Svens kleiner Blog

Nicht wegen Geld, nicht wegen Ruhm, nicht wegen Aufmerksamkeit sondern einfach nur so ;-)

Letztens habe ich hier die Frage gestellt, warum Japan keine Erdwärme-Kraftwerke nutzt. Durch die Kommentare habe ich einiges gelernt, zum Beispiel das Japan den meisten Strom gar nicht aus Kernkraftwerken bezieht, was im Fernsehen ja doch anders dargestellt wird. Aber darum soll es hier gar nicht gehen, sondern speziell noch einmal um die Erdwärme-Kraftwerke.

 

Ich finde das Thema so ziemlich interessant und werde mich noch weiter damit beschäftigen müssen, denn so einige Fragen habe ich doch noch dazu. Eine davon beschäftigt mich jetzt seit ein paar Tagen, und zwar, was passiert mit der Erde, wenn man ihr Wärme entzieht. Nichts anderes passiert ja bei Erdwärme-Kraftwerken – diese entziehen der Erdkruste Wärme. Entsteht diese entzogene Wärme immer wieder neu, oder kann es dazu führen, dass die Erde langsam aber sicher auskühlt?

Die Frage hört sich jetzt sicher blöd an, aber ich bin mir nicht wirklich sicher, wie die Wärme im Erdinneren überhaupt entsteht und ich weiß auch nicht, wie wichtig diese Erdwärme ist. Was könnte denn passieren, wenn diese Technologie wirklich dazu beiträgt, dass die Erdkruste auskühlt? Würden sich dadurch die Lebensbedingungen auf der Erde verändern oder ist das gar nicht möglich? Ich weiß natürlich das die Wärmeenergie im Erdinneren enorm ist, aber wenn diese durch Wärmekraftwerke abgeleitet werden, dann geht sie ja im Inneren der Erde verloren, oder entsteht sie durch irgendwelche Reibeenergien neu? Ich weiß, das ist jetzt nicht nur eine Frage, aber genau das geht mir durch den Kopf, wenn ich über die Erdwärme-Kraftwerke nachdenke.

 

Wenn jemand von euch ein interessantes Buch oder eine interessante Broschüre zu diesem Thema kennt, dann freue ich mich über einen Hinweis darauf. Ich werde hier mit Sicherheit jetzt noch öfter über das Thema schreiben, denn es interessiert mich einfach.

 

So  heute  schreibe ich meinen ersten Physik-Test in diesen Semester und darauf sollte man sich bekanntlich Vorbereiten.

Was habe ich bisher gemacht?

  • Wir haben über Atommodelle gesprochen
  • Wir haben uns den Geiger Müller Zähler angeschaut
  • Wir haben uns mit dem radioaktiven Zerfall beschäftigt
  • Wir haben uns verschiedene Zerfallsketten angeschaut
  • Wir haben uns die Zerfallsfunktion angeschaut

Atommodelle

Angefangen hat das alles mit Demokrit der Atome als das kleinste, nicht mehr weiter teilbare Teilchen definiert hat. Das stimmt so aber nicht ganz, deswegen hat sich Dalton überlegt das Elemente aus charakteristisch untereinander gleichen und unteilbaren, bzw. chemisch nicht zerlegbaren Atomen bestehen, welche aber miteinander reagieren können. Aber auch das konnte nicht alle Phänomene erklären. Deswegen sagte Thomson das Atome eine gleichmäßig positiv geladene Materiekugel ist in welcher die Elektronen eingebettet sind. Das erklärt erklärte aber noch nicht die Streuversuche, in welchen die Atome mit Alpha-Teilchen beschossen wurden und hier eine unterschiedlich starke Ablenkung erzeugt wurde. Dadurch kamen wir dann zu Ernes Rutherford der eben diese Versuche durchführte und zu dem Entschluss kam, dass das Atom aus einen Atomkern und aus Atomhüllen besteht. Auch das war noch nicht das letzte Atommodell, denn inzwischen bewegen sich die Elektronen um den Atomkern in Orbitalbahnen – bzw. Schläuchen.

