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Experimente mit der Wasserrakete
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Experimente mit der Wasserrakete
Aufgabe 1:Wasserraketen basteln
Bastle nach der Bauanleitung eine Wasserrakete (hier empfiehlt sich eine Teamarbeit
in Zweiergruppen).
Aufgabe 2: Bestimmung der Flughöhe einer Wasserrakete
Zur Durchführung der Messung sind drei, besser vier Personen notwendig:
zwei Personen für die Höhenmessung, eine Person für den Start der Rakete, evtl. eine Person
zum Ablesen des Startdrucks, für die Videoaufnahme und als Protokollführer.
Zusätzlich erforderlich:
DLR-Höhenmesser, Meterband, Tangenstabelle oder Taschenrechner, Notizblock und Stift.
Stationen:
• Raketenoperator: 1 Schüler für den Raketenstart
• Protokollführer: 1 Schüler für die Messwerterfassung
• Triangulations-Team: 2 Schüler zur Höhenbestimmung
Nach jedem Start sollte ein Wechsel der Stationen
dafür sorgen, dass alle Schüler mindestens
ein Mal die Höhenmessung, den Raketenstart
selbst und das Führen des Messprotokolls
durchgeführt haben. Dies gilt für alle nach-
folgenden Aufgaben.
Startvorgang:
Für den Start der Wasserrakete ist eine große
Freifläche mit ausreichendem Abstand zu Bäumen,
Stromleitungen usw. erforderlich. Nach dem
Aufstellen des Startstabes (siehe Bastelanleitung)
positionieren sich zwei Personen (eine Erhö-
hung der Personenzahl verbessert das Ergebnis)
in einer Entfernung „L“ von ca. 15-20 m vom L
H
α
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Startplatz. Sobald die Rakete mit Luft bedrückt wird und sich der Druck dem „kritischen“
Auslösebereich nähert, beginnt die Messgruppe „Triangulation“mit den DLR-Höhenmessern
(Seite 11) die Rakete anzupeilen. Nach dem Start der Rakete verfolgt die Messgruppe mittels
der Höhenmesser die Flugbahn und fixiert den Winkel am Apogäum, also dem oberen
Scheitelpunkt der Bahnkurve, durch das Festhalten des Fadens am DLR-Winkelmesser. Der
Protokollführer notiert die beiden gemessenen Winkel und berechnet die Steighöhe durch
Mittelung beider Werte.
Rechenaufgabe: Wie lässt sich aus dem Apogäumswinkel und der Entfernung des Höhen-
messers von der Startrampe die Steighöhe „H“ berechnen? Hinweis: Betrachte die Abbildung
Triangulation. Wie lautet die trigonometrische Formel?
Formel zur Berechnung der Höhe: H = ____________
Für die Bestimmung der Steighöhe kann ein Taschenrechner oder eine Tangenstabelle ge-
nutzt werden. Was ist bei der Messung zu berücksichtigen, um das Ergebnis nicht zu verfälschen?
Hinweis: Augenhöhe!
Tipp: Zur Ermittlung des Auslösedrucks wird die Rakete ohne Wasser bedrückt. Es ist darauf
zu achten, dass der Korken immer exakt bis zur makierten Stelle in den Flaschenhals eingedrückt
wird. Da das „Auslösen“ des Korkens sehr schnell und spontan erfolgt, sind zum Ablesen des
„kritischen“ Auslösedrucks am Manometer der Fahrradpumpe eventuell mehrere Wieder-
holungen nötig.
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Aufgabe 3: Bestimmung der Flughöhe bei unterschiedlichen Füllgraden der Wasserrakete
Bei dieser Aufgabe soll der Einfluss der Wassermenge auf die Steighöhe der Rakete ermittelt
und der optimale Füllgrad bestimmt werden.
Es wird wie in Aufgabe 2 vorgegangen. Beginnend mit einer Füllung von 1.25 Liter wird in
0.25-Liter-Schritten der Füllgrad reduziert, die Rakete gestartet und wie gehabt die Steighöhe
durch Mitteln der beiden gemessenen Maximalhöhen bestimmt. Die Werte werden in die
Tabelle eingetragen.
Raketenstart Füllung (l) Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe
1 1.25
2 1.0
3 0.75
4 0.5
5 0.25
6 0.125
7 0
Bei welchem Füllgrad ist die größte Steighöhe erreicht worden?
Die maximale Höhe wurde bei
Füllgrad = ____________ Liter erzielt
Versucht zu begründen, warum das so ist!
