1. Für diese Luftdruck-Bazooka werden folgende Teile benötigt:

• ein 11 cm PVC-Rohr mit ca. 1 m Länge + Abschlussstopfen aus dem Baumarkt
• ein dünnes PVC-Rohr mit 14 mm Innendurchmesser passend als Lauf für die Nerf-Patrone
• Nerf-Patronen
• ein 12V Magnetventil
• eine etwas stärkere Limonadenflasche
• ein Fahrradventil
• eine Fahrradpumpe
• Gardena-Adapter
• einen Gardena-Adapter mit Gewinde für PET-Flaschen
• Plastikschlauch (z.B. Gardena 13×3 mm)
• Schlauchschellen zum Fixieren des Plastikschlauchs
• Rohrschellen zum Fixieren der Pumpe am PVC-Rohr
• Elektronik für die Ansteuerung des Magnetventils (siehe Schaltplan)
• einen 12V-Akku (Liion oder Lipo)

Zum Ablauf beim Schuss: Zuerst lädt man durch Tastendruck (ca. 3 Sekunden reichen) den 470 µF/40 V Kondensator auf 30 V auf. Erst danach betätigt man den Taster für den Schuss.

---

Überdruckschussapparat 1

Ich habe auch noch ein weiteres „Luftdruckgewehr“ für das Physiklabor gebastelt. Dieses besteht aus Installationsmaterial vom Baumarkt und einer 2 Liter PET-Flasche:

Damit feuere ich aufs ballistische Pendel zur Bestimmung der Projektilgeschwindigkeit bzw. -energie. Da mir die Plastikflasche allerdings etwas zu unsicher und der Durchmesser des Laufs zu groß war, habe ich eine neue Variante mit einem Metallbehälter und einem kleineren Lauf umgesetzt. Die meisten dafür benötigten Teile habe ich auf TEMU und Aliexpress bestellt:

Als Luftreservoire kommt eine CO2-Flasche von Sodastream zum Einsatz. Diese ist eigentlich für Drücke um die 50 bar ausgelegt, also mehr als ausreichend für mein Vorhaben.

Das Ventil lässt sich zum Glück ohne Probleme abschrauben. Bitte aber immer davor darauf achten, dass sich in der Flasche kein Druck mehr befindet!

Das originale Ventil besitzt ein M18 x 1.5 mm Gewinde:

Auf Amazon erhält man einen entsprechenden Adapter auf 10 mm Schlauchtülle:

Ich habe vor, die Flasche auf max. 15 bar aufzupumpen. Auf willhaben bin ich auf eine gebrauchte SKS-Fahrradpumpe für Drücke bis 16 bar gestoßen, ideal für meine Bedürfnisse:

In letzter Zeit habe ich ein wenig Pech mit meinen Gebrauchtkäufen. Bei der Pumpe hatte der obere Abschlussring leider einen großen Riss. Da hilft nur 2-Komponentenkleber 😉

Die Skala geht schon einmal bis 16 bar:

So soll der fertige Apparat aussehen:

Ich weise nochmals ausdrücklich auf die Gefährlichkeit eines solchen Apparats hin! Bei mir kommt er ausschließlich für das Experiment „Ballistisches Pendel“ zum Einsatz und wird nur von mir persönlich für diesen Zweck betrieben! Ich übernehme keine Haftung für Schäden, welche durch das Nachbauen des Apparats entstehen sollten…

Das Fahrradventil vom Typ Schrader/Auto hatte ich noch in meinem Fundus:

Inzwischen sind die TEMU-Teile für den Luftdruckschussapparat eingetroffen:

Leider stellte sich heraus, dass die 8 mm Kugeln nicht in den Messinglauf passten. Eine Messung mit der Schiebelehre gab Aufschluss…

Also musste ich mich im Internet nach ein wenig kleineren Kugeln umschauen. Bei einer Firma aus Wien wurde ich fündig und bestellte 1 kg 7.6 mm Kugeln:

Hier das 1/2″ Messing-T-Stück mit zwei männlichen und einem weiblichen Anschluss:

Meine Küche musste wieder einmal als Werkstatt herhalten:

Schönheitswettbewerb gewinne ich mit meinen Lötstellen wohl nicht…

Damit die Kugeln hinten nicht aus dem Lauf fallen können:

Den Gewebeschlauch inklusive der Rohrschellen habe ich bei Hellweg günstig (3.6 Euro/m) gekauft:

Der burst-pressure liegt bei 60 bar, also doch deutlich über meinem Arbeitsdruck.

