Physik

Aktive Stents – ständig in Bewegung

Aktive Stents – ständig in Bewegung

Sind die Gefäße verengt, die das Herz mit Blut versorgen, droht ein Infarkt. Um sie wieder zu weiten, setzen Mediziner heute standardmäßig Gefäßstützen aus einem Metallgeflecht ein. Doch manchmal sorgen diese „Stents“ für Komplikationen, etwa indem sie die Blutströmung ungünstig beeinflussen. Jule Kristin Philipp hat diese Auswirkungen am Computer simuliert – und zwar in 3-D. Die Resultate zeigen, dass das Blut besonders in der Nähe der Stent-Streben nur sehr langsam fließt – ein Risikofaktor gerade bei Gefäßstützen, die nicht optimal sitzen. Um dies zu verhindern, entwickelte die Jungforscherin eine Gegenmaßnahme: Sie schlägt vor, die Blutströmung aktiv mit winzigen, sich drehenden Spiralen zu beeinflussen. Diese Spiralen würden das Blut verwirbeln und es so beschleunigen.

Akustische Tarnkappe

Akustische Tarnkappe

Metamaterialien sind künstlich erzeugte Werkstoffe mit optischen, elektrischen oder magnetischen Eigenschaften, die in der Natur so nicht vorkommen. Man nutzt sie zur Herstellung sogenannter Tarnkappen, die Objekte scheinbar unsichtbar werden lassen, indem die elektromagnetischen Wellen um sie herumgelenkt werden. Patricia Asemann und Konstantin Schnekenburger konstruierten ein akustisches Pendant zu Metamateralien. Mit einem 3-D-Drucker stellten sie spezielle akustische Bauteile her, mit denen sich Schall gezielt manipulieren lässt. Anschließend experimentierten sie in einer Schallkammer mit verschiedenen Konfigurationen der Teile. Das Resultat: Die akustische Tarnkappe der Jungforscher kann den Schall tatsächlich so ablenken, dass sich Objekte vor dem menschlichen Gehör verbergen lassen.

Chemische Nachbehandlung von Fahrradreifen

Chemische Nachbehandlung von Fahrradreifen

Manche Radfahrer schwören darauf: Sie reiben ihre Fahrradreifen zuweilen mit Essig ein, weil dies angeblich die Fahreigenschaften verbessert. Doch was ist dran an der Sache? Um das herauszufinden, erdachte sich Christoph Setescak eine raffinierte Versuchsapparatur: Mithilfe eines Drehpendels und einer Laserschranke untersuchte er bestimmte mechanische Eigenschaften kleiner Reifenstückchen, die er zuvor mit verschiedenen Chemikalien behandelt hatte. Dabei stellte er fest, dass Essig offenbar nur einen mäßigen Effekt auf die Laufeigenschaften des Fahrradreifens hat. Als wirkungsvoller stellte sich Styrol heraus. Die Chemikalie scheint unter anderem den Rollwiderstand des Reifens ein wenig zu senken – das Fahrrad fährt sich leichter.

Der Einsatz und die Auswirkungen von Fluoreszenz im Alltag

Der Einsatz und die Auswirkungen von Fluoreszenz im Alltag

Man kennt es vom Schwarzlicht in der Disco: Werden weiße Textilien mit UV-Licht bestrahlt, fangen sie magisch an zu leuchten. Fachleute bezeichnen dieses Phänomen als Fluoreszenz. Jona Röhrig wollte wissen, wo sich in unserer alltäglichen Umgebung fluoreszierende Stoffe befinden. Um das herauszufinden, baute er aus einer Kamera, einer DVD und etwas schwarzer Pappe ein sogenanntes Spektrometer, ein Gerät, das Licht in seine Farbanteile zerlegt. Damit entdeckte er überraschend viele fluoreszierende Alltagsgegenstände – beispielsweise Textmarker und Waschmittel. Doch über eventuelle gesundheitliche Gefahren, die zum Beispiel Aufheller in Textilien mit sich bringen könnten, ist nur wenig bekannt. Hier wünscht sich der Jungforscher deutlich mehr Forschung.

Die Blume aus dem Wasserstrahl

Die Blume aus dem Wasserstrahl

Trifft ein Wasserstrahl auf eine raue Oberfläche, etwa ein Holzbrett, können sich überraschend regelmäßige Muster bilden, die an das Innere einer Sonnenblume erinnern. Wie entstehen diese spiralähnlichen Strukturen? Das wollten Matthias Grützner, Julian Egbert und Arne Geipel herausfinden. Ihre Theorie: Die Ursache sind die winzigen Erhebungen, die raue Oberflächen aufweisen. An diesen bricht sich das fließende Wasser und bildet in der Folge spiralartige Muster. Die Jungforscher überprüften diese Theorie anhand eines Experiments, bei dem sie einen Nagel von Wasser umströmen ließen und die Abläufe mit einer Kamera aufzeichneten. Das Ergebnis bestätigte ihren Erklärungsansatz.

