es verknüpft die bis dahin getrennten Welten von Teilchen und Wellen und bildet eine wesentliche Grundlage der Quantentheorie. Als Anja Hoffmeister in der Schule die Konstante mithilfe von LEDs bestimmen sollte, stellte sie fest, dass ihre Messkurve nicht der theoretisch erwarteten Vorgabe entsprach. Nach systematischen Experimenten und der Erstellung diverser Messreihen stieß die Jungforscherin schließlich auf die Ursache dieser Abweichung. Die LEDs im Versuchsaufbau geben nicht nur sichtbares Licht ab, sondern möglicherweise auch Wärmestrahlung. Denn es war Wärme, die im vorhergehenden Versuch die Messkurve für die Bestimmung des Wirkungsquantums durcheinanderbrachte.

Wie bekommen Straßen Sixpacks? Experimentelle Untersuchung von Rippeln im Sand

Wie bekommen Straßen Sixpacks? Experimentelle Untersuchung von Rippeln im Sand

Das kennen sowohl Auto- als auch Radfahrer: Auf manchen Straßen haben sich im Laufe der Zeit kleine Rippeln gebildet, die insbesondere beim Bremsen ein unangenehmes Rütteln verursachen können. Doch wie kommen diese Rippelmuster eigentlich zustande? Um das herauszufinden, konzipierten Anton Fehnker und Simon Raschke ein ungewöhnliches Experiment: Sie ließen ein Rad, angetrieben von einem Scheibenwischermotor, auf einer mit Sand gefüllten Wanne für längere Zeit im Kreis herumfahren. Dabei stellten sie fest: Bereits nach kurzer Zeit begann das Rad zu hoppeln – denn auf der anfangs ebenen Sandoberfläche hatten sich die ersten Rippel gebildet. Die detaillierte Analyse der Messungen zeigte, dass die Rippelbildung nicht linear verläuft, also überaus komplexen, chaotischen Gesetzmäßigkeiten folgt.

Wie man mit Induktion kocht – ohne dass es warm ums Herz wird

Wie man mit Induktion kocht – ohne dass es warm ums Herz wird

Induktionsherde sind praktisch: Nur die Töpfe werden heiß, nicht aber das gesamte Kochfeld. Zudem lässt sich die Temperatur schneller regulieren als bei herkömmlichen Herden. Doch sind Induktionsherde womöglich ein Risiko für die Träger von Herzschrittmachern? Um das herauszufinden, konstruierte Henrik Hermelink einen raffinierten Teststand. Mit ihm konnte er das vom Herd ausgehende Magnetfeld präzise messen. Das Resultat überraschte den Jungforscher: Insbesondere, wenn der Topf nicht richtig positioniert auf dem Kochfeld stand, ohne dass sich der Herd abschaltete, wurden die gültigen Grenzwerte zum Teil deutlich überschritten. Um das Risiko für die Träger von Schrittmachern zu minimieren, entwickelte Henrik Hermelink mehrere Schutzmaßnahmen – zum Beispiel eine rutschfeste Unterlage, die ein versehentliches Verschieben des Topfes erschwert.

Windenergie am Windradturm

Windenergie am Windradturm

Ein Windrad liefert Strom, wenn sein Rotor durch Wind angetrieben wird. Doch lässt sich noch mehr Ertrag aus der Anlage herauskitzeln? Dieser Frage gingen Lea Burger und Bonita Ruppert nach – und stießen dabei auf ein paar originelle Ansätze. So könnte man am Turm drehbare Vorrichtungen aus Halbkugeln anbringen, die ähnlich wie Windmessgeräte funktionieren. Zusätzlich ließe sich das Innere des Turms nutzen: Würde man an bestimmten Stellen Löcher in den Turm bohren, könnte dank des sogenannten Kamineffekts stetig warme Luft von unten nach oben strömen. Turbinen könnten aus diesem Luftzug Energie gewinnen. Anhand von Modellversuchen überprüften die Jungforscherinnen ihre Ideen und kamen auf eine eindrucksvolle Zahl: Mithilfe der Zusatztechniken könnte ein Windrad 16 Prozent mehr Strom erzeugen.