Der Schlauch und dessen Fixierung ist wohl die schwächste Stelle meines Aufbaus. Hoffentlich hält sie den 16 bar stand…

Mittlerweile ist der Schlauchadapter für die CO2-Flasche angekommen, eigentlich das letzte noch ausständige Teil:

Das Gewinde des Messingadapters musste ich kräftig mit Teflonband einwickeln, um es dicht zu bekommen. Den Gummiring konnte ich leider nicht gebrauchen, da der Messingadapter im Anschluss ans Gewinde nicht weit genug über den Gummiring hinausragt und ihn somit auch nicht quetschen kann.

Leider zeigte sich, dass auch mein eingelötetes Autoventil undicht ist. Ab ca. 6 bar dringt Luft nicht durch die Lötstellen aber durchs Ventil selbst nach außen, schöner Schmarrn 🙁

Auch das zweite Autoventil war leider undicht und so musste ich mir etwas anderes einfallen lassen. Zum Glück habe ich ja etliche Fahrradschläuche in meiner Wohnung (Anm.: Besitze ja kein Auto, dafür 7 Fahrräder). Die Wahl fiel auf ein Sclaverandventil mit Gewinde:

Dieses mal löte ich das Ventil nicht in die 1/2-Zoll-Messingkappe, sondern führe es einfach nur durch ein Loch. Innen verwende ich den kreisförmig zurechtgeschnittenen Gummi des Fahrradschlauchs in Kombination mit einem 1/2″-Dichtring zur Abdichtung. Das klappt gut…

Wie zu befürchten war, ist der mit Schlauchklemmen fixierte Gewebeschlauch nun undicht. Also bewickelte ich die Schlauchtüllen wieder ordentlich mit Teflonband (Anm.: Gegebenenfalls werde ich es auch noch mit mehreren Lagen Schrumpfschlauch probieren) und verwendete insgesamt 3 Schlauchklemmen:

Danach pumpte ich die CO2-Flasche auf  ca. 6-8 bar auf und drückte den ganzen Apparat unter Wasser. Zu meiner Freude waren keine Luftblasen mehr zu erkennen. Das nächste Unheil wartete aber nicht lange auf sich. Ich stellte nämlich fest, dass mein gebraucht gekaufter SKS-Rennkompressor bei ca. 8 bar Druck am Kopf undicht wurde. Scheinbar sind die Gummis im Kopf bereits zu ausgeleiert und dichten nicht mehr ausreichend ab. Daher musste ich noch einmal ins Geldtascherl greifen und eine weitere Amazon-Bestellung tätigen:

Einen neuen Pumpkopf habe ich dann auch gleich mitbestellt, man weiß ja nie:

Und damit ich die 1/2″-Messingteile auch gut und dicht festschrauben kann, ist nun ein zweiter Rollgabelschlüssel auf dem Weg zu mir. Damit kann ich beim Festschrauben ordentlich und kraftvoll kontern.

Während ich auf die Amazonlieferung warte habe ich den Apparat einmal mit meiner anderen Fahrradpumpe auf ca. 8 bar aufgepumpt. Dabei zeigte sich, dass nun der female-Ausgang des T-Stücks undicht ist. Ich habe das T-Stück in dem Glauben bestellt, dass dieser female-Ausgang eine Einheit mit dem T-Stück bildet. Dem ist aber nicht so, denn der female-Ausgang ist drehbar. Dadurch handel ich mir eine weitere Schwachstelle ein, was ich aber tunlichst vermeiden möchte. Daher gleich noch ein T-Stück mit 3 male-Ausgängen bestellt, einen 1/2″-female-Schlauchadapter und noch weitere 1/2″ Gummidichtungen.  Ich hoffe jetzt inständig, dass es dies mit den Bestellungen nun war. In Summe habe ich jetzt nämlich schon 170 Euro ausgegeben. Viel mehr als eigentlich geplant war…

