„Jugend forscht“: Physik

Die 360 Grad Kamera aus gebogenen Siliziumsensoren für Teilchenkollisionen am CERN

		Julia Els, St. Michael Gymnasium, Monschau

Siliziumsensoren finden heutzutage überall Anwendung - von der Handykamera bis zum Hochenergie-Experiment. Während ein Kamerasensor eine Größe von wenigen mm^2 hat, besitzt die aktive Fläche vom Inner Tracking System des ALICE Experiments am CERN eine Größe von 10 m^2, mit der Teilchen, die in einer Kollision entstehen, detektiert werden. Zukünftig könnten die Siliziumsensoren dort gebogen werden, sodass man eine lückenlose Abdeckung um den Kollisionspunkt hat - sozusagen eine 360 Grad Kamera. Durch diese Geometrie würde die Detektion um Einiges verbessert werden, z.B. da der Detektor ca. 21% näher am Kollisionspunkt liegen und er dünner und stabiler wäre. Um zu prüfen, ob die Sensoren nicht beim Biegen beschädigt werden, konnte ich am CERN flache und auf verschiedene Radien gebogene Sensoren charakterisieren. In diesem Projekt wurden die dabei entstandenen Ergebnisse ausgewertet und verglichen, mit dem Resultat, dass gebogene Sensoren genauso gut detektieren wie flache.


Der Flettner Rotor, vom Magnus Effekt zur elektrischen Energiegewinnung

		Kjell Fischer, Gymnasium Aspel, Rees

In diversen Experimenten untersuchte ich die Physik des Flettner Rotors. Zunächst ging es um den Nachweis und der Untersuchung des Magnus Effektes und später um die Ausnutzung dieses Effektes im Bereich der elektrischen Energiegewinnung. Ziel ist es eine Kreisbewegung zu erlangen, indem mehrere, miteinander verbundene Rotoren auf einer drehbaren Oberfläche angeströmt werden. Drei jeweils im 120 Grad Winkel angeordnete Rotoren, sollen die Kreisbewegung aufrecht erhalten und einen handelsüblichen Generator antreiben. Worin liegt nun aber der Vorteil in dieser Bauart, wobei schon eine Drehbewegung vorliegt, um den Magnus Effekt zu beobachten? Der Vorteil dieses Modells gegenüber dem herkömmlichen Windrades ist die Höhe der möglichen Rotationsgeschwindigkeit des Flettner Rotors. Dies bedeutet, dass selbst bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten Strom erzeugt werden kann, währenddessen Windkraftanlagen bei gewissen Windstärken abgeschaltet werden müssen.


Untersuchung der waagerechten und vertikalen diamagnetischen Levitation

		Carlos Steiner Navarro, Deutsche Schule "Albrecht Dürer", Sevilla (SPANIEN)

Dieses Projekt ist eine Weiterentwicklung einer Arbeit, die sich mit den Eigenschaften des Diamagnetismus beschäftigt hat. Dies ist die Eigenschaft von Materialien, ein induziertes Magnetfeld zu erzeugen, das sich einem externen Magnetfeld entgegensetzt. In der diesjährigen Arbeit lag der Schwerpunkt auf der mathematischen und physikalischen Beschreibung mehrerer Levitationssysteme, bei denen Magneten dank des Beitrags des diamagnetischen Effekts in einer stabilen Schwebe gehalten werden konnten. Es wurde ein neues System entwickelt, das auf den ersten Blick von allen logischen bisherigen Erklärungen abweicht. Hierbei würden sich die anziehenden Magneten (nicht der Schwebende), im Gegensatz zum bestehenden Aufbau (parallel) orthogonal zum Boden befinden. Dementsprechend wurde die bestehende Theorie umformuliert und erweitert, und ihre Überprüfung mit der Studie der Energiebilanz des Systems angestrebt.


Untersuchung von Plattenkondensatoren hinsichtlich Feld und Ladungsverteilung

		Felix Haschke, Evangelisches Gymnasium Werther (Westf.)

Elektrische Felder sind ein wesentlicher Bestandteil der Elektrotechnik. Die das Feld beschreibende Feldstärke ist aus verschiedenen Gründen eine interessante Größe. Wenn beispielweise eine Ladung in einem Feld platziert wird und die Feldstärke an jedem Ort bekannt ist, so können Aussagen über die Ablenkung, Geschwindigkeit und die von Teilchen gewonnene Energie getroffen werden. Wenn das Feld eines Plattenkondensators betrachtet wird, ist festzustellen, dass sich die Feldstärke überall zwischen den Platten relativ ähnlich verhält. Das Feld eines idealisierten Kondensators, in dem tatsächlich an jedem Punkt im Raum die gleiche Feldstärke gemessen wird, wird als homogen bezeichnet. In dieser Arbeit wird mit diskreten Methoden untersucht, wie sich das Feld in nicht idealisierten Kondensatoren verhält. Das ermittelte Feld wird dann mit dem Idealmodell hinsichtlich verschiedener Eigenschaften verglichen und die Abweichungen werden quantifiziert.