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Aufgabe 4: Bestimme den Einfluss der Raketenmasse auf die Flughöhe
Bei dieser Aufgabe wird die Rakete mit der optimalen Wasserfüllung betrieben und durch
Balast das Raketengewicht variiert. Wie ändert sich die Flughöhe der Rakete? Gehe hierzu vor
wie in Aufgabenstellung 2. Wiege zusätzlich die Rakete im unbefüllten Zustand. Befülle die
Rakete jedes Mal mit der optimalen Wassermenge und variiere das Leergewicht der Rakete in
50-Gramm-Schritten durch Zusatzbalast (z.B. Knete) in der Raketenspitze
Zusätzlich erforderlich: Waage (mindestens 5 Gramm Genauigkeit)
und 150 Gramm Balast z.B. aus Knete
RaketenstartZusatzbalast (Gramm)
Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe
1 0
2 50
3 100
4 150
Wie ändert sich die Flughöhe mit zunehmendem Balast?
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Aufgabe 5: Bestimme die Auswirkung der Luftreibung auf die Flughöhe
Fertige hierzu unterschiedliche Spitzen für die Rakete an wie z.B. Halbkreis, Kegel,
Kegelstumpf, Tropfenform (siehe Bastelanleitung zur Wasserrakete)
Zusätzlich erforderlich: Bastelpappe sowie Gewebe- und Isoband
zur Herstellung der Raketenspitzen
Raketenstart Raketenspitze Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe
1 Halbkreis
2 Kegel
3 Kegelstumpf
4 Tropfenform
Bei welcher Raketenspitze lässt sich die größte Höhe erreichen?
Welche Spitze ist am aerodynamischsten?
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Aufgabe 6: Videoanalyse
Zusätzlich erforderlich: Digitalkamera mit mind. 25 fps, Stativ, PC,
optional: VIANA und Konverterprogramm
Vorgehen wie in Aufgabe 2. Nun wird zusätzlich eine Digitalkamera – je nach Brennweite der
Kamera in geeigneter Entfernung zum Startplatz – auf einem Stativ montiert. Vorversuche erlauben
einen optimalen Bildausschnitt (Hochkant-Format) zu finden. Der Flug der Rakete wird als Clip
aufgenommen. Dies erfolgt mit Hilfe der Videofunktion der Digitalkamera.
Tipp: Optimal sind Kameras mit einem Wert ab 50 fps, also einer Zeitauflösung von 0,02 s in
der Videosequenz. Eine Bildrate von 25 fps liefert noch befriedigende Ergebnisse und sollte
möglichst nicht unterschritten werden. Für diese Aufgabe ist die Kenntnis der Bildrate unbe-
dingt notwendig.
Für die Analyse des Videofilms am PC wird ein Player mit Einzelbildauflösung benötigt, wie
dies z.B. der VLC Movieplayer besitzt. Durch Abspeichern der Bilder und anschließender Aus-
wertung der Steighöhe können mit einem Tabellenkalkulationsprogramm ein s-t-Diagramm,
v-t-Diagramm oder ein a-t-Diagramm erstellt werden. Die Auswertung der Bilder kann dabei
digital mit einem Grafikprogramm wie z.B. Gimp oder mittels Messschieber/Lineal anhand der
ausgedruckten Aufnahmen erfolgen. Ein zusätzlich bei der Startrampe justierter Meterstab
liefert das für die Analyse erforderliche Maßstabsverhältnis, wobei auch die Rakete als Orientierungs-
länge der Steighöhenauswertung gewählt werden kann. Eine sehr gute Alternative für die
Analyse bietet das frei verfügbare Videoanalyseprogramm VIANA [1], das eine automatische
Auswertung von Digitalvideos erlaubt und eine Datenübertragung in EXCEL ermöglicht.
[1]: Das Programm VIANA ist frei unter http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/ erhältlich
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Aufgaben:
Werte die Beschleunigungsphase der Rakete aus. Durch was wird dieser Zeitraum bestimmt?
Ermittle die maximale Geschwindigkeit einer Wasserrakete. Wann kann diese bestimmt werden
und welche Bilder sind hierzu erforderlich?
Wie kann aus der Maximalgeschwindigkeit auf die Maximalhöhe geschlossen werden?
Hinweis: Energieerhaltungssatz.
Vergleiche deinen theoretischen Wert mit den experimentell bestimmten Werten. Gibt es
Abweichungen? Warum ist das so? Hinweis: Hier hilft Aufgabe 5 weiter.
Variiere das Raketengewicht, Füllmenge oder die Raketenspitze. Wie ändern sich dadurch
die Maximalgeschwindigkeit und daraus die theoretische Maximalhöhe? Vergleiche mit den
vorausgegangenen Messungen. Was fällt dir hierbei auf? Was passiert, wenn du den Korken
weniger fest einpresst?