Hier die teure Einkaufsliste, obwohl ich anmerken muss, dass ich jetzt etliche der Teile mehrfach habe:

So, die Amazon-Bestellung ist eingetroffen und die Teile bereits verbaut:

Am T-Stück befinden sich jetzt keine beweglichen Anschlüsse mehr:

Schlauchschellen und Gummidichtungen dürfte ich einstweilen genug haben 😉

Zum Festschrauben habe ich mir wie schon erwähnt noch einen verstellbaren Gabelschlüssel bestellt:

Die Gummieinsätze für meine SKS-Rennkompressorpumpe passen auch:

Der hoffentlich wirklich fertige Aufbau:

Um den Apparat auf Dichtheit zu prüfen habe ich ihn unters Wasser gehalten:

Zu meiner Freude waren keine Bläschen zu sehen…

Damit konnten die ersten Test starten. Zunächst will ich die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit vom Druck p ermitteln. Dazu habe ich mir eine einfache Lichtschranke bestehend aus zwei 5V/5 mW Lasermodulen und zwei schnellen Photodioden SFH203 gelötet:

Ein erster Test mit meinem Finger verlief erfolgreich:

Damit wirklich jeder Schuss die Lichtschranken unterbricht, habe ich meine Platine direkt am Lauf montiert. In diesen habe ich zwei Durchgänge im Abstand von d = 3 cm gebohrt:

Der gesamte Messaufbau inkl. Oszilloskop:

Als Kugelfang diente mein Schlafpolster. Dieser litt ein wenig unter dem Beschuß 😉

Die Messreihe:

Von den Ergebnissen war ich dann doch ein wenig enttäuscht. Bei 12 bar Überdruck beträgt die Mündungsgeschwindigkeit gerade einmal 78 m/s. Da hätte ich eigentlich mit mehr gerechnet. Höher wollte ich dann aber mit dem Druck nicht gehen. Habe sowieso einen großen Respekt vor unter Druck stehenden Apparaten…

Eine kleine Rechnung:

Um die Energien zu bestimmen, benötigte ich natürlich die Masse einer Kugel. Diese betrug rund 1.8 g.

Die Graphen v(p) und E(p):

Wie man sieht, nähert man sich bei 12 bar bereits ziemlich dem oberen Grenzwert für die erzielbare Geschwindigkeit/Energie. Letztere beträgt maximal 5.5 J, was die Gefährlichkeit meines Apparats doch ein wenig relativiert. Ich weise aber nochmals ausdrücklich auf die Gefahr beim Betrieb hin. Der Aufbau sollte ausschließlich von Erwachsenen/Lehrern für ausgesuchte Experimente (z.B. ballistisches Pendel) bedient werden! Ich übernehme keinerlei Haftung bei Nachahmungen…

Um aber die Wucht des Apparats zu demonstrieren noch ein abschließendes Experiment, für welches eine Bierdose geopfert werden musste:

 

Glatter Durchschuss, also bitte unbedingt äußerste Vorsicht!

Kleiner Nachtrag: Den Schuss habe ich auch noch mit meiner Casio Exilim high speed Kamera aufgenommen und zwar mit 1000 fps. Im Video war aber nur ein sehr schnell vorbeihuschender dunkler Schatten erkennbar. Bei 70 m/s legt die Kugel immerhin 7 cm/ms zurück…

 

---

Überdruckschussapparat 2

Für meine High-speed-Aufnahmen habe ich mir ja schon vor ca. 20 Jahren einen kleinen Schussapparat gebastelt, siehe https://stoppi-homemade-physics.de/high-speed-photographie/.

Dieser verwendete ein 40 bar Magnetventil von der Firma Rapa und eine CO2-Fahrradpumpe von SKS (siehe oranges Teil in den obigen Abbildungen) zum Laden der Druckkammer. Leider bewirkt aber die adiabatische Expansion eine starke Temperaturabnahme und diese wiederum tat den Gummidichtungen nicht gut. Deshalb gab es beim Laden immer undichte Stellen und die Kammer verlor relativ rasch an Druck.