Verteilung der Metallizität in offenen Sternhaufen

		Nils Ramspeck, Heinrich-Heine-Gymnasium Bottrop

Die Spektroskopie ermöglicht es, trotz der enormen Entfernung der Sterne, Informationen über diese zu sammeln. So ist es etwa möglich die Temperatur, das Magnetfeld, die Geschwindigkeit, das Alter und - entscheidend für dieses Projekt - die Metallizität eines Sternes zu bestimmen. Grob gesagt, macht die Metallizität eine Aussage über die Häufigkeit der schweren Elemente (alle Elemente außer Wasserstoff und Helium) in einem Stern. Für die Ermittlung der Metallizität müssen die Absorptionslinien von Eisen und Wasserstoff gemessen werden. Da dies nur mit der korrekten Ausrüstung gelingen kann, ist das Projekt in Zusammenarbeit mit der Walter Hohmann Sternwarte (Essen) entstanden. Mithilfe eines DADOS Gitterspektrographen und einem 12,5 Zoll Newton wird ein Spektrum der Plejaden und der Hyaden, zweier offener Sternhaufen, gemessen. Die Verteilung der Metallizität soll sodann mathematisch modelliert und (in Form einer Hypothese: z.B. Art der Entstehung des Sternhaufens) begründet werden.


Computergestützte Prüfung des chaotischen Verhaltens der Lawinen an einem Sandrutschhügel

		v.li.n.re.: Judith Bussmann, Lennart Weigl, Ratsgymnasium Münster

In unserem Projekt beschäftigen wir uns mit der softwaregestützten Untersuchung von Sandlawinen an einem Sandhaufen mit Blick auf ein mögliches chaotisches Verhalten sowie dessen Nachweis. Um unsere Theorie zu überprüfen haben wir eine Konstruktion gebaut, bei der Sand in einer geregelten Geschwindigkeit auf einen Sandhaufen rieselt, wodurch einzelne Lawinen beobachtet werden können, und haben eine Computersoftware geschrieben, um Videos hinsichtlich der Größe und der Richtung der Lawinen automatisiert auswerten zu können. Die Ergebnisse haben wir in einem Phasenraum-Diagramm zusammengefasst, welches die Theorie stützt: An den Seiten des Sandkegels gehen unregelmäßig Lawinen jeder Größe ab, was, bestätigt, dass sich das System hinsichtlich Zeit, Größe und Ort des nächsten Lawinenabgangs nicht berechnen lässt.


Synchronisierte Kerzen

v.o.n.u.: Kincső Szederkényi, Tamás Simon, Deutsche Schule Budapest (UNGARN)

Unsere Arbeit präsentiert ein leicht nachweisbares strömungsverbundenes System mit Kerzenflammen. Die Forschung untersucht ein interessantes physikalisches Phänomen, bei dem zwei oder auch mehrere Kerzenflammen phasig oder gegenphasig synchronisiert werden. Unsere Messungen zeigen, dass die Kopplung nicht durch Strömungen oder Wärmekonvektionen verursacht wird, sondern durch die von den Kerzen emittierte Strahlung. Man kann das Phänomen auf zwei unterschiedlich komplexen Ebenen erklären: a) harmonische Schwingungen verursachen das Phänomen, b) die Berechnung zeigt ein nichtlineares System von Differentialgleichungen, das keine elementare Lösung hat; in Messungen sind die Frequenzabhängigkeit verschiedener Parameter und die Bedingungen von Anti-/Synchronzuständen zu beobachten. Auf diese Weise lassen sich genaue Werte für Temperatur und Sauerstoffkonzentration jeder Kerzenflamme ermitteln.


Experimentelle Ausarbeitung des Funktionsprinzips von Turmtilgern

Jonas Kerstan, Gymnasium Adolfinum, Moers

In meiner Projektarbeit untersuche ich die Funktionsweise von Turmtilgern. Praktischer Bestandteil der Arbeit ist, dass ich einen Turm mit Schwingungstilger als Modell nachbaue und in einem Experiment die physikalischen Prozesse, die bei der Schwingung des Turms ablaufen, messe und anschließend auswerte. Da es sich bei diesen Prozessen maßgeblich um Schwingungen unterschiedlicher Strukturen handelt, lässt sich sagen, dass diese physikalische Arbeit den Themenblock der Mechanik, speziell der Dynamik und Schwingung, umfasst. Zusätzlich beschreibe und erkläre ich die für die Auswertung relevanten physikalischen Formeln. Mithilfe der Auswertung bestimme ich anschließend speziell das Funktionsprinzip des Tilgers aus dem Experiment, was es ermöglicht, dieses zu generalisieren und einen Realitätsbezug zu echten Turmtilgern herzustellen. Dadurch soll das Ziel meiner Arbeit, eben dieses Prinzip auszuarbeiten, erreicht werden.


Orbital YEET

		v.li.n.re.: Jonas Huilmann, Jannik Schriever, Lasse Groon - Berufskolleg Rheine des Kreises Steinfurt

"Orbital YEET" ist ein Startkatapult für kleine Raumfahrzeuge. Das wesentliche Konstruktionsprinzip ist eine hybride Anordnung aus einem Tribock und einem Schwungrad. Wobei die Wurfrichtung des durch das Schwungrad aufgeladen Tribocks senkrecht nach oben geht. In unserem Jufo-Projekt konstruieren und bauen wir ein Modell, mit dem wir die Funktionsweise des Orbital YEET demonstrieren und untersuchen wollen. Mit dem Aufbau wollen wir herausfinden, ob das System für den gedachten Einsatzzweck funktionieren kann.