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Zusatzblatt Videoauswertung
• Starte den Videokonverter „Super“
• Ein Video zur Auswertung auswählen (evtl. schneiden) und mit der Maus
in den „Super“ Videokonverter verschieben
• Auf „Encode (Active Files)“ drücken und warten, bis das Video konvertiert ist. Das konvertierte
Video wird mit dem Zusatz .MOV in dem Ursprungsordner gespeichert
• Starte „Viana364.exe“
• Auf „Film laden“ klicken und den konvertierten Film auswählen
Den Bereich für die Auswertung festlegen
Bildrate einstellen
Wenn der Bereich für die Auswertung festgelegt ist und die Bildrate eingestellt ist, auf „Manuell“ klicken.
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Zur Videoauswertung:
Mit der linken Maustaste wird die Position auf dem Bildschirm gespeichert, mit der rechten
Maustaste kommt das nächste Bild. (Es muss nicht jedes Bild ausgewertet werden.)
Wenn genügend Messpunkte erfasst wurden, auf „Auswertung“ klicken.
So kann die Auswertung eines Wasserraketenflugs aussehen.
Die Länge der Rakete zum Kalibrieren der Strecken messen.
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Zusatzblatt Triangulation
Raketenstart Messpunkt 1 Messpunkt 2 Mittelwert Höhe
1
2
3
4
5
Formel zur Berechnung der Höhe: H =
Abstand Messpunkt 1: L1 =
Abstand Messpunkt 2: L2 =
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Durchführen der Triangulation:
Für die Höhenbestimmung sind nur Kenntnisse der ebenen Geometrie, genauer das Rechnen
im rechtwinkligem Dreieck notwendig.
Vorgehen: Eine Messgruppe „Triangulation“ (je mehr Personen messen, umso genauer wird
das Ergebnis) peilt mittels der angefertigten Winkelmesser (Vorlage auf Seite 12) die Flugbahn
der Rakete an. Hierzu muss sich die messende Person in einem bekannten Abstand zur Start-
rampe befinden. Diese Streckenlänge entspricht in einem Dreieck, in welchem der Boden mit
der (optimaler Weise) senkrechten Flugbahn der Rakete einen rechten Winkel bildet, der Ankathete.
Durch Nachverfolgen der Rakete und Fixieren des Winkel am Apogäum, dem oberen Umkehr-
punkt der Bahnkurve durch Festhalten des am Winkelmesser befestigten Fadens, erhält man
eine weitere Messgröße. Aus der Streckenlänge der Ankathete und dem Apogäumswinkel
lässt sich die Steighöhe nun berechnen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schüler ihre Augen-
höhe mit berücksichtigen, um das Ergebnis nicht zu verfälschen.
Die einzelnen Schritte:
1. Länge der Ankathete festlegen.
2. Der Flug der Rakete wird mit dem „Winkelmesser“ verfolgt. Im Umkehrpunkt (höchste
Steighöhe, Apogäum) wird der Winkel, durch Festhalten des Fadens am Winkelmesser fixiert,
abgelesen und notiert. Mehrere Personen bei der Messung verbessern das Ergebnis.
Bei der Höhenbesitmmung die Augenhöhe berücksichtigen.
3. Über die trigonometrische Definition des Tangens wird die Steighöhe (Gegenkathete in
einem rechtwinkligem Dreieck) der Rakete ermittelt.
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Zum Herstellen des DLR-Höhenmessers dieses Blatt auf festes Papier oder Fotokarton drucken.
Die Enden der kurzen Blattseiten bündig aufeinander legen und das Blatt an den beiden kurzen,
senkrechten Strichen zusammen tackern.
Darauf achten, dass das Papier dabei nicht geknickt wird, sondern sich am Ende mit den auf-
gedruckten Pfeilen eine Lasche bildet, durch die man später die fliegende Rakete anpeilen kann.
Am schwarzen Punkt einen ca. 15 cm langen Faden ankleben, der am freien Ende mit einer
M6-Mutter beschwert wird.
Die Richtung der Pfeile entspricht der Blickrichtung für das Anpeilen der Rakete.
hie
r Ta
cker
n
hie
r Ta
cker
n
hier Kleben
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HINWEIS
Die hier beschriebenen Mitmach-Experimente wurden sorgfältig ausgearbeitet. Sie können
jedoch auch bei ordnungsgemäßer Durchführung und Handhabung mit Gefahren verbunden
sein. Die hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente sind ausschließlich für den Einsatz im
Schulunterricht vorgesehen. Ihre Durchführung sollte in jedem Fall durch eine Lehrkraft
betreut werden. Die Richtlinien zur Sicherheit im Schulunterricht sind dabei einzuhalten.
Das DLR kann keine Garantie für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Durchführbarkeit der hier
beschriebenen Experimente geben. Das DLR übernimmt keine Haftung für Schäden, die bei
Durchführung der hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente entstehen.