Akustische Levitation – Kugeln im Lotussitz

Akustische Levitation – Kugeln im Lotussitz

Bei Harry Potter genügt ein kurzer Zauberspruch, und wie von selbst schweben unzählige Kerzen mitten im Saal. Ein ähnliches Kunststück gelang Alexandra Martin, Yasmin Muderris und Nahae Kühn in ihrem Forschungsprojekt – und zwar ganz ohne Magie. Die drei machten sich ein physikalisches Phänomen namens akustische Levitation zunutze: Wenn man einen Ultraschall-Lautsprecher an der richtigen Stelle platziert, lassen sich in seinem Schallfeld kleine Styroporkügelchen zum Schweben bringen. Mithilfe von Seifenblasen konnten die drei Jungforscherinnen die tragenden Schallwellen sogar sichtbar machen. Darüber hinaus gelang es ihnen, das Styropor nicht nur in der Luft, sondern auch in den Schallwellen von Kohlendioxid schweben zu lassen.

Chaostheorie am Beispiel des Doppelpendels

Chaostheorie am Beispiel des Doppelpendels

Kleine Ursache, große Wirkung – so lässt sich die Chaostheorie zusammenfassen. Demnach könnte bereits der Flügelschlag eines Schmetterlings einen Wirbelsturm auslösen – er muss es aber nicht, denn entscheidend sind schon kleinste Veränderungen in den Anfangsbedingungen. Das macht Vorhersagen so schwierig. Johannes Wolansky hat das Chaos am Beispiel eines einfachen Versuchs studiert: Beim Doppelpendel hängt unten an einem Pendel ein zweites. Versetzt man dieses in Bewegung, kann es passieren, dass beide Pendel nach einiger Zeit völlig unvorhersehbar ausschlagen. Der Jungforscher hat dieses Phänomen mit einer selbst geschriebenen Software simuliert und seine Ergebnisse mit einem realen Doppelpendel verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Simulation bis zu einem gewissen Grad erstaunlich gut funktioniert.

Das Sagnac-Interferometer – eine Untersuchung des Foucault'schen Pendels der Optik

Das Sagnac-Interferometer – eine Untersuchung des Foucault'schen Pendels der Optik

Unter Physikern ist das Foucault’sche Pendel legendär: Mitte des 19. Jahrhunderts ließ der Franzose Léon Foucault ein großes Pendel über mehrere Stunden lang hin- und herschwingen und lieferte damit den endgültigen Beweis, dass sich die Erde um sich selbst dreht. Nina Brauer und Nils Hein übertrugen diesen Versuch auf die Optik und bauten einen sogenannten Sagnac-Interferometer: Sie montierten einen Laser, mehrere Spiegel, eine Glasfaser und eine Kamera auf einer Drehscheibe. Versetzt man die Scheibe in Rotation, zeigt sich auf dem Kamerabild ein Helldunkelmuster – ein hochpräziser Nachweis für die Drehbewegung. Anwendung kann der Sagnac-Interferometer unter anderem in speziellen Navigationssystemen finden.

Demonstration der Aerodynamik bei einem Flugzeugflügel

Demonstration der Aerodynamik bei einem Flugzeugflügel

Laien erstaunt immer wieder, wie es physikalisch möglich ist, dass sich ein Flugzeug überhaupt in der Luft halten kann. Einer der Gründe ist die Aerodynamik der Tragflächen: Sie sorgt für den nötigen Auftrieb, der die Maschine quasi nach oben saugt. Nicolay Braun, Simon Jeger und Maxim Trinczek wollten herausfinden, wie der Auftrieb im Detail funktioniert und unter welchen Bedingungen es zum gefürchteten Strömungsabriss kommt, der zum Absturz eines Flugzeugs führen kann. Dazu bauten sich die drei Jungforscher aus einer Holzkiste und einem Ventilator einen kleinen Windkanal. Mit einer ausgefeilten Messvorrichtung konnten sie anschließend die Kräfte messen, die auf von ihnen genutzte kleine Modelltragflächen wirken. Das Resultat: Stellt man einen Flügel zu steil an, nimmt der Auftrieb stark ab.

