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- Kinderfachhochschule -
Themenübersicht 2. Schulhalbjahr 2011/2012
(April bis Juli 2012 – 12 Termine)
1. Kennenlernen und Sicherheit
2. Historie und Einführung zum Fahrrad (mit Fahrrädern)
3. Mechanik: Schaltung
4. Mechanik: 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
07.05.2012
http://mv.fhduesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/i_Fahrradphysik
- Kinderfachhochschule -
Frank Kameier
28.02.2011
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Versuchsaufbau
24 Zoll
Mountainbike
hydraulische Scheibenbremse
Wärmebildkamera
mechanische
Scheibenbremse
Rollentrainer
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik 13.2.11
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Beschreibung und Erklärung des Versuches
Durchführung:
-ein Kind sitzt auf dem Fahrrad und tritt in die Pedale
-die Wärmebildkamera wird auf die hintere Bremsscheibe gerichtet
-die hintere Bremse wird schleifen gelassen (das Kind merkt einen höheren Widerstand, da
durch die erhöhte Reibung mehr Kraft nötig ist)
-auf dem Bildschirm der Kamera färbt sich die Scheibe von grün über gelb/orange nach rot (sie
wird heißer -> durch Reibung entsteht Wärme)
Ziel:
-jedes Kind hat 20 Sekunden Zeit um die höchste Temperatur zu erreichen. Ob dies durch
schnelleres Treten oder stärkeres Bremsen erreicht wird, ist jedem Kind selbst überlassen.
-außerdem können die Kinder durch die verschiedenen verbauten Bremsen (vorne mechanisch
und hinten hydraulisch) am Bremshebel die unterschiedliche Reibung in den Leitungen spüren
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik 3.1.11
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Was ist Reibung?
Reibung ist die Hemmung einer Bewegung, die zwischen sich berührenden Festkörpern auftritt.
Art der Reibung
Erklärung
Beispiel
Haftreibung
tritt an den Flächen zwischen Körpern auf, die aufeinander
liegen
Buch liegt auf dem Tisch
(keine Bewegung = Haftung)
Gleitreibung
tritt an den Flächen zwischen Körpern auf, die sich
geradlinig zueinander bewegen
Schlitten fahren
(Bewegung = Gleiten)
Rollreibung
entsteht beim Rollen eines Körpers auf einer Unterlage
Reifen auf Straße
Bohrreibung
entsteht am Auflagepunkt eines sich um die vertikale Achse
drehenden Körpers auf einer Ebene
Feuer machen durch drehen
eines Stockes auf einem Brett
Seilreibung
beschreibt die Reibung eines um einen runden Körper
gelegten Seils
Seil um Poller
(z.B. bei einem Schiff)
Quellen: Bilder www.google.de Text www.wikipedia.de
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik 16.5.11
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wie und wodurch entsteht durch Reibung Wärme?
-Reibungsarbeit (Wr) ist eine Art der mechanischen Arbeit
-die bewegungshemmende Kraft ist die Reibungskraft (Fr=μ*Fn)
Daraus ergibt sich folgende Formel:
Wr=μ*Fn*s (Reibungsarbeit=Reibungszahl*Normalkraft*Strecke)
-Wird also einer der Faktoren kleiner, beim Bremsen zum Beispiel die Reibungszahl durch
Wasser oder Öl auf der Felge oder die Normalkraft durch weniger zu bremsendes Gewicht
oder weniger Geschwindigkeit, so wird die Reibungsarbeit kleiner.
-Beim Verrichten von Reibungsarbeit wird mechanische Energie in thermische Energie
umgewandelt. So entsteht bei Reibung bzw beim Bremsen Wärme.
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik, 1.2.11
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Bremstypen
Stempelbremse
Felgenbremse (V-Brake)
Rücktrittbremse
Felgenbremse (Cantilever)
Trommelbremse
Scheibenbremse
Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/Fahrradbremse, http://www.fahrradlexikon.de/bilder/Trommelbremsen.jpg,
http://good-times.webshots.com/photo/2648534640051848942GNUfgd
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik, 22.1.11
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Vor- und Nachteile verschiedener Bremstypen
Bremstyp
Vorteile
Nachteile
-Stempelbremse
-einfaches Prinzip
-der Reifen verschleißt
-Rücktrittbremse
-kein Verschleiß
-die Kurbel kann im Stand nicht bewegt
werden(z.B. beim Anfahren am Berg)
-benötigt Bremsmomentabstützung
-Felgenbremse
-günstig
-leicht
-schlechte Bremswirkung bei Nässe
-die Felge verschleißt und kann reißen
-Trommelbremse
-gute Bremswirkung bei Trockenheit
-schwer
-benötigt Bremsmomentabstützung
-Scheibenbremse
-sehr gute Bremswirkung bei jeder
Witterung
-gute Dosierbarkeit bei hydraulischen
Modellen
-teuer
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik 14.1.11
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Funktionsweise einer Trommelbremse
Trommelbremsen sind Radialbremsen, bei der zwei gewölbte Bremsbeläge von innen auf die sich drehende
Trommel gepresst werden.
Die Trommelbremse wird mechanisch oder hydraulisch betätigt. Bei der mechanischen Version erfolgt das
Anpressen der Bremsbeläge über einen Nocken- oder Spreizkeil. Bei der hydraulischen Version über einen
Radbremszylinder.
Trommelbremsen werden heutzutage meist nur noch an der Hinterachse schwach motorisierter Autos
eingesetzt. Bei Motorrädern und Fahrädern sind Trommelbremsen veraltet und durch Scheibenbremsen
ersetzt worden.
