Wer baut den am langsamsten fallenden Körper?

Ein Wettbewerb

- Projekt der Klasse 10d in den Physik-Profilstunden -

Nein, es geht hier nicht um den in der Antike postulierten "jedem Körper innewohnenden Trieb, sich nach unten zu bewegen". Und dieser war nach damaliger Ansicht bei jedem Körper unterschiedlich groß. Spätestens seit dem letztjährigen Sprung aus extrem großer Höhe von Felix Baumgartner wissen viele, dass sich durch die Widerstandskraft der Luft bei jedem in der Realität fallenden Körper nach einer gewissen Zeit eine Grenzgeschwindigkeit einstellt. Und dass der Luftwiderstand z. B. von der Form des Körpers abhängt, ist allseits bekannt auf Grund der Diskussionen um den cw-Wert von Fahrzeugen. Genau darauf zielte das als Wettbewerb formulierte Kleinprojekt in den Profilstunden der 10. Jahrgangsstufe in Physik ab. Die Schülerinnen und Schüler sollten einen Körper entwickeln und selbst bauen, bei dem sich diese Grenzgeschwindigkeit z. B. auf Grund eines hohen cw-Werts möglichst schnell einstellt und er somit möglichst viel Zeit benötigt, um am Boden anzukommen. Hierbei waren Lösungen mit "Antrieben" wie Kerzen für Heißluftballons und ähnliches untersagt. Außerdem war gefordert, dass der Körper mit in der Schule zur Verfügung stehenden Mitteln messbare Ergebnisse bei reproduzierbaren Experimenten liefert. Die von einer Gruppe als Vergleichsobjekt untersuchte Daunenfeder lieferte zwar sehr lange Fallzeiten, aber der Versuchsablauf war bei jedem neuen Durchgang ein anderer. Störungen durch Bewegung der Umgebungsluft machten kontrollierte Messungen unmöglich.

Bereits in der Entwicklungs- und Bauphase lernten alle Beteiligten viel über Luftwiderstand, Auftrieb und alle Faktoren, welche die Luftwiderstandskraft FW beeinflussen. Somit wurde die abstrakte Formel für Größe von FW "selbst erlebt" und somit im Wissen der Schülerinnen und Schüler fest verankert.

Formel für die Luftwiderstandskraft eines fallenden Körpers

Mit völlig verschiedenen Ansätzen wurde in den Kleingruppen an die Lösung dieses Problems herangegangen. Viele versuchten sich in Leichtbauweise an Objekten mit möglichst großen Oberflächen. Hierbei war immer die Schwierigkeit, wie man ohne das Objekt deutlich schwerer zu machen, die Fallbewegung stabilisieren konnte, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Manche versuchten, durch den Bau von Körpern, die sich wie einige Pflanzensamen rotierend zu Boden bewegen, das am langsamsten fallende Objekt zu gestalten.
Anschließend wurde es spannend - neben einer Messung von Zeiten und durchfallenen Strecken wurden nun alle Versuchsdurchgänge mit einer digitalen Videokamera aufgenommen. Diese Videos wurden in den nächsten Profilstunden mit Hilfe einer geeigneten Software analysiert und die Ergebnisse ausgewertet. Außerdem wurde mit dem in der 9. Jahrgangsstufe in Informatik gelernten Grundwissen über Tabellenkalkulationen die im Physik-Lehrplan der 10. Jahrgangsstufe verankerte "Methode der kleinen Schritte" durchgeführt und die Resultate beider grundsätzlich verschiedenen Auswertungsmethoden verglichen. Die Schülerinnen und Schüler stellten fest, dass sich die auf verschiedenen Auswertungswegen erhaltenen Resultate deckten.
Außerdem waren sie erfüllt von stolz, denn einige der von ihnen gestalteten Objekt fielen tatsächlich fast genauso langsam zu Boden wie die anfangs erwähnte Daunenfeder - allerdings auf einer viel stabileren Flugbahn. Die sich beim Fall sehr rasch einstellenden Grenzgeschwindigkeiten waren so niedrig, dass auch bei einer im Unterrichtsraum maximal erreichbaren Fallhöhe von ca. 2,5m gut auszuwertende Videoaufnahmen ergaben.
Eine Gruppe hatte ein Objekt gebastelt, dessen Dimensionen die Gegebenheiten des Physik-Übungssaales überschritten. Aber es ließ sich bereits hier erahnen, dass dieser Körper einen sehr hohen Luftwiderstand entwickelt. Kurz vor Ende des Schuljahres hatte dann das Wetter ein Einsehen und wir konnten mit Fallversuchen vom Fenster des Physikraumes in den Pausenhof auch noch geeignete Videos vom realen Fall dieses Objekts aufnehmen. - Das Resultat war für alle erstaunlich und erfüllte die Konstrukteurinnen mit großem Stolz:
Die tatsächlich wirkende Fallbeschleunigung wurde durch die spezielle Konstruktion um 60 bis 80 Prozent reduziert, der cW-Wert war mindestens so groß wie der eines professionellen Fallschirms und somit fast zehnmal so hoch, als hätte man das Material zu einer Kugel geformt und diese fallen lassen.

Beispiel einer Auswertung bei der Videoanalyse

 

Hier noch einige der aufgenommenen Videos:

Daunenfeder Rotation

 

 
 
Fallschirm 1 Fallschirm 2

 

 
 
Pausenhof 1 Pausenhof 2

 

 
 
Pausenhof 3 Ballons