Die Physik der Sanduhr

Die Physik der Sanduhr

Als er bei einem Gesellschaftsspiel die Zeit mit einer Sanduhr stoppte, kam Elias Kohle plötzlich eine Frage in den Sinn: Gibt es eine physikalische Formel, mit der sich die Geschwindigkeit des herabrinnenden Sandes präzise ausrechnen lässt? Die Antwort gestaltete sich kniffeliger als erwartet. Denn es ist nicht allein die Größe der Engstelle zwischen den beiden Glaskolben, die den Durchfluss bestimmt. Wichtig ist auch ein weiterer Effekt: Wenn sich der obere Kolben leert, entsteht dort allmählich ein Unterdruck, der den Sandfluss regelrecht bremst beziehungsweise messbar verlangsamt. Mit einem speziellen Versuchsaufbau unter- suchte der Jungforscher dieses Phänomen, um auf dieser Grundlage eine ausgefeilte Theorie zu entwickeln: eine physikalische Sanduhr-Formel.

Ein unerwartetes Phänomen an Solarfiltern

Ein unerwartetes Phänomen an Solarfiltern

Mit bloßem Auge soll man bekanntlich nicht in die grelle Sonne blicken, andernfalls drohen massive Gesundheitsschäden. Aus diesem Grund gibt es für Teleskope spezielle Solarfilter. Sie schwächen das Licht so weit ab, dass es für das Auge nicht mehr gefährlich ist. In seinem Forschungsprojekt nahm Sebastian Hendel eine derartige Filterfolie unter die Lupe. Als er mithilfe einer Halogenlampe präzise untersuchte, wie viel Licht sie durchlässt, fiel ihm eine Besonderheit auf: Die Folie verändert das Lichtspektrum und filtert bestimmte Farben besonders stark. Die wahrscheinliche Erklärung: Teile des Lichts werden innerhalb der Folie so reflektiert, dass bestimmte Farben abgeschwächt, andere jedoch verstärkt werden – im Prinzip derselbe Effekt, der Seifenblasen bunt schillern lässt.

Exakte Bestimmung der Fallbeschleunigung auf der Erde

Exakte Bestimmung der Fallbeschleunigung auf der Erde

Die Fallbeschleunigung verrät, wie schnell ein Gegenstand aus einer gewissen Höhe zu Boden fällt. In der Schule rechnet man gewöhnlich mit einem Wert von 9,81 m/s2. Dies ist jedoch nur ein Durchschnittswert. So ist die Erdbeschleunigung an den Polen ein wenig größer, am Äquator dagegen fällt sie etwas geringer aus – was unter anderem daran liegt, dass die Erde infolge der Fliehkräfte der Erdrotation nicht gänzlich rund ist. In seinem Forschungsprojekt entwickelte Florian Grunert eine mathematische Formel, mit der sich die Erdbeschleunigung für verschiedene Orte auf unserem Planeten erstaunlich präzise errechnen lässt. Darüber hinaus kann man diese Formel dazu nutzen, mithilfe des Beschleunigungssensors im Smartphone die Höhe über dem Meeresniveau zu bestimmen.

Hilfe, Sog! Auswirkungen der Schifffahrt auf die Sicherheit am Elbstrand

Hilfe, Sog! Auswirkungen der Schifffahrt auf die Sicherheit am Elbstrand

Der Hamburger Elbstrand lädt zum Baden ein. Doch die passierenden Schiffe können für Schwimmer gefährlich sein, weil sie im Wasser Sog- und Schwellkräfte auslösen, wie Valerie Vidal und Masha Galling nachwiesen. Sie präparierten eine mit Sand befüllte Schaufensterpuppe. Die Puppe mit dem Gewicht eines Kindes ließen sie an einem Seil ins Wasser und ermittelten so die Kräfte, die während der Vorbeifahrt von Schiffen auftraten. Es zeigte sich, dass vor allem Schiffe mit einer Länge von mehr als 336 Metern und über elf Metern Tiefgang ab einer Geschwindigkeit von acht Knoten gefährliche Strömungen verursachen können. Eine auflaufende Flut erhöht das Gefahrenpotenzial zusätzlich. Auf Basis dieser Daten schlagen die Jungforscherinnen ein Warnsystem vor, das Badegäste künftig auf kritische Schiffspassagen hinweist.