Geiger Müller Zahlrohr

Mit diesen Geiger Müller Zahlrohr kann man radioaktive Zerfälle in einer bestimmten Zeit zählen. Der Aufbau ist wohl besser zu erklären wenn man ein Bild hat, dazu vielleicht später mal ein weiterer Beitrag.

Radioaktiver Zerfall

Als nächstes ging es dann um die Radioaktiven Zerfälle. Hierzu mussten wir uns als ersten einmal mit den verschiedenen Strahlungsarten auseinander setzten. Es gibt die Alpha-Strahlung, hierbei handelt es sich um Heliumkerne welche abgestrahlt werden. Der weitere Zerfall ist die Beta-Strahlung, hier gibt es den Beta-Minus-Zerfall und den Beta-Plus-Zerfall. Beim Beta Plus Zerfall wird ein Positron abgestrahlt und beim Beta-Minus-Zerfall ein schnelles Elektron aus dem Kern. Als letztes gibt es noch die Gammastrahlung bei der es sich um eine energiereiche, elektromagnetische Strahlung handelt. Wenn man sich diese letzte Strahlung noch mal genauer anschaut stellt man fest, dass bei dieser Strahlung keine Elementumwandlung statt findet, so wie es bei den anderen Strahlungsarten, bzw. Zerfällen der Fall ist.

Zu diesen ganzen Vorgängen gehören dann die Zerfallsketten, mit welchen man genau aufzeigen kann, was bei der Strahlung eigentlich passiert. Auch das kann man mit einen Bild später einmal besser zeigen.

Bei der Zerfallsgleichung handelt es sich um eine Exponentiale Funktion in welche die Halbwertszeit eine wichtige Rolle spielt und natürlich auch der Anfangsbestand. Mit dieser Funktion kann man ausrechnen wie viel Masse des Ausgangselements noch vorhanden ist nach einer bestimmten Zeit. Im Umkehrschluss also auch, wie viel schon Zerfallen ist. Mit Umstellungen kann man dann auch die Halbwertszeit, den Anfangsbestand oder eben die Zeit in der etwas zerfallen ist, berechnen.

Vor ein paar Tagen habe ich euch ja mein Alpha-Teilchen-Tierchen-Bild gezeigt, und nun möchte ich euch das Tierchen auch einmal vorstellen. Beim Alpha-Teilchen handelt es sich um ein Tier aus der Gruppe der Heliumatome (Heliumatomus ionisiertus 😉 ). Dieses Heliumtierchen entsteht aus einen Mutterkern, welcher dieses Alphateilchen zur Welt bringt. Das Tierchen wird lebendig geboren und hat gleich seine volle Größe von zwei Neutronen und zwei Protonen, insgesamt hat es also eine Masse von 4. Die Geburt des Alphateilchen-Tierchen ist ein sehr komplizierter Prozess, es ist eine radioaktive Geburt und die Mutter verliert genau die Masse, die das Alphateilchen am Ende selber hat.

Alphateilchen können sich nur begrenzt bewegen. Ihr Bewegungsradius ist in der Luft einige Zentimeter und in einen Körper gerade mal 0,1 mm. Wenn ihr Alphateilchen-Tierchen von euch weghalten wollt, reicht es meist schon, ein Blatt Papier zwischen sich und die Alphateilchen-Tierchen zu bringen.

alphateilchen

Ich hoffe ihr wisst jetzt ein wenig was über das Alphateilchen-Tierchen und vergesst es nicht so schnell wieder 😉

Wer öfter meinen Blog liest weiß ja, dass ich auch kreative Ansätze versuche um mir den Lernstoff einzuprägen. Heute war mal wieder Zeit für ein Lernposter, welches bei mir seltsamerweise nie beendet wird 😉

Photoeffekt Physik

Photoeffekt Physik

Na welcher Physiker kann was damit anfangen 😉 . Bin natürlich auch für Ergänzungen und neue Denkansätze offen, wenn euch etwas dazu einfällt. Mehr zum Thema gibt es sicher auch noch, aber noch nicht heute 😉

Hier ist die neue Aufgabe von Bernd. Ich werde mich da sofort wieder reinstürzen und diesmal hoffentlich eine eigene Lösung finden 😉 Tipps von euch allen sind gerne Willkommen, aber keine Lösungen, die dürft ihr dann später mal Posten, kurz bevor ich meine Lösung, oder die von Bernd bekannt gebe.

