- Kinderfachhochschule - 1.Kennenlernen und Sicherheit 2.Historie und Einführung zum Fahrrad (mit...

- Kinderfachhochschule -

1. Kennenlernen und Sicherheit2. Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern)

3. Mechanik: Schaltung

4. Mechanik: Bremsen und Hydraulik

5. Mechanik: Federung und Kreisel (mit Fahrrädern)

6. Elektrizität und Optik

7. Akustik: Wind und Klingeltöne

8. Bewegung, Geschwindigkeit und Reaktion

9. Aerodynamik

10.Ernährung, Energie, Training, Ergometer

Frank Kameier http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2010/2011 (Mai bis Juli 2011 – 10 Termine)

09.03.2011


Mews, Max Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Quelle Bild: http://www.slogdesign.de/triabike/m.goehner.jpg

AerodynamikAerodynamik (von altgriechisch ἀήρ, Luft und δύναµις, Kraft) ist Teil der Fluiddynamik und beschreibt das Verhalten von Körpern in kompressiblen Fluiden (zum Beispiel Luft). Die Aerodynamik beschreibt die Kräfte, die es beispielsweise Flufzeugen ermöglichen, zu Fliegen oder Segelschiffen, sich mit Hilfe des Windes durchs Wasser zu bewegen.

Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/Aerodynamik#Anwendung



Quelle: http://www.yamaha-motor.de/designcafe/en/Images/5-2%202_4_PS_tcm71-237278.jpg


Zylinderumströmung

DcRe

Quelle: R.Feynman, Lectures on Physics, 1974


Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung

Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.


Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung

U68 km/h


Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz

Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,

d

uStf

Tacoma Narrows Bridge, 1940

s

m19c


Behinderung der Wirbelbildung

an der Blattspitze: Winglet gegen das Überströmen der Blattspitze.

am Turm: Spirale gegen die Bildung von Kármánschen Wirbelstrassen

Quelle: Mechanical Engineering, Vol.121, No.12, Dec 1999


Helmholtz-Resonator

Lips, Strömungsakustik(1997)

2/rlV

r

2

af

2

cAnström.

cAnström.

hohe Frequenz

tiefe Frequenz


Strukturschwingungen am Beispiel von Musikinstrumenten

Quelle: Macaulay, Ardley: Macaulay´s Mammut Buch der Technik, Nürnberg 1989.

Blockflöte

Klarinette

Oboe


Periodische Strömung in einer Flöte

Quelle: Science Times, 12/98


0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

moderate Auflösung und „schlechtes“ Netz

1,5 Millionen Elemente

Karman

ßeWirbelstra

f

c

strö

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Mod

e


• Strömungsinduzierte Schwingung mit Feed-Back-Loop



AnleitungZunächst wird die Kerze angezündet. Danach stellt man die Flasche vor die Kerze. Aus etwa 10 cm Entfernung wird nun gegen die Flasche gepustet.BeobachtungBei richtiger Entfernung und genügend starker "Puste" geht die Kerzenflamme sofort aus.ErklärungDie Luft teilt sich zwar und gleitet um beide Seiten der Flasche herum, aber sie trifft sich dahinter wieder. An diesem Punkt steht die Kerze deshalb direkt im Luftzug. Das ist übrigens auch der Grund, warum sich Bäume und Litfasssäulen schlecht als Windschutz eignen. Sie haben eine gute Stromlinienform. Die Luft strömt einfach um sie herum. Der Gegenversuch ist schnell gemacht: Der gleiche Versuch unter gleichen Bedingungen, nur anstelle der runden Sprudelflasche wird die eckige Saftkartonpackung verwendet. So sehr man sich auch anstrengen mag, der stärkste Wind bringt die Kerze nicht zum Erlöschen. Die geraden Flächen und Kanten der Saftpackung bremsen den Wind aus und machen ihn wirkungslos.

Quelle: http://www.kontexis.de/front_content.php?idart=1248


Mews, Max

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck

Bei den Gegenständen in der Strömung wird unterschieden zwischen Widerstandskörpern und Strömungskörpern. Bezugsfläche bei Widerstandskörpern für den Widerstandbeiwert ist immer die Stirnfläche quer zur Strömungsrichtung.