Laser Speckle

Laser Speckle

Trifft der Strahl eines Laserpointers auf eine raue Wand oder eine Schallplatte, entsteht ein scheinbar chaotisches Lichtmuster aus hell und dunkel gesprenkelten Flecken. Dieses Phänomen, auch „Speckles“ genannt, zog Jochan Brede, Tristan Brechtken und Jannik Meyer in seinen Bann. Die Jungforscher untersuchten den Effekt, der durch Beugung und Interferenz des Lichts der gleichen Wellenlänge entsteht, sowohl experimentell als auch mittels zahlreicher Simulationen. Auf dieser Grundlage entwickelten sie eine Theorie, wie sich mit Speckles die Rauigkeit oder Struktur von Oberflächen bestimmen lässt. Auch eine Temperaturmessung mittels Laserflecken ist so möglich. Denkbar ist künftig ein Einsatz ihrer Methode bei der Prüfung von zerstörungsfreien Werkstücken zur Qualitätssicherung.

Partikelweise Niederschlagsklassifizierung für genauere Wettervorhersagen

Partikelweise Niederschlagsklassifizierung für genauere Wettervorhersagen

Regen ist nicht gleich Regen. So kann sich die Tropfengröße erheblich unterscheiden – bei einem feinen Nieselregen sind die Tröpfchen winzig, bei einem Gewitterschauer deutlich größer. Max von Wolff hat eine Apparatur entwickelt, mit der sich die Tröpfchengröße präzise messen lässt. Das Prinzip: Die Regentropfen fallen auf eine Kunststoffmembran, die dadurch ins Schwingen gerät. Empfindliche Sensoren erfassen dieses feine Zittern und geben die Messwerte an einen Rechner weiter, der die Tropfen nach ihrer Größe klassifiziert. Auf diese Weise kann der Jungforscher feststellen, ob während eines Regens eher kleine oder überwiegend große Tropfen vom Himmel fallen – eine relevante Basisinformation, um etwa den Verlauf eines Hurrikans besser vorhersagen zu können.

Physikalische Untersuchungen beim Bogenschießen

Physikalische Untersuchungen beim Bogenschießen

Als passionierter Bogenschütze greift Paul Pöller regelmäßig zu seinem Sportbogen. Sein Hobby brachte ihn zu den Forschungsfragen, wie viel Kraft man aufbringen muss, um die Sehne zu spannen, und mit welcher Geschwindigkeit ein Pfeil den Bogen verlässt. Um Antworten darauf zu finden, ließ sich der Jungforscher zwei raffinierte Versuche einfallen. Bei dem einen spannt ein Elektromotor die Sehne des Bogens über ein Drahtseil, und ein elektronischer Sensor erfasst die dafür aufgebrachte Kraft. Bei dem anderen durchschlägt ein Pfeil zwei hintereinander aufgehängte Aluminiumstreifen, wodurch sich seine Geschwindigkeit ermitteln lässt. Das Ergebnis der Experimente: Ein sogenannter Recurve-Bogen bringt die Pfeile auf eine höhere Geschwindigkeit als ein traditioneller Langbogen, weshalb er sich vermutlich als Sportgerät durchgesetzt hat.

Physikalische Untersuchungen eines Doppelbechers

Physikalische Untersuchungen eines Doppelbechers

Im Internet stieß Simon Hillebrandt auf das originelle Video eines Hobby-Experimentierers: Dieser klebt zwei Plastikbecher am Boden zusammen und wickelt ein Gummiband um die Klebestelle. Dann zieht er das Gummiband stramm und lässt es anschließend los, sodass der Doppelbecher von ihm wegfliegt. Das Verblüffende daran ist die Flugbahn dieses speziellen Fluggeräts: Zunächst steigt es beinahe bis zur Zimmerdecke auf, um dann sachte zu Boden zu gleiten. Um dieses interessante Phänomen zu verstehen, startete der Jungforscher eine aufwendige Videoanalyse. Es gelang ihm, die Flugbahn im Detail sichtbar zu machen, indem er eine LED-Lampe im Doppelbecher befestigte. Darüber hinaus konnte er den Effekt auch theoretisch durchdringen und die Auftriebskraft ausrechnen, die den Doppelbecher nach dem Abschuss nach oben schnellen lässt.

