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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Messung der Auftriebskraft und des Strömungswiderstandes von aerodynamischen
Modellen, mit der im naturwissenschaftlichen Unterricht die aeromechanischen
und aerodynamischen Vorgänge
demonstriert und Untersuchungen von Schülern durchgeführt werden
können.
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Nach der
DE 34 24 265 C2 ist eine
modular aufgebaute Einrichtung zur Durchführung aeromechanischer und
aerodynamischer Versuche bekannt, bei der ein Luftstromerzeuger über einen
Luftleittrichter mit Ständer,
einem geschlossenen Windkanal im quadratischen Querschnitt mit einem
Einlasstrichter mit Ständer
in Wirkverbindung steht. Die vier den Windkanal bildenden Wandteile
bestehen bis auf den Boden aus durchsichtigen Werkstoff. Auf seiner
oberen Wandseite ist der Windkanal mit einer Doppelschiene ausgerüstet, die
sich parallel zur Längsachse
des Windkanals und nahezu über
seine gesamte Längsausdehnung
erstreckt. Auf diesen Schienen gleitet oder rollt reibungsarm ein
Wagen, der sowohl die Halterung von Objekten im Luftstrom des Windkanals
als auch zur Halterung von Sonden und Messgeräten geeignet gestaltet ist.
Die Schienen der Wagen und ein Schlitz im oberen Wandteil sind von
einer Haube abgedeckt. Der Luftstrom im Windkanal übt auf das
Fahrzeugmodell eine seinem Luftwiderstand entsprechende Kraft aus.
Um diese Kraft demonstrieren und messen zu können ist auf der Oberseite
des Ständers
vom Einlasstrichter ein Kraftmesser angeordnet, der über einen
Seilzug mit dem Wagen in Wirkverbindung steht.
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Diese Einrichtung zur Durchführung aeromechanischer
und aerodynamischer Versuche ist sehr aufwändig, insbesondere beim Umrüsten für Messungen
des Strömungswiderstandes.
Aussagen zur Simulationen aller wichtigen Funktionen des Modells sind
nicht aufgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen einfachen, unaufwändigen
und kostengünstigen Bausatz
zu schaffen, mit dem mit nahezu gleichen Bauteilen entweder die
Auftriebskraft oder der Strömungswiderstand
von aerodynamischen Modellen gemessen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird das durch die in den Patentansprüchen 1 und
2 beschriebenen Merkmale erreicht. Die Ansprüche 3 bis 11 betreffen die
weitere Ausgestaltung der Einrichtung.
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Mit den Teilen eines einfachen und
modular gestalteten Bausatzes kann mit geringem Umrüstaufwand
entweder die Auftriebskraft oder der Strömungswiderstand von aerodynamischen
Modellen gemessen werden.
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Ein Hauptelement dazu ist eine mit
einer senkrechten Standsäule
versehenen Grundplatte, die ortsfest oder verfahrbar gestaltet werden
kann. Die Einfachheit der Lösung
wird neben der Anordnung des Hebels und des daran angeordneten aeorodynamischen
Modells auch durch die Ausbildung des Modells als stilisierten Vogelkörper erreicht.
Damit wird der Aufbau und Wirkungsweise der Einrichtung für die Schüler leicht
begreifbar. Folglich kann die Einrichtung didaktisch wirkungsvoller
eingesetzt werden.
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Durch die Gestaltung des Vogelkörpers mit einer Öffnung und
einem Klemmelement in der Körpermitte
und die Anordnung der Flügel
mit der Flügel aufnahmescheibe
können
die Flügel
in einem postiven und negativen Anstellwinkel eingestellt werden, wodurch
einfach eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichen Parameter
erfolgen kann.
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Durch die Ansteckbarkeit von Winglets
außenseitig
an die Flügel
kann deren Funktion den Betrachter der Messungen deutlich dargestellt
und erlebbar gestaltet werden.
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Genauso wird bei den Messungen die
Funktion der beweglichen Federreihe auf jedem Flügel bei großem Anstellwinkel der Flügel als
Rückstrombremse
erkennbar. Nur bei großem
Anstellwinkel der Flügel
stellt sich die bis dahin flach auf dem Flügel liegende Federreihe quasi
von allein auf und sichert eine laminare Strömung im Flügelvorderbereich.
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Die Erfindung wird nachstehend an
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die
zugehörigen Zeichnungen
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Messung der Auftriebskraft
von aerodynamischen Modellen
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2:
eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Messung des Strömungswiderstandes
von aerodynamischen Modellen
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3:
eine schematische Darstellung eines Vogelkörpers
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4:
Flügelausschnitt
in Draufsicht
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5:
Wingletdarstellung in Draufsicht
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Die Einrichtung zur Messung der Auftriebskraft
und des Strömungswiderstandes
von aerodynamischen Modellen 9 ist modular als ein Baukasten ausgestaltet.