Die Wasserbrücke – Gravitational Effects on the Floating Water Bridge

Die Wasserbrücke – Gravitational Effects on the Floating Water Bridge

Legt man eine starke elektrische Spannung an zwei Gefäße mit hochreinem Wasser, bildet sich ein Wasserfaden zwischen den Behältern – ein Phänomen, das Physiker Wasserbrücke nennen und mit unterschiedlichen Theorien erklären. Doch welche ist die richtige? Dies erforschten Christoph Maier, Johannes Korff und Philipp Lehmann, indem sie das Verhalten der Wasserbrücke abhängig von der Gravitation untersuchten. Hierzu konstruierten sie eine Kapsel mit geringem Luftwiderstand für Messungen im freien Fall. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse formulierten sie eine eigene Theorie der Wasserbrücke und tragen so zu einem besseren Verständnis des Phänomens bei.

Galileis Leiteralbtraum

Galileis Leiteralbtraum

Hebt man das eine Ende eines auf einem Tisch liegenden Bleistifts in die Höhe und lässt es fallen, passiert – würde man die Fallzeit präzise messen – etwas Merkwürdiges: Das Bleistift-Ende fällt schneller herunter, als dies gemäß der Erdbeschleunigung möglich scheint. Der Grund ist ein Drehmoment, das auf den Stift wirkt und ihn zusätzlich beschleunigt. Dieses verblüffende Phänomen haben Lennart Resch und Tim Kubetzko theoretisch wie auch experimentell für ein deutlich komplexeres Gebilde untersucht: eine Art Strickleiter mit schrägen Sprossen. Per Hochgeschwindigkeitskamera filmten die Jungforscher, wie unterschiedliche Leitertypen in sich zusammenfallen. Dabei beobachteten sie, dass die Leitern tatsächlich schneller fielen, als es das Fallgesetz von Galileo eigentlich vorsieht.

Makroskopisches Massenspektrometer

Makroskopisches Massenspektrometer

Die Massenspektrometrie ist ein weit verbreitetes Analyseverfahren bei Forschungsfragen in Umweltchemie, Medizin oder Toxikologie. Dabei wird die Masse von Atomen oder Molekülen unter Vakuumbedingungen bestimmt. Jannik Meyer befasste sich mit der Frage, ob sich mit einem Massenspektrometer auch größere Teilchen detektieren lassen, und dies ohne Vakuum. Er entwickelte ein Ionenfallen-Massenspektrometer, das Staubteilchen statisch auflädt, nach ihrer Masse trennt und auf Basis eines neuen Verfahrens mittels Streuung von Laserlicht detektiert. Künftig könnten mit dem Gerät beispielsweise die Luftschadstoffe bei Smog vor Ort untersucht werden.

Optimierung eines Flugzeugflügels mithilfe eines auf dessen Oberfläche verlaufenden Bandes

Optimierung eines Flugzeugflügels mithilfe eines auf dessen Oberfläche verlaufenden Bandes

Ein Flugzeugflügel erzeugt Auftrieb, weil die Luft schneller über ihn hinwegströmt als unter ihm hindurch – oberhalb des Flügels entsteht also ein Unterdruck. Ließe sich dieser Effekt verstärken, indem man die Luft über dem Flügel zusätzlich beschleunigt? Um diese Frage zu beantworten, simulierte Nils Wagner das Phänomen zunächst am Computer. Dann entwickelte er einen originellen Versuchsaufbau: Über ein flügelähnliches Holzprofil bewegt eine Antriebsrolle ein Laufband. Dieses Band reißt die Luft auf der Flügeloberseite mit sich und bremst sie auf der Unterseite. Den Fahrtwind simulierte der Nachwuchsforscher mit einem Laubbläser. Das Resultat: Das Laufband brachte tatsächlich ein – wenn auch geringes – Plus an Auftrieb.

Pulsformanalyse einer Radonionisationskammer

Pulsformanalyse einer Radonionisationskammer

Radon ist ein radioaktives Erdgas, das als krebserregend gilt. Es kommt natürlicherweise in unserer Umwelt vor und tritt hierzulande in manchen Regionen aus Gestein aus, das für den Häuserbau verwendet wird. Bernhard Kirchmair und Vincent Gregor Nieraad befassten sich mit den Radonkonzentrationen in der Raumluft. Ausgangspunkt war ein Detektor, der schon 2009 für ein anderes Jugend forscht Projekt entwickelt worden war. Mithilfe einer ausgefeilten Computersimulation konnten die beiden Nachwuchsforscher die Funktionsweise des Geräts deutlich verbessern. Damit besitzt es das Potenzial, die Radonkonzentration in einem Raum verlässlich zu ermitteln, sodass sich die Einhaltung vorgeschriebener Grenzwerte überprüfen lässt.

Selbstbau einer Nebelkammer zum Nachweis radioaktiver Strahlung

Selbstbau einer Nebelkammer zum Nachweis radioaktiver Strahlung

Radioaktive Strahlung lässt sich auf unterschiedliche Weise messen. Am bekanntesten ist der Nachweis per Geigerzähler, der dabei markante Knackgeräusche erzeugt. Julius Vincent Grams entschied sich in seinem Forschungsprojekt für eine andere Methode – die Nebelkammer. Das Prinzip: In einem luftdichten Gefäß erzeugt man einen Nebel aus Alkoholdämpfen. In diesem entstehen dann infolge der radioaktiven Strahlung charakteristische Strichmuster. Im Gegensatz zu einem Geigerzähler lässt sich so zwischen verschiedenen radioaktiven Strahlungsarten unterscheiden. Die Materialien für die selbst gebaute Nebelkammer kosten nur wenig mehr als 600 Euro, was diese auch für den Einsatz in der Schule interessant macht.

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.

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.

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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