Deshalb habe ich den Apparat umgebaut und anstelle der CO2-Kapseln verwende ich nun eine MTB-Dämpferpumpe, um die Kammer manuell auf ca. 21 bar zu laden:

Die Metallteile hatte ich mir damals drehen lassen. Der Lauf ist für Diabolo-Projektile aus Blei ausgelegt:

Ein einzelnes Geschoss wiegt m = 0.516 g. Diesen Wert benötige ich dann noch nachher für die Berechnung der kinetischen Energie.

Bei all meinen Schussapparaten möchte ich natürlich auch die Geschoßgeschwindigkeit v bestimmen. Normalerweise verwende ich dafür eine Videoanalyse oder meine Lasergeschwindigkeitsmesser bestehend aus 2 Laserlichtschranken. Dieses Mal möchte ich es anders machen. Und zwar beleuchte ich den Apparat bzw. die Flugkurve mit einem stärkeren Laser. Diesen Laser betreibe ich aber nicht kontinuierlich, sondern gepulst zum Beispiel mit einer Frequenz f = 1 kHz und einer Pulsbreite von 50%, dann beträgt die on-time genau 500 µs. Mit einem Smartphone nehme ich dann den Schuss in einem dunklen Raum für ca. 5 sek auf. Innerhalb dieser Zeit wird das Projektil abgefeuert und sollte, wenn alles gut geht, eine strichlierte Bahn auf der Langzeitbelichtung erzeugen.

Zur Pulsweitenmodulation (PWM) des Lasers verwende ich ausnahmsweise ein kommerzielles Modul, welches man schon für rund 10 Euro bekommt. Auf dem kleinen Display wird dann die Frequenz f und der Tastgrad in % angezeigt, sehr praktisch:

Gleich einmal das PWM-Signal mit dem Oszilloskop überprüft:

Der simple Lasertreiber besteht nur aus einem Logik-level-Mosfet IRL510, einer simplen Gateansteuerung bestehend aus 2 Widerständen und dann die Laserdiode selbst mit einem Vorwiderstand, konkret 47 Ohm. Mit diesem Vorwiderstand muss dann die Versorgungsspannung ca. 9–10 V betragen, um einen Strom durch die Laserdiode von ca. 150 mA zu garantieren.

Um die Schaltung zu testen habe ich das gepulste Laserlicht mit meinem schnellen Lichtdetektor erfasst:

Herzstück des Lichtdetektors ist die sehr schnelle Photodiode SFH203, welche bei meinen Projekten oft zum Einsatz kommt:

Mit dem erfassten Lichtsignal war ich sehr zufrieden:

Die Anstiegszeit der Lichtpulse beträgt lediglich 1.8 µs:

Mit dieser Geschwindigkeit-Messmethode ist es mir auch möglich, die Projektilgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Flugzeit zu ermitteln. Dazu muss ich nur die Länge der einzelnen Striche zum Beispiel mit der Software Tracker auswerten. Nach jeweils 1 ms beginnt ja immer ein neuer Strich und kenne ich die Länge der einzelnen Striche, so kenne ich die Geschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit t. Diese sollte aufgrund der Luftreibung natürlich abnehmen. Mal schauen, ob das Experiment so funktioniert wie ich es mir ausdenke.

So, mittlerweile habe ich einen ersten Test bei mir in der Küche durchgeführt. Die verwendete Laserdiode besitzt eine Leistung von 120 mW, ist also nicht gerade die schwächste. Dennoch war auf den ersten Bildern eigentlich keine strichlierte Linie zu sehen. Ich habe daher das Lasermodul mit einem Linienaufsatz versehen und die Linie nur ein wenig aufgefächert. Jetzt strahlt die Laserdiode nicht mehr in einen großen Raumwinkel ab und die Intensität im Bereich der Projektilbahn nimmt stark zu.

Die Laserdiode lasse ich von oben auf die Flugbahn strahlen, weil bei horizontaler Ausrichtung die Holzleiste meines Küchentisches genau hell bestrahlt wird und diese dann das Projektil total überstrahlt.