Bremse offen (Spalt
zwischen Bremsbelag
und Trommel)
Koschack, Martin
Bremse zu (kein Spalt
zwischen Bremsbelag
und Trommel)
Gruppe: Mechanik, 17.1.11
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Erklärungen
Fading: Als Fading bezeichnet man das Nachlassen der Bremswirkung, die durch Reibungswärme entsteht.
Außerdem bilden sich, bei hydraulischen Bremsen, Blasen im Öl, sodass der Druckpunkt am Bremshebel
wandert. Dies kann zu einem erheblich längeren Bremsweg führen. Man kann Fading verhindern indem man die
Bremse nicht schleifen lässt, sondern kurz und beherzt bremst.
Reibung in Leitungen: Bei mechanischen Bremsen ist die Reibungszahl des Bremszuges in der Außenhülle
merklich höher als die Reibungszahl zwischen Öl und Leitung bei hydraulischen Bremsen. Daher wird bei
hydraulischen Bremsen für die gleiche Bremswirkung weniger Handkraft benötigt. Mittlerweile werden
Bremszüge mit Teflon beschichtet, um die Reibungszahl zu senken. Außerdem sollten Bremszüge nie in kleinen
Radien verlegt werden, da dies zusätzlich die Reibung erhöht.
Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik, 20.1.11
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Koschack, Martin
Gruppe: Mechanik, 20.1.11
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Hydraulische Scheibenbremsen:
Man unterscheidet beim Arbeiten mit Druck zwischen zwei verschiedenen
Wirkprinzipien:
Hydraulik:
Pneumatik:
Medium: Öl
=> nicht kompressibel
=> Anwendung bei hohen Drücken
oder wenn präzise Bewegungen
erforderlich sind
Medium: Luft
=> kompressibel
=> Anwendung bei Drücken bis 10 bar
=> schlechter Wirkungsgrad
=> Beide dienen der Kraftübertragung
Druck = Kraft pro Fläche
=> Kraft = Druck x Fläche
=> große Kraft = große Fläche bei konst. Druck oder großer Druck bei konst. Fläche
Till Biedermann
Mechanik/Bremsen & Reibung
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- Kinderfachhochschule Bsp.: Druckversuch:
Man nehme einen Schwimmring und lege ein Brett darauf.
Eine Person stellt sich nun auf dieses Brett eine andere pumpt den Ring mit einer
Fußpumpe auf
=> relativ geringer Kraftaufwand, da große wirkende Fläche..
Wenn auf Kolben 1 eine Gewichtskraft
von 200 N wirkt, reicht bei Kolben 2
eine Kraft von 50 N aus, um das Ganze
in Ruhe zu halten.
Drückt man nun Kolben 2 um einen
gewissen Weg nach unten, so bewegt
sich Kolben 1 nur um ein Viertel
dieses Weges nach oben
www.educ.ethz.ch
Till Biedermann
Mechanik/Bremsen & Reibung
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Roboterarmexperiment:
Bei unserem Roboterarm kann man sehen wie ein hydraulisches System arbeitet und wozu
so etwas eingesetzt wird.
In diesem Fall sind die 6 Spritzen
unsere Zylinder. Durch das
reindrücken und herausziehen
der Kolben führt der Roboter
verschiedene Bewegungen
durch,wie z.B. öffnen und
schließen des Greifers,
schwenken des Kranbaumes um
die eigene Achse oder heben und
senken des Hauptarmes.
www.winklerschulbedarf.com
Till Biedermann
Mechanik/Bremsen & Reibung
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- Kinderfachhochschule Nicht jedes Fahrrad hat Scheibenbremsen und schon gar nicht auch noch hydraulische.
Was für Bremsen ein Fahrrad hat, hängt immer davon ab wofür es gebraucht wird.
Hollandräder haben ganz einfache Bremsen, da mit ihnen nicht so schnell gefahren wird.
Aber auch z.B. Rennräder haben keine Scheibenbremsen. Hier hängt es aber damit
zusammen, dass Rennräder so leicht sind, dass sie sich sofort überschlagen würden,
wenn man mit Scheibenbremsen bremsen würde.
Fahrräder, die fast immer Scheibenbremsen benutzen sind z.B Mountainbikes, aber auch
Motorräder und Autos benutzen diese Bremsen, da sie die stärksten sind.
www.online-fahrrad.de
www.rennrad-info.de
www.automobilsport.com
www.bbf-direkt.de
www.capital.de
Till Biedermann
Mechanik/Bremsen & Reibung
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- Kinderfachhochschule Durch ziehen an der Bremse
wird der Geber im Handgriff
betätigt und baut durch die
Bremsleitung Druck auf den
Kolben in der Bremszange an
der Bremsscheibe auf.
Die Bremszange schließt sich
um die Bremsscheibe und die
Bremsbeläge bremsen das
Rad.
www.bikestore.cc
2012
www.bike-components.de
Mechanik/Bremsen & Reibung
www.velotech.ch
www.kaskaderos.com
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Hydraulische Felgenbremse
Geber mit Ausgleichsbehälter
www.magura.de
2012
Mechanik/Bremsen & Reibung
Smolik, Kleine Fahrradtechnik, 2010
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- Kinderfachhochschule Hydraulik-Experiment mit 2 Spritzen:
Hub
H
Durchmesser
d
 D
Durchmesser
große Spritze
h
Hub
kleine Spritze
Mit Schlauch verbunden – gleiche Volumen bewegen sich von Spritze zu Spritze!
𝑉=
2012
Mechanik/Bremsen & Reibung
𝜋 𝑑2
h
4
𝑑2 h
𝜋 𝐷2
H
4
𝐷2 H
=
=
h=4 H
mit D=2 d
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