Hallo Sven,

ich bin soweit, Dir eine neue Aufgabe zu stellen. Sie betrifft die Bewegungslehre.

Ein U-Bahn-Triebzug soll eine Strecke von einer Station zur nächsten fahren. Zu ermitteln ist die Fahrzeit (ohne Stationsaufenthalt) unter unterschiedlichen Bedingungen (verschiedene Fälle siehe unten).

Folgende Daten sind gegeben:

Anzahl der Wagen des Zuges: 8
Wagenleermasse: 19,6 t
Maximale Anzahl der Personen je Wagen: 80
Masse je Person: 80 kg

Maximale Triebkraft des Wagens an den Rädern: 30 kN
Maximale Bremskraft des Wagens an den Rädern: 30 kN
Maximale mechanische Antriebsleistung je Wagen an den Rädern: 250 kW

Fahrwiderstand als Funktion der Geschwindigkeit: Fw = w1 * v² + w2 * v
Widerstandsfaktor w1: 0,004
Widerstandsfaktor w2: 0,1

Folgende Vereinfachung gilt:

Ruckbegrenzung (d. h. das Führen der Trieb- und Bremskraft über Steuer-Rampen) wird nicht berücksichtigt. (Die BVG würde sofort alle U-Bahn-Fahrgäste verlieren)

Darüber hinaus gilt, dass der Triebfahrzeugführer genauso bremst, dass er den Zug am richtigen Platz zum Halten bekommt (in der Praxis müssen die Triebfahrzeugführer etwas eher anfangen zu bremsen, da keiner den richtigen Einsetzpunkt der Bremse auf den Meter genau kennt und einhalten kann sowie äußere Einflüsse wie Gleiten als Unwägbarkeit berücksichtigt werden muss).

Schleudern und Gleiten wird als Störeinfluss ausgeschlossen.

Verschiedene Fälle:

Fall 1: keine Steigung, kein Gefälle, Zug ist leer (keine Fahrgäste)

Fall 2: wie Fall 1, jedoch Zug ist voll besetzt

Fall 3: Zug ist voll besetzt, jedoch muss er gegen 2,5 % Steigung fahren (den gesamten Weg)

Fall 4: Zug ist voll besetzt, jedoch befährt er ein Gefälle mit 2,5 % (den gesamten Weg)

Fall 5: wie Fall 3, jedoch ist die Hälfte der Antriebsanlagen ausgefallen, d. h. es steht nur die halbe Triebkraft sowie die halbe Antriebsleistung zur Verfügung. Die Bremskraft ist hiervon nicht beeinflusst (die pneumatische Bremse übernimmt).

Lösungshinweise:

Es gibt im wesentlichen 3 verschiedene Kräfte, die am Zug wirken:

1. Die Trieb- bzw. Bremskraft an den Rädern. Sie wird von der Antriebsanlage des Zuges erzeugt und mittels der Räder auf die Schienen übertragen. Die Triebkraft (positiv) wirkt in Fahrtrichtung, die Bremskraft (negativ) entgegen der Fahrtrichtung. Die Triebkraft ist im unteren Geschwindigkeitsbereich konstant, im oberen jedoch wird sie durch die verfügbare Leistung begrenzt und ist somit geschwindigkeitsabhängig. Die Bremskraft ist geschwindigkeitsunabhängig, wobei bei Bedarf die pneumatische Bremse hinzugenommen wird.

2. Der Fahrwiderstand wirkt immer entgegen der Fahrtrichtung (negativ) und ist von der Geschwindigkeit abhängig. Er enthält einen linearen Anteil (Reibung) und einen quadratischen Anteil (Luftwiderstand).