Aber selbst bei dieser Ausrichtung des Lasers erstrahlt die Tischleiste sehr hell genau in der Höhe der Flugbahn. Auf den ersten Aufnahmen war daher leider nichts zu sehen:

Ich dunkelte daher die Holzleiste mit schwarzen Moosgummi ab. Erst danach war eine sehr schwache strichlierte Bahn zu erkennen:

Nach etwas Bildbearbeitung mit GIMP sah dann das Ergebnis so aus:

Damit konnte ich schon etwas anfangen, wobei ich zur Bildauswertung mit der Software TRACKER aber noch eine bekannte Strecke benötigte. Der Durchmesser des Laufs beträgt genau 28 mm.

Mit dieser Strecke kalibrierte ich dann das Bild in der Software:

Die Festlegung des Koordinatenursprungs genau am Ende des ersten sichtbaren Strichs:

Danach musste ich mit der Maus einfach nur die Start- und Endpunkte der Striche abfahren und die links unten angezeigten x-Positionen ablesen. Jeder weitere Punkt stellt ja die Position x nach weiteren 500 µs dar. Zum Schluss zeichnete ich den Graphen x = x(t) mit EXCEL:

Ich erhielt eine schöne Gerade was bedeutet, dass die Geschwindigkeit v während dieser kurzen Messstrecke nahezu konstant war. Die Geradensteigung k, also die Geschwindigkeit v, beträgt konkret 50 m/s = 180 km/h.

Bei einer Projektilmasse von m = 0.516 g ergibt dies eine kinetische Energie E_kin = 1/2 · m · v² = 0.645 J, also nicht gerade umwerfend. Aber mir ging es bei diesem Experiment eher um die neue Art der Geschwindigkeitsbestimmung.

Da aber wie gesagt die Holzleiste des Tisches selbst mit Moosgummi bei der Aufnahme der Bahnkurve sehr störte, werde ich den Versuch noch einmal wiederholen. Erstens beleuchte ich dieses Mal die Flugbahn horizontal um eine stärkere Reflexion zu erhalten und zweitens wird sich 2–3 m hinter der Flugbahn außer Luft nichts befinden, was eine störende Aufhellung des Bildes und somit Überstrahlung der strichlierten Linie bewirken könnte.

So, gesagt getan. Habe heute das Experiment noch einmal durchgeführt aber dieses Mal mit einem deutlich stärkeren Laser (450 nm, 2 W) und ohne störende Objekte hinter der Flugbahn. Den Laser habe ich unterhalb der Kamera postiert und leicht nach oben geneigt, das Smartphone selbst blickte ein wenig nach unten. Hinter die Flugbahn gab ich noch schwarzen Moosgummi, damit der Kontrast weiter gesteigert wird…

Im Datenblatt wird eine Stromstärke von 1.1 A empfohlen. Diese erzielte ich mit einem 3 Ohm Vorwiderstand bei rund 8 V. Daher versorgte ich meinen Mosfet-Lasertreiber genau mit dieser Spannung.

Die Strahlform der blauen Laserdiode war auch ohne Linse ideal für dieses Experiment, nämlich eine Art flaches Rechteck:

Der gesamte Aufbau am Küchenboden:

Als Kugelfang musste mein Sofapolster herhalten 😉

Den Laser richtete ich so aus, dass der rechteckige Lichtkegel genau die Flugbahn beleuchtete. Hook und Finn McMissile von Cars verfolgten im Hintergrund das ganze Experiment mit Spannung 🙂

Hier die Ergebnisse: In der ersten Aufnahme störte leider das abgeprallte Projektil die Aufnahme…

Die Auswertung erfolgte wieder mit der Software Tracker:

Anmerkung: Für eine ganz perfekte Auswertung hätte natürlich auch noch die Länge des Projektils berücksichtigt werden müssen, das habe ich mir aber erspart.

Der erhaltene Graph x(t) ist wieder eine sehr schöne Gerade mit der Steigung k = v = 45 m/s. Demnach verliert das Projektil auf den ersten 20 cm nicht merklich an Geschwindigkeit.