Selber nach den Sternen greifen

Selber nach den Sternen greifen

Es ist faszinierend, sich die Sterne durch ein Teleskop anzuschauen – man erkennt so Him-melskörper, die mit dem bloßen Auge nicht zu sehen sind. Noch ergiebiger werden die Beobachtungen, wenn das Teleskop mit einem Spektrometer gekoppelt wird: Dieses spaltet das Licht in seine Farben auf und nimmt so eine Art Fingerabdruck eines Sterns, der auf dessen Masse, Größe und Temperatur schließen lässt. Philip Matthias baute ein Spektrometer für die Sternwarte seiner Schule. Dafür nutzte er ein Prisma, mehrere Linsen und eine Digitalkamera. Die Auswertung der Lichtspektren übernimmt in Sekundenschnelle ein Kleincomputer. Das Spektrometer des Jungforschers kostet nur halb so viel wie ein kommerzielles Modell und ist damit vor allem für Schulteleskope und Hobbyastronomen interessant.

Suche nach schweren Neutrinos in Kaonzerfällen

Suche nach schweren Neutrinos in Kaonzerfällen

Neutrinos zählen zu den sonderbarsten Elementarteilchen in der Physik. Sie sind unvorstellbar leicht, extrem schnell und überaus flüchtig. Neutrinos rasen durchs All und ohne dass wir es merken, durchqueren Billiarden Neutrinos in einer Sekunde unseren Körper. Manche Experten glauben sogar, dass es noch eine weitere Sorte dieser Teilchen geben muss – Neutrinos, die deutlich schwerer sind als die bisher bekannten. Nach solchen Sonderlingen sucht man unter anderem am CERN in Genf. Elisabeth Walter hat sich die Messdaten dieses Experiments vorgenommen. Mit einem selbst geschriebenen Analyseprogramm durchforstete sie die Daten des CERN nach Indizien für die Existenz der schweren Neutrinos. Das Ergebnis ihrer Forschung: Bislang gibt es noch keine deutliche Spur, die Suche muss also weitergehen.

Untersuchung des Magnus-Effekts und Bau eines Flettner-Flugzeugs

Untersuchung des Magnus-Effekts und Bau eines Flettner-Flugzeugs

Es klingt absurd, funktioniert aber: Bestückt man ein Modellflugzeug mit rotierenden Zylindern statt mit Tragflächen, kann es dennoch abheben und seine Bahnen ziehen. Basis dafür ist der sogenannte Magnus-Effekt: Ein Zylinder, der sich um sich selbst dreht, reißt auf der einen Seite die Luft mit sich, auf der anderen Seite bremst er sie ab. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der sich als Auftrieb bemerkbar macht. Timo Huber, Krystian Grabka und Anton Schaedla haben den Magnus-Effekt in einem Windkanal detailliert untersucht. Mit ausgeklügelter Messtechnik erfassten sie, welche Zylinderformen und -größen einen passablen Auftrieb erzeugen und welche Rolle die Drehzahl des Zylinders spielt. Auf Grundlage ihrer Erkenntnisse konstruierten sie einen Modellflieger, der in Kürze zu seinem Jungfernflug starten soll.

Untersuchung von Verstaubungsprozessen auf Glasoberflächen

Untersuchung von Verstaubungsprozessen auf Glasoberflächen

Schmutzige Fenster sind ein Ärgernis. Doch wenn Solarmodule verstaubt sind, wird das richtig teuer, denn die Dreckschicht senkt den Wirkungsgrad und damit den Ertrag des Moduls. Gerade in Wüstenregionen, in denen es besonders viel Staub gibt, kann das zum Problem werden. Um im Detail zu ergründen, wie hoch die Verluste sein können, haben Karoline Schuster und Lena Kalkofen das Phänomen an einem Versuchsstand simuliert: Sie bedeckten Testgläser mit unterschiedlich dicken Staubschichten und ermittelten dann, wie viel Licht die schmutzigen Scheiben verschluckten und wie sich das auf ein Solarmodul auswirkte. Im Ergebnis reduzieren stark verstaubte Gläser die Stromausbeute um bis zu 15 Prozent. Demnach würde sich die Reinigung verschmutzter Solarmodule durchaus lohnen.

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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