Die gleichförmige Bewegung

Die gleichförmige Bewegung im Demonstrationsunterricht.

Zur Erforschung der gleichförmigen Bewegung kann man die Lichtschrankenschiene oberhalb einer Rollen- oder Luftkissenfahrbahn anbringen. Man führt einen groben Reibungsausgleich durch (Rollenfahrbahn) oder justiert so, dass der Gleiter von sich aus weder in die eine noch in die andere Richtung losfährt (Luftkissenbahn). Dann wird das Fahrzeug vor der Lichtschrankenschiene leicht angestoßen, nachdem die Messwertaufnahme im Programm gestartet wurde. Der Aufbau ist sehr überschaubar und das Messsystem ist in kürzester Zeit einsatzbereit. Sie benötigen - außer Fahrbahn und Wagen - nur ein 5 V Netzgerät, die Lichtschrankenschiene und einen Laptop. Wenn Sie dann noch einen Beamer an den Laptop anschließen, kann man von jedem Platz aus die Auswertung sehr gut verfolgen.

Die gleichförmige Bewegung im Praktikum.

Wenn man mehrere Lichtschrankenschienen gebaut hat, kann man Schülerinnen und Schüler die Bewegungsarten der Kinematik auch in einem Praktikum erforschen lassen. Allerdings wird man kaum mehrere Fahrbahnen zur Verfügung haben, denn diese sind teuer und benötigen viel Platz bei der Aufbewahrung.

Man kann jedoch Spielzeugeisenbahnen als Fahrzeuge verwenden. Diese Möglichkeit ist nicht nur motivierend sondern auch kostengünstig, wenn man auf gebrauchte Lokomotiven, Schienen und Wagen zurückgreift, die man häufig recht billig in Online-Auktionen (z.B. bei Ebay) ergattern kann.
Gebrauchte Loks bekommen Sie teilweise schon für unter 20 Euro, Waggons oft für weniger als 5 Euro.

Ältere Loks des Göppinger Herstellers Märklin fahren mit Wechselstrom. Die benötigten Wechselspannungen von 0 - 16 V können Netzgeräten entnommen werden, die meist ohnehin in der Sammlung vorhanden sind. Man braucht so keine Spezialtransformatoren anzuschaffen.

Für Experimente zur gleichförmigen Bewegung benötigt man eine Lokomotive und einen geeigneten Waggon. Ich habe hier Niederbordwagen verwendet. Aus einem Aluminium-Winkelprofil 10 x 10 mm aus dem Baumarkt wurde ein Stück geeigneter Länge abgesägt, an einem Ende umgebogen und mit zwei Gewindeschrauben M3 x 10 am Waggon befestigt. Der Schraubenkopf ist dabei unter dem Wagen, die Mutter oben. Es empfiehlt sich das Winkelprofil oben ein Stück zu kürzen, damit der Wagen nicht innerhalb der Schiene hängen bleibt.
Leider konnte ich keine 10mm breiten Flachprofile aus Aluminium bekommen. Vielleicht finden Sie ja eine noch bessere Lösung.

Die Lichtschrankenschiene wird so oberhalb des Gleises befestigt, dass die Lok noch unter der Schiene bleibt und der Verdunklungsreiter nirgends streift. Nachdem die Messung gestartet wurde, zieht die Lok den Waggon mit dem Verdunklungsreiter durch die Schiene. Wenn die Lok gleichmäßig läuft und nicht zu viel Kontaktprobleme auf den Schienen bestehen, kann man mit den Messergebnissen durchaus zufrieden sein. Man sollte für diese Messungen das Programm im Modus "mehrere Messungen" verwenden und Lok und Waggon nacheinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Lichtschrankenschiene fahren lassen.

Das nebenstehende Foto des Bildschirms zeigt das Ergebnis zweier solcher Messungen im s-t-Diagramm. Die blaue Kurve samt Ausgleichgerade gehört zur schnelleren Fahrt. Hier hatte die Lok das Ende der Lichtschrankenschiene schon nach etwa 2,4 s erreicht, während sie bei der langsamen Fahrt (rot) etwa 5,0 s - also die doppelte Zeit - für die gleiche Strecke benötigte. Der oberhalb des Diagramms ausgewiesene Quotient (s / t = v) ist die Geschwindigkeit und die Geradensteigung, hier für die schnellere Fahrt.

Die Gleichmäßigkeit der Bewegung war zufriedenstellend, wenn auch nicht gut. Im v-t-Verlauf für die schnelle Fahrt (blau) und die langsame Fahrt (rot) sind doch einige Schwankungen zu erkennen. Bei der schnellen Fahrt war die mittlere Geschwindigkeit mit knapp 0,4 m/s etwa doppelt so groß wie bei der langsamen Fahrt (mittlere Geschwindigkeit knapp 0,2 m/s). Als Mittelwert der Geschwindigkeit ergibt sich hier 0,379 m/s für die schnelle Fahrt in brauchbarer Übereinstimmung mit den 0,356 m/s , die aus der Geradensteigung im s-t-Diagramm ermittelt wurden.

Vor der Aufnahme der Messungen wurden keine besonderen pflegenden Maßnahmen an Lok und Gleisen durchgeführt. Es wurden gebrauchte Gleise verwendet und auch die Lok war bestimmt länger als ein halbes Jahr nicht mehr in Betrieb gewesen.

Fazit:

Mit mehreren Lichtschrankenschienen und gebrauchten Spielzeugeisenbahnen ist die Erforschung der gleichförmigen Bewegung auch in einem Schülerpraktikum möglich. Lässt man die Lok mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fahren, so ist ein vertieftes Verständnis der gleichförmigen Bewegung möglich.
Die "Qualität" der erzielbaren Messergebnisse hängt ausschließlich davon ab, wie sauber die Lok läuft und wie gut die Kontaktgabe zwischen Schiene und Lok ist.
Sie können möglicherweise Netzgeräte aus der Sammlung verwenden und benötigen keine zur Eisenbahn gehörenden Spezialtransformatoren.