Dabei kann entweder eine Messung der Auftriebskraft oder des Strömungswiderstandes durchgeführt werden,
wobei eine hohe Wiederverwendung der Bauteile angestrebt ist.
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Bei der Einrichtung zur Messung der
Auftriebskraft von aerodynamischen Modellen 9 trägt eine
ortsfeste Grundplatte 1 eine senkrechte Standsäule 2,
an deren oberen Ende ein Hebel 3 beweglich gelagert ist.
Das Ende des kürzeren
Hebelarms 3a ist über
eine senkrecht angeordnete Lasche 23 mit einem zum Hebelarm 3a analog
angeordneten, unteren einseitiigen Hebel 22 verbunden.
Die Lasche 23 trägt
vorzugsweise am oberen Ende über
einen Haltestab 25 das Modell 9. Durch diese Anordnung
von Hebelarm 3a, Lasche 23 und Hebel 22 bleibt
auch bei Höhenänderung
des Modells 9 infolge Luftstromeinwirkung die eingestellte
horizontale Lage des Modells 9 unverändert. Das Ende des längeren Hebelarms 3b ist über ein
Verbindungsstück 19 mit
einem Federkraftmesser 5 verbunden, der senktrecht an einem
ortsfesten Ständer 6 befestigt
ist. Auf dem längeren
Hebelarms 3b ist ein verstell- und arretierbares Tarriergewicht 4 gelagert,
um vor Messbeginn den Federkraftmesser 5 in Nullstellung
einstellen zu können.
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Das aerodynamische Modell 9 besteht
aus einem stilisierten Vogelkörper 10 mit
einer Öffnung 12 in
der annähernden
Körpermitte.
Diese Öffnung 12 nimmt
eine die Flügel 17 tragende
Flügelaufnahmescheibe 15 auf.
Am Umfang der Öffnung 12 ist eine
Skala 16 zum Einstellung des Anstellwinkels der Flügel 17 angeordnet.
Der obere Teil des Vogelkörpers 10 über der Öffnung 12 ist
als ein herausnehmbares und mit Bohrungen 21 versehenes
Klemmelement 11 ausgebildet. Zur Aufnahme des Klemmelements 11 im
Unterteil des Vogelkörpers 10 sind
in dessen Aussparung Aufnahmestifte 13 angeordnet, die über die
im Klemmelement 11 eingebrachten Bohrungen 21 das
Klemmelement 11 formschlüssig im Vogelkörper aufnehmen.
Das Klemmelement 11 arretiert durch Anziehen der mit den
Aufnahmestiften 13 in Wirkverbindung stehenden Feststellelementen 14 die
Flügelaufnahmescheibe 15 im
Vogelkörper 10. Weiterhin
weist jeder Flügel 17 Bohrungen 24 auf,
die die Flügelaufnahmestifte 18 zur
Verbindung der beiden Flügel 17 mit
der Flügelaufnahmescheibe 15 aufnehmen.
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Aus Gründen des Baukastencharakters
der Einrichtung ist die Grundplatte 1 mit Rädern 7 versehen.
Die Ortsfestigkeit der Grundplatte 1 wird durch Vorlegen
von Klemmkeilen 20 vor die Räder 7 erreicht. Selbsverständlich können diese
Räder 7 auch abgebaut
werden, um eine ortsfeste Grundplatte 1 mittels Eigengewicht
in der Einrichtung einzusetzen.
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Zusätzlich kann an jedem Flügel 17 außenseitig
ein Winglet 26 angeordnet werden. Dazu weist jeder Flügel 17 außenseitig
Aufnahmebohrungen 28 auf, in die über im Winglet 26 angeordnete
Verbindungsstifte 27 das Winglet 26 an den Flügel 17 ansteckbar
ist.
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Weiterhin kann horizontal auf jedem
Flügel 17 quer
zur Luftströmungsrichtung
mindestens eine bewegliche Federreihe (29) angeordnet sein.
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Beim Aufbau der Vorrichtung in vorgenannter
Ausbildung aus dem Baukasten werden die Flügel 17 in einem gewünschten
Profil mit dem Vogelkörper 10 verbunden
und in einem gewünschten
positiven oder negativen Anstellwinkel arretiert. Zur Versuchsdurchführung wird
mittels eines nicht dargestellten Erzeugers ein gerichteter Luftstrom
erzeugt, der auf das Modell 9, also auf den Vogelkörper 10 mit
den Flügeln 17 einwirkt.
Der Luftstrom erzeugt jetzt in Abhängigkeit von seiner Intensität und dem
Anstellwinkel der Flügel 17 eine
Veränderung
der vertikalen Lage des Modells 9. Dadurch wird eine Schwenkbewegung
des Hebels 3 nach unten erzeugt, wodurch der Federkraftmesser 5 in
Zugrichtung belastet wird und die Auftriebskraft anzeigt.
