Fachbereich Technik
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So weit das Auge trägt
(2023)
Sichtweiten in der Atmosphäre reichen von wenigen Metern im Nebel bis zu einigen hundert Kilometern bei extrem guten Fernsichtbedingungen. Die zugrundeliegende Physik geht vom Wahrnehmungskontrast aus. Dieser ändert sich mit der Entfernung entlang der Sichtlinie zwischen Objekt und Auge aufgrund von Lichtstreuung und Absorption an den Bestandteilen der Atmosphäre. Dazu kommt bei der Fernsicht die Refraktion, die es erlaubt, auch über den durch die Kugelform der Erde geometrisch bedingten Horizont hinaus zu sehen.
Climate change, but also geopolitical circumstances, are moving topics such as energy efficiency and renewable energies more and more into the focus of the population, economy , and politics. As a result, the will to optimize new and existing energy systems extends from private individuals to companies and even entire communities. This work describes the development and usage of a new software called FINEconcepts which creates a digital twin of an energy system. This virtual model can then be used to optimize the energy system based on annual costs, CO2 emissions or other relevant criteria such as self-sufficiency. Because all system components, which include renewable technologies as well, can be added as a building block with chosen but changeable parameters, the software allows the user to explore and awaken interest and understanding of technologies that were previously considered too costly, irrelevant, or unrealistic. Implemented projects in small and large companies as well as in residential areas did prove, that the usage of FINEconcepts leads not only to more efficient energy systems by increasing the use of renewable energy, but also increased knowledge and understanding in terms of energy. Besides economics, ecology and security, understanding is an equally important factor in achieving a sustainable energy supply.
Der Erwartungswert einer Zufallsgröße kann generell am Graphen ihrer Verteilungsfunktion durch eine naheliegende Gleichheit zweier Flächeninhalte festgelegt werden. Äquivalent dazu lässt er sich mit zwei uneigentlichen Riemann-Integralen darstellen. Davon ausgehend werden die Tschebyschow-Ungleichung und ihre Modifikation mit strikten Ungleichheitszeichen hergeleitet.
Untersuchung der Rotorfestigkeit von permanenterregten Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten
(2023)
Diese Projektarbeit behandelt die mechanische Simulation der Rotoren von permanenterregten Synchronmaschinen für den Festigkeitsnachweis. Hierzu wird die Finite-Elemente-Methode mit dem Programm CalculiX verwendet. Als Beispiel wird der Elektromotor des Toyota Prius II im Detail betrachtet. Hierbei werden die unterschiedlichen Lasten modelliert, dazu zählen neben der Zentrifugalkraft auch der Innendruck durch eine Presspassung sowie die elektromagnetischen Kräfte. Für die Modellierung von Kräften auf der Rotoroberfläche wird eine Methodik zur Umsetzung in CalculiX entwickelt und anhand eines Beispielmodells demonstriert. Der angestrebte Festigkeitsnachweis kann im Rahmen dieser Arbeit erbracht werden. Weiterhin wird gezeigt, dass der Einfluss der elektromagnetischen Kräfte im Arbeitspunkt mit der höchsten Drehzahl sehr gering ausfällt. Insgesamt bietet diese Arbeit die Grundlagen für mechanische Modellierungen von Rotoren unter Berücksichtigung aller Kräfte. Dies kann direkt auf andere Elektromotoren angewendet werden.
SMath Studio mit Maxima
(2020)
Auf dem Weg zum Replikator
(2022)
In den vergangenen Jahren gewann insbesondere durch den Launch des Tesla Elektrofahrzeugs die Elektromobilität in Bezug auf Automobile zunehmend an Bedeutung. Insbesondere aufgrund der zunehmenden CO2-Emissionen sowie der stetig steigenden Öl-Knappheit rückt das Elektroauto zunehmend in den Vordergrund.
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit untersuchte im Wesentlichen die Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeug sowie die Entwicklung dieser und die zum aktuellen Zeitpunkt bestehenden Tarifbedingung in Deutschland. Die Betrachtung der Ladeinfrastruktur ist eben aus dem Grund erforderlich gewesen, da diese eine Schlüsselrolle für Endkunden bei der Kaufentscheidung eines Elektrofahrzeugs spielt.
Die Wesentliche Zielsetzung der Arbeit bestand darin, die unterschiedlichen bestehenden Betreiberkonzepte in Bezug auf die Ladeinfrastruktur für Kommunen zu analysieren und im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sowie die Marktverfügbarkeit zu evaluieren.