Quelle Bild: http://www.lifeinpictures.de/wp-content/gallery/longwaysouth/img_0033b.jpg

Quelle Bild: http://www.traumvelo.de/WCMS/content/images/df0105a5b2d60152429f1469b41c636c.jpg

Aerodynamik, 01.02.11 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik


Widerstand und Fläche

Gressmann, M., Fahrradphysik und Biomechanik, Bielefeld, 2009

http://de.wikipedia.org/wiki/Winddruck


Windschatten



Quelle Bild: http://www.dailysusan.com/wfdata/frame1209-1164/pressrel5_files/image002.jpg

In einer V-Formation kann jeder Vogel eine Verringerung des Luftwiederstandes und als Ergebnis eine Reichweitenerhöhung erreichen.

Quelle Text: http://de.wikipedia.org/wiki/V-Formation

Windrichtung



Quelle Bild: http://cdn.picapp.com/ftp/Images/9/d/6/6/Tour_de_France_7789.jpg?adImageId=1810404&imageId=5311943

Ähnlich wie die Zugvögel, nutzen Rennradfahrer das selbe Prinzip. Kraft sparen, indem man im Windschatten des Vordermann fährt und dadurch nicht gegen den Fahrtwind kämpfen muss. Durch das Rotieren der Positionen ist jeder mal der, der mehr bzw. weniger Arbeit leisten muss.

Quelle Bild: http://blog.funkygog.de/data/2010/01/Kraftwerk-Aerodynamik-MCD-Cover-Front.jpg

Belgischer Kreisel


Frank Kameier 18.12.2010 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Quelle: Gerthsen, Kneser, Vogel, Physik, Berlin 1977

Druck und Strömung


Auftrieb und Bernoulli-Gleichung

Quelle: WDR, Quarks, 6/1999, http://www.quarks.de/fliegen2/00.htm



Der Bernoulli-Effekt mit einem Fön und einem TischtennisballWir benutzen einen Tischtennisball oder einen ähnlichen kleinen Ball, der nur leicht genug sein muß. Vielleicht geht es auch mit einem aufgeblasenen Luftballon, einfach mal ausprobieren. Nicht geeignet sind schwere Gummibälle. Wir brauchen einen Fön, am besten einer, der auch auf "kalt" gestellt werden kann. Nach dem Einschalten des Föns wird er mit der Öffnung nach oben gehalten. Nun den Ball in den Luftstrom halten und loslassen. Der Ball wird im Luftstrom des Föns "gefangen" gehalten. Nicht nur, daß er stabil über dem Fön schwebt, man kann den Fön sogar leicht schräg stellen und der Ball wird dennoch im Luftstrom gehalten. Hier hilft uns der sogenannte Bernoulli-Effekt.Je schneller unsere Fönluft strömt, desto niedriger ist an dieser Stelle der Luftdruck. Das heißt, in der Mitte der Luftströmung des Föns herrscht der niedrigste Druck. Damit wird alles, was nicht niet- und nagelfest ist, in die Mitte der Strömung angesogen. Schwere Teile kann man damit nicht beeindrucken, aber ein leichter Tischtennisball tanzt bereitwillig in der Strömung.

Quelle: http://www.kids-and-science.de/experimente-fuer-kinder/detailansicht/datum/2009/08/10/der-bernoulli-effekt-mit-einem-foen-und-einem-tischtennisball.html



http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/c_veroeffentlichungen/stroemung_hoeren_und_sehen080305.pdf

Bernoulli-Effekt


Name, Vorname Gruppe, Datum http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

Coandă-Effekt

Mit dem Begriff Coandă-Effekt werden verschiedene, ursächlich nicht zusammenhängende Phänomene bezeichnet, die eine Tendenz eines Gasstrahls oder einer Flüssigkeitsströmung nahelegen, an einer konvexen Oberfläche „entlangzulaufen“, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Fließrichtung weiterzubewegen.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Coand%C4%83-Effekt



Quelle: Experimente mit Aha- Effekt! ZIRP-Zukunftsinitiative Rheinland-Pfalz, www.zirp.de

Coanda-Effekt

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Venturi-and-Coanda-effect-2.gif?uselang=de … le

ider eine

falsche Erklärung!


Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

http://portal.tugraz.at/portal/page/portal/Files/i5110/files/Forschung/Thermophysik/DA_Peter-Fleissner.pdf


Helm, Edmund Aerodynamik, 14.03.2011 Htttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

http://www.bwtw.de/bwtw/cms_de.nsf/%28$UNID%29/57E66ED22E774CE4C125737100369178/$File/Aerodynamik.pdf


Thorben Zielas Aerodynamik, 16.02.2011 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/fahrradphysik

• Mit dem Rücken zur Windmaschine stellen und eine Kerze in die Hand nehmen.

• Nun Umdrehen und beobachten was mit der Kerze passiert.

Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren)Experiment „Kerze“ (Windschatten selber erfahren)

• Die Kerze bleibt an, da der Wind den Körper nun Umströmen muss und es hinter dem Körper nun Windstill ist.

• Durch das Umdrehen wird die Kerze direkt dem Wind ausgesetzt und dieser bläst die Kerze nun aus.

© Thorben Zielas, Crevents GbR



Aerodynamik beim Fahrrad!Aerodynamik beim Fahrrad!

• Das Fahrrad • Die Kleidung

• Der Helm

www.myroadtokona.at

www.megabikes.de

www.velobiz.de



• Das Fahrrad an sich ist eines der Hauptbestandteile der Aerodynamik bei einem Fahrrad.

1. Der Rahmen wird so konstruiert, dass der Wind diesen möglichst Reibungsfrei umströmt.

2. Die Räder werden optimiert, indem die Speichen abgedeckt werden. Dadurch entstehen weniger Luft Verwirbelungen, welche die Aerodynamik verschlechtern würden.

3. Der Lenker und der Sitz werden so Konstruiert, dass eine Aerodynamische Sitzposition entsteht.

Das FahrradDas Fahrrad

1. Der Rahmen

2. Die Räder

3. Lenker und Sattel

1

2

3



• Der Helm ist ein weiterer Hauptbestandteil der Aerodynamik bei einem Fahrrad.

• Neben dem Sicherheitseffekt, wird der Fahrradhelm immer häufiger zur Verbesserung der Aerodynamik eingesetzt.

• Auf den normalen Helm-Aufbau, wird wie man auf dem Bild erkennen kann eine Aerodynamische Verkleidung montiert.

• Durch die besondere Tropfenform, wird die Aerodynamik des Helms und damit des ganzen Fahrrads optimiert.

Der HelmDer Helm 1

2

3



• Die Kleidung ist ein weiterer Hauptbestandteil der Aerodynamik bei einem Fahrrad.

• Neben der Funktion der Kleidung als solche (Schutz vor Kälte, Atmungsaktivität) wird auch die Kleidung immer häufiger aerodynamisch optimiert.

• Die Kleidung liegt sehr eng an der Haut an, damit keine Falten entstehen und somit eine glatte Fläche entsteht, welche verhindert, dass Luft-Verwirbelungen entstehen.

• Somit wird zusammen mit dem Helm der Fahrer selbst aerodynamisch Optimiert.

Die KleidungDie Kleidung 1

2

3



Experiment „Sitzposition“Experiment „Sitzposition“1

2

3Setzt euch auf ein Fahrrad und versucht die beiden angezeigten Sitzpositionen aus. Erklärt was euch bezüglich des Luftwiederstandes auffällt.

• Je mehr man aufrecht sitzt, umso mehr drückt der Wind gegen den Körper.

• Daraus können wir schließen, dass der Luftwiederstand sich erhöht.

• Denn je flacher die Sitzposition ist, umso besser kann die Luft um den Körper strömen.

© Thorben Zielas, Crevents GbR


real

optimal


(Wirbel)


real

optimal


Vergleich mit Kugelumströmung


aerodynamisch optimiert


http://www.triathlon.de/wp-content/uploads/2008/05/the-ultimate-bike-2.jpg


http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2010/0117/windschatten.jsp

Auch der Vordermann profitiert vom Windschattenfahren!

Windschatten


http://de.wikipedia.org/wiki/Windschatten

Belgischer KreiselWindschattenfahren


http://www.radsport-aktiv.de/freizeit/freizeitbericht_24.php


http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bundesarchiv_Bild_183-05597-0002,_G._Barandat,_M._Klieme.jpg&filetimestamp=20081203224333

Steherrennen


268 km/h, aus eigener Muskelkraft. Der Holländer Fred Rompelberg erreichte diese Spitzengeschwindigkeit mit dem Fahrrad – allerdings im Windschatten...

Geschwindigkeit = Weg pro Zeit [m/s]

Geschwindigkeitsrekorde


http://www.recumbents.com/wisil/whpsc2009/resultsmonday.htm

Liegefahrräder

… wenig Fläche zum Wind


http://www.fredrompelberg.com/de/html/algemeen/fredrompelberg/rekord.asp

Geschwindigkeitsrekord: 268,831 km/h.


Geschwindigkeitsrekorde


http://www.lustaufzukunft.de/pivit/aero/aerodynamik.html

Aerodynamik optimieren



Quelle: www.wikipedia.de

Beaufort-Skala und Windgeschwindigkeiten



Ein- und Ausströmvorgänge (Beispiel: Atmen)

aus: ANSYS Advantage, Volume II, Issue I, 2008

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