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In weiteren Versuchsdurchführungen
kann die Strömungsgeschwindigkeit
vom Luftstrom verändert
werden, um damit Lernenden die Abhängigkeiten der Parameter zueinander
erläutern
zu können. Ebenfalls
kann in weiteren Versuchen der Anstellwinkel der Flügel 17 oder
der Anstellwinkel der Flügel 17 und
die die Strömungsgeschwindigkeit
vom Luftstrom variiert werden, um weitere Abhängigkeiten der Parameter zueinander
darzustellen.
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Zusätzlich können die Flügel 17 mit so genannten
Winglets 26, die aufgefächerte
Flügelspitzen darstellen,
versehen werden.
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Separat zu den Versuchen mit den
Winglets 26 oder zusammen mit den Winglets 26 können die Federreihen 29 auf
den Flügeln 17 eingesetzt
werden, um deren Rückstrombremse
darzustellen. Dabei wird sichtbar, dass der Luftstrom bei großem positiven
Anstellwinkel der Flügel 17 die
bisher auf den Flügeln 17 aufliegenden
Federreihen 29 anhebt, wodurch eine laminare Strömung im
größten Teil
des vorderen Flügels 17 gesichert
wird.
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Zur Messung des Strömungswiderstandes von
aerodynamischen Modellen 9 kann die zuvor darstellte Einrichtung
umgebaut werden. Dazu wird, wie in 2 gezeigt,
der Federkraftmesser 5 vom Hebelarm 3b getrennt
und am Ständer 6 waagerecht und
druckbeaufschlagbar positioniert. Die Standsäule 2 der vertahrbahre
Grundplatte 1 wird jetzt über eine starre Stange 8 mit
dem Federkraftmesser 5, so dass die Beaufschlagung in Druckrichtung
erfolgen kann. Zum Erreichen der Verfahrbarkeit der Grundplatte 1 werden
die Klemmkeile 20 entfernt.
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Da bei dieser Einrichtung der Hebel 3 unbeweglich
und vorzugsweise waagerecht angeordnet sein muss, wird dies aus
Gründen
des Baukastens mit dem Tarriergewicht 4 erreicht, in dem
dieses bis zum Anschlag an die Standsäule 2 geschoben und arretiert
wird. Damit ist die Unbeweglichkeit des Hebels 3 erreicht.
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Selbstverständlich kann der Versuchsaufbau bei
gleicher Wirkung weiter umgebaut werden, in dem der Hebel 3 mit
dem Tarriergewicht 4 und die Lasche 23 von der
Einrichtung entfernt werden und anstelle des Hebelarms 3a der
Hebel 22 fest mit der Standsäule 2 verbunden ist.
Am äußeren Ende
vom Hebel 22 ist dann über
den Haltestab 25 das Modell 9 angeordnet.
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Die Versuchsdurchführungen
und Variierungen für
den Strömungswiderstand
erfolgen identisch der Darstellung zur Messung der Auftriebskraft.
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Zur Versuchsdurchführung selbst
wird ebenfalls mittels eines nicht dargestellten Erzeugers ein gerichteter
Luftstrom auf das Modell 9 erzeugt. Der Luftstrom erzeugt
jetzt in Abhängigkeit
von seiner Intensität
oder/und dem Anstellwinkel der Flügel 17 eine Veränderung
der horizontalen Lage des Modells 9, indem die Grundplatte 1 in
Richtung des Federkraftmessers 5 verfährt und diesen aus der Nullposition
in Druckrichtung belastet. Dadurch zeigt der Federkraftmessers 5 den
im Versuch vorhandenen Strömungswiderstand
an.
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- 1
- Grundplatte
- 2
- Standsäule
- 3
- Hebel
- 3a
- Hebelarm
- 3b
- Hebelarm
- 4
- Arretierbares
Tarriergewicht (Klemmelement)
- 5
- Federkraftmesser
- 6
- Ständer
- 7
- Räder
- 8
- Stange
- 9
- Aerodynamisches
Modell
- 10
- Vogelkörper
- 11
- Klemmelement
- 12
- Öffnung
- 13
- Aufnahmestift
- 14
- Feststellelement
- 15
- Flügelaufnahmescheibe
- 16
- Skala
- 17
- Flügel
- 18
- Flügelaufnahmestift
- 19
- Verbindungsstück
- 20
- Klemmkeil
- 21
- Bohrung
- 22
- Hebel
- 23
- Lasche
- 24
- Bohrung
- 25
- Haltestab
- 26
- Winglet
- 27
- Verbindungsstift
- 28
- Aufnahmebohrung
- 29
- Federreihe