Fata Morgana im Wasserbecken
(2020)
Gefrierende Gewässer
(2021)
Urformen
(2018)
Wenn Licht die Biege macht
(2020)
Asymmetrische Polarlichter
(2009)
Direct speed of sound measurement within the atmosphere during a national holiday in New Zealand
(2018)
Manche mögen‘s kochend heiß
(2019)
Und sie dreht sich doch …
(2018)
Aus Schaden wird man klug! Zwei Jahrhunderte Bemühungen um die Sicherheit des Schienenverkehrs
(2017)
6. Resümee
Der vorstehend dargelegte Parforce-Ritt durch die Geschichte des Eisenbahnwesens mit spezieller
Betrachtung von ausgewählten Schadensfällen und aus ihnen abgeleiteter Schlußfolgerungen
zeigt, daß aus Schadensfällen sehr wohl Erkenntnisse abgeleitet werden können, um
künftig Schäden zu verhüten. Sowohl der Wissenschaft und ihren Repräsentanten als auch den
Verantwortungsträgern im Eisenbahnwesen fällt hierbei naturgemäß eine bedeutsame Rolle
zu. Daß Entscheidungen und Vorgaben „aus höherer Warte“ mitunter zu Fehlleistungen führen
können, dokumentierte der Wunsch nach der Realisierung der „bewährten Fischbauchform“
für die von Birkinshaw gewalzten Schienen. Daß Vorgaben von höherer Stelle aber
auch positive und lange anhaltende Wirkungen haben können, hatte sich 1975 in Kirchmöser
gezeigt durch die damals angeregte Befassung des neuen Mitarbeiters mit Rissen und Brüchen
im Bereich des Eisenbahnwesens auf der Grundlage der Bruchmechanik.
Daß mit der wissenschaftlichen Analyse von Schadensfällen und den daraus zu ziehenden
Schlußfolgerungen nicht immer so umgegangen wird, wie es im Interesse der Gesellschaft mit
der ethischen Verantwortung der Wissenschaft für Menschenleben und die Verhinderung materieller
Schäden angemessen sein sollte, zeigt u.a. die Rezension von Pusch zu dem Buch
„Einführung in die bruchmechanische Schadensbeurteilung“ [50]: „Neben einer Vielzahl von
Beispielen für die erfolgreiche bruchmechanische Bauteilbewertung unter Einbeziehung von
Rissen bzw. rißähnlicher Spannungskonzentrationsstellen sowie der Werkstoffentwicklung
und dem beanspruchungsgerechten Werkstoffeinsatz ist hierbei auch die Analyse von Schadensfällen
und die Ableitung von Maßnahmen für die Schadensverhütung von ökonomischer
und ökologischer Bedeutung. Der letztgenannte Anwendungsbereich, im Schrifttum häufig
aus vereinbarter Vertraulichkeit unterrepräsentiert, ist Gegenstand des vorliegenden Titels,
wobei der Autor an einer Vielzahl von anschaulich erläuterten Beispielen bruchmechanischer
Schadensfallanalysen auf eigene Arbeiten als Forscher und Hochschullehrer verweisen kann.“
Konstatiert werden muß, daß der Umgang mit Schadensfällen und ihrer wissenschaftlichen
Aufarbeitung im Ausland - erinnert sei an dieser Stelle an die spektakulären Eisenbahnbetriebsunfälle
von Woodlawn bei Marshall (Texas, USA) am 12. November 1983 und bei Hatfield
nahe London (Großbritannien) am 17. November 2000 - wesentlich offener, unvoreingenommener
und letztlich effektiver ist als in Deutschland. Gutachten werden hierzulande zur
Monopolisierung der Wissenschaft genutzt, was - unabhängig, ob institutionell oder individuell
veranlaßt, - mit Fug und Recht als eine spezielle Art wissenschaftlichen Fehlverhaltens zu
disqualifizieren ist.
Nicht auszuschließen ist, daß sich die Wissenschaft durch ihre Repräsentanten auf Irrwege
begibt, wie es aus der Vergangenheit bekannt ist, als Otto von Guericke und Gottfried Wilhelm
Leibniz aufgefundene Knochen als zu einem Einhorn gehörig interpretierten [51]. Ein
ähnlicher Irrtum ist es wohl, wenn bei der Rollkontaktermüdung von Eisenbahnschienen dem
in die Risse eingedrungenen Wasser eine hydraulische Sprengwirkung zugeschrieben wird,
die für die weitgehend gradlinige Rißausbreitung verantwortlich sein soll bei vollständiger
Vernachlässigung der durch die Rollkontaktbeanspruchung geänderten Eigenschaften des
Schienenstahls.Können die Darlegungen als Anregung zum Befassen mit der technischen Vergangenheit aufgefaßt
werden, so sollte aus der Sicht des dargelegten wissenschaftlichen Betätigungsfeldes,
der Bruchmechanik, gezeigt werden, daß mit Hilfe bruchmechanischer Analysen die Ursachen
aufgetretener Schäden geklärt werden können, sei es für die Lebensdauer rißgeschädigter
Bauteile, für die Gefährlichkeit von Rissen oder welche Maßnahmen dazu geführt hätten,
den Bruch zu vermeiden. Kann auf diese Weise die Verantwortlichkeit für aufgetretene Schäden
geklärt werden, so ist es doch wichtiger, künftig ähnliche Schäden zu vermeiden!
Was aus den vorstehenden Darlegungen aber auch abgeleitet werden kann, ist die Erkenntnis,
daß die Entwicklung der technischen Wissenschaften nicht ausschließlich im Selbstlauf erfolgt,
sondern mitunter in starkem Maße auch durch Schadensfälle und durch Persönlichkeiten,
die sich der Lösung der Problematik annehmen, vorangetrieben wird.
Und es werde Feuer
(2017)
Und es werde Feuer
(2017)
Experimente mit IR- Kameras
(2014)
Abstract
Stehaufkreisel sind faszinierende physikalische Spielzeuge, die scheinbar die Schwerkraft auszutricksen vermögen: Nach anfänglicher Rotation drehen sie sich so um, dass sie schließlich auf der früheren Spitze rotieren. Hochgeschwindigkeits-Videos ermöglichen es, die komplizierten mathematischen Lösungen ihrer Bewegung experimentell zu überprüfen.
Abstract
Wer kennt es nicht, das Flackern von Lampen, das bei empfindlichen Menschen Kopfschmerzen verursachen kann? So etwas kann bei Entladungsröhren mit ungünstigen Eigenschaften der phosphorisierenden Beschichtung auftreten. Mit moderner Technik lässt sich dieses Problem lösen. Hochgeschwindigkeits-Videos zeigen verschiedene Phänomene, die beim Betrieb von Entladungsröhren auftreten.
Rotwein zu Wasser
(2015)
Abstract
Die Sensoren von Digitalkameras sind fähig, Licht im Nahinfraroten (NIR) bis hin zu Wellenlängen von 1100 nm aufzunehmen. Infrarotfilter blockieren diesen für den Menschen nicht sichtbaren Spektralbereich, um irritierende Falschfarbeneffekte in den Aufnahmen zu verhindern. Diese Filter sind aber entfernbar, und derart umgerüstete Kameras erschließen eine verblüffende Welt. Beim Übergang zum NIR ändern sich die optischen Eigenschaften vieler Objekte. In Landschaftsaufnahmen werden Blätter zu den hellsten Objekten. Rotwein, Cola oder Kaffee werden scheinbar zu Wasser. Man kann zudem unter die Oberfläche von Farben, Stoffen, Lacken und sogar der Haut schauen.
Die Gurke leuchtet komplex
(2015)
Abstract
Das Experiment, bei dem eine Essiggurke elektrisch stimuliert leuchtet, gehört zum Standardrepertoire vieler Schulen und Hochschulen. Meist wird es zur Elektrizitätslehre oder zur Atomphysik vorgeführt, inklusive vordergründig einleuchtender Erklärung. Eine genauere Untersuchung zeigt jedoch, dass der Mechanismus komplexer als gedacht ist. Die Lichtemission entsteht in einem Zusammenspiel von Elektrolyse und hohen Elektrodentemperaturen. Dabei regen wahrscheinlich vor allem exotherme Wasserstoff- oder Knallgasreaktionen das Natriumlicht an.
Springende Hüpfgummis
(2015)
Der Trick mit der Tischdecke
(2015)
Abstract
Eine Tischdecke unter einem Service feinsten Porzellans wegzuziehen ohne dass etwas vom Tisch fällt und zerbricht ist sicher eine Herausforderung. Aber viele Vorführungen, auch in Experimentalphysik-Vorlesungen beweisen: es funktioniert. Hochgeschwindigkeits-Videos können diesen heiklen Experimenten physikalische Details entlocken.
Abstract
Das Flimmern der Sterne, von manchen als romantisch empfunden, ist für Astronomen ein Ärgernis. Selbst bei klarer Luft scheinen die Sterne herumzuhüpfen und in ständiger Bewegung zu sein. Das Maß des Seeings, wie die Wissenschaftler sagen, beschränkt das räumliche Auflösungsvermögen von Teleskopen. Mit einer einfachen Versuchsanordnung und einer Hochgeschwindigkeits-Kamera lässt sich dieses Phänomen im Labor nachstellen und analysieren.
Einleitung:
Die Folgen des Klimawandels und die Nutzung fossiler Energiequellen machen Erneuerbare Energien
langfristig gesehen unabdingbar. In Deutschland wird der größte Anteil der Erneuerbaren Energien aus
Windkraft gewonnen1. Als Folge der sinkenden Akzeptanz in der Bevölkerung sowie der Findung neuer
Standorte für Windkraftanlagen betreiben die Unternehmen Repowering. Dabei werden alte,
leistungsschwächere Anlagen gegen neue leistungsstärkere ersetzt.
Zusammen mit dem Ausbau der Offshore-Anlagen entsteht das Problem der Abfallbeseitigung bzw.
möglichen Wiederverwertung der Windkraftflügel. Ab 2020 müssen jährlich mehr als 15.000 t
Flügelmaterial entsorgt werden. Bisher fehlt dazu jedoch ein Konzept. Dieses Material besteht