Für das Physiklabor habe ich zwei verschiedene Windkanäle gebastelt. Einer dient zur Bestimmung des cw-Werts von diversen Objekten (Auto, Platte), der andere zur Veranschaulichung der Strömungslinien.
Variante 1:
Bei diesem Windkanal benötigte ich hohe Windgeschwindigkeiten v, damit die zu messende Luftwiderstandskraft F nicht zu gering ist. Für diese gilt: F = 1/2 · cw · ρ · A · v².
cw ist der sog. Luftwiderstandsbeiwert (oder Strömungswiderstandskoeffizient) ist eine dimensionslose Zahl und ein Maß für die Windschlüpfrigkeit des Objekts. Je windschnittiger dieses ist, desto kleiner ist dessen cw-Wert. ρ ist die Luftdichte und A die Querschnittsfläche des Objekts.
Die hohen Windgeschwindigkeiten erziele ich mit 3 Elektromotoren in einem Kanalrohr, an denen Flugzeugrotoren montiert sind. Zur Stromversorgung dient ein 0-16V/40A Netzteil. Damit erziele ich Windgeschwindigkeiten bis zu 90 km/h.
Mit den Schülern bestimme ich immer den cw-Wert eines Porsche Modellautos. Dieses hänge ich vertikal an eine Federwaage in den Windkanal. Zuerst muss natürlich die Gewichtskraft Fg ohne Wind bestimmt werden. Danach wird der Windgenerator eingeschaltet und die Windgeschwindigkeiten v schrittweise erhöht. Gemessen werden diese mit einem gewöhnlichen Anemometer.
Nun brauchen die Schüler nur die Querschnittsfläche A bestimmen und dann die Luftwiderstandskraft F = Fgemessen – Fg in Abhängigkeit von v notieren. Die Querschnittsfläche A ermitteln sie durch geschickten Schattenwurf am Overheadprojektor.
Eine typische Messkurve sieht dann so aus:
Variante 2:
Mit dieser Variante möchte ich möglichst eindrucksvoll die Strömungslinien sichtbar machen. Basis des Windkanals ist ein Plexiglasrohr mit 100 mm Durchmesser bzw. 500 mm Länge und ein PC-Lüfter mit 92 mm Außendurchmesser.
Um eine möglichst laminare Strömung zu erhalten, habe ich für den Eingang und Ausgang mittels 3D-Drucker einen Trichter und Gleichrichter gedruckt. Zudem erhält der Lüfter einen windschlüfrigen Aufsatz und der Windkanal selbst ruht auf einem ebenfalls ausgedruckten Stativ.
Für den Eingang verwende ich zur Beruhigung der Luftströmung keinen ausgedruckten Gleichrichter, sondern Trinkhalme.
Für die Sichtbarmachung der Strömungslinien wird Nebel benötigt. Zu dessen Erzeugung verwende ich eine gewöhnliche E-Zigarette. Den damit erzeugten Nebel blase ich durch einen Schlauch, welcher den Nebel zu den im Windkanal befindlichen Metalldüsen weiterleitet. Diese Düsen habe ich mittels Messingröhren gelötet.
Damit die Strömungslinien deutlicher sichtbar werden, verwende ich zur Ausleuchtung eine gewöhnliche LED-Leiste mit weißen LEDs.
Und zu guter Letzt wird noch ein Strömungsobjekt benötigt. Hier verwende ich einen kleinen Ferrari im Maßstab 1:38 und einen ebenfalls mit dem 3D-Drucker erzeugten Tragflügel.
Der fertige Windkanal sieht dann so aus:
Zum Abschluss die wie ich finde doch sehr gut gelungenen Strömungslinien:
Strömungslinien mittels Tinte und Velourspapier
Wer keinen Windkanal hat aber dennoch die Strömungslinien sichtbar machen möchte, für den habe ich folgende Methode. Man benötigt nur Velourspapier, Tinte, zwei längliche Plastikbehälter und Holzspieße.
Gestoßen bin ich auf diesen Versuch beim Stöbern im Physik-Lehrmittelkatalog der Firma https://www.3bscientific.com/:
Bildquelle: Physik-Katalog 3bscientific.com
Wer das Wasserstromliniengerät nicht bei 3bscientific.com erwerben möchte, für den habe ich diese Anleitung verfasst. Das Velourspapier findet man im Internet oder Bastelladen und die Tinte habe ich bei mir vor Ort gekauft:
Passende Plastikbehälter gab es bei Tedi um 2 Euro für 2 Stück:
Die Spieße hatte ich noch von meinem Experiment zur Bragg-Reflexion mit Ultraschall übrig:
Mit den Spießen wird dann die Tinte an denselben Stellen oberhalb des Strömungslinienmodells auf das Velourspapier getupft. Dazu bastelte ich mir aus 4 mm dicken Plexiglas eine Schablone:
Wo gehobelt wird, da fallen Späne…:
Diese montierte ich dann an einen der beiden Plastikbehälter:
Auf das Velourspapier zeichnet man das Profil des gewünschten Stromlinienkörpers und schneidet dieses aus:
Sodann faltet man das Velourspapier an der Oberseite und hängt dieses in die obere Plastikschalte. Zum zusätzlichen Fixieren verwendete ich zwei Wäschekluppen. Zuvor muss man das gesamte Velourspapier aber unbedingt gründlich in Wasser dunken, damit es sich schön vollsäuft! Es trocken in die obere Plastikschale zu tauchen würde ich in keinster Weise empfehlen.
Die Ergebnisse mit dem Tragflügelausschnitt:
Ich habe es noch mit einer schräggestellten Platte als Strömungshindernis probiert. Anstelle der blauen Tinte verwendete ich nun schwarze Lebensmittelfarbe. Das Velourspapier wieder vor der Montage unbedingt ordentlich und vollständig in Wasser tauchen!
Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach…