3. Die Hangabtriebskraft wirkt immer in Richtung eines Gefälles, d. h. an einer Steigung entgegen der Fahrtrichtung und an einem Gefälle mit der Fahrtrichtung.

Da die Kräfte geschwindigkeitsabhängig sind, hilft nur Integralrechnung, oder, wie ich es gemacht habe, eine Exceltabelle mit fein segmentierter Berechnung. Ich habe die Berechnung mit Excel gemacht und dabei Schritte von 0,1 s gewählt. Das ist übrigens sehr gut geeignet, um die Verwendung von Formeln in Excel zu üben.

Die Höchstgeschwindigkeit darf nicht überschritten werden, ebenso beim Treiben die maximale Antriebsleistung nicht.

Im übrigen: Die angegeben Daten sind nicht aus der Luft gegriffen, sie entsprechen in etwa denen der Kleinprofilzüge der BVG (U1 bis U4).

Viele Grüße Bernd,

und viel Spaß beim Knobeln.

Als Ergänzung hat er noch die Streckenlänge von 820 Metern angegeben.

Neulich habe ich mir mal das Turmspringen von Stefan Raab angeschaut und habe den Moderatoren mal genau zugehört. Da war doch immer die Aussage von ungleichen Paaren und dass deren Gewichtsunterschiede das Synchronspringen schon unmöglich macht. Aber halt, Wolke sagte da was von der Physik und das der Gewichtsunterschied keine Rolle spielt! Stimmt, sagte ich ganz spontan, denn die Erdanziehung ist für alle gleich! Die Moderatoren blieben weiterhin hartnäckig bei ihrer Meinung und der Einwand von Wolke ging leider unter.

Ist dieser Einwand nun Richtig? Fakt ist das es eine Konstante g gibt, welches die Erdfallbeschleunigung angibt, welche bei uns ca. 9,81 Meter/Sekunde² beträgt. Beim freien Fall ist nun noch die Höhe wichtig,  von welcher der Gegenstand fällt. Wenn man nun mit den Formeln

s= 1/2 g *t² , vobei s und g bekannt sind, nach t umstellt kommt man auf die Formel

t²= 2 *s/g von welcher wir nun die Wurzel ziehen müssen um dann auf t zu kommen. t ist die Zeit, in welcher der Freie Fall stattfindet. Dieses können wir nun benutzen um mit der einfach Formel v = g * t die Geschwindigkeit auszurechnen. Und was wäre damit jetzt bewiesen? Folgendes, in keiner dieser Formeln kommt die Masse, also das Gewicht im weitesten Sinne, zum tragen. Es ist eigentlich total egal, ob ich nun 90 oder 120 kg wiege, ich würde immer mit der selben Geschwindigkeit ankommen, allerdings nur, und hier kommt das große aber, wenn wir uns im Vakuum befinden würden und somit keine Luftreibung entstehen würde. Diese ist allerdings ziemlich gering und sollte bei geringeren Unterschieden bei der Masse nicht all zu viel ausmachen.  Wobei man sich darüber auch streiten kann, wenn man sich mal die folgende Geschichte auf gutefragen.net anschaut.

Meiner Meinung nach kommen die Unterschiede allerdings von der höheren Geschwindigkeit beim Abspringen. Wer mit einer höheren Geschwindigkeit abspringt, springt höher und kommt somit später in die Phase des Freien Falls, somit hat der, der eine niedrigere Absprunggeschwindigkeit hatte, einen „Vorsprung“ den der andere nicht mehr aufholen kann, da er ja auf dem Weg nach unten, wie oben eben schon besprochen, die selbe Geschwindigkeit entwickelt wie die Person mit der geringeren Absprunggeschwindigkeit. Wer das gerne einmal nachrechnen möchte und meine Behauptungen wiederlegen will, dem empfehle ich als Ansatz sich die Formeln für den Wurf nach oben mit anschließenden Freien Fall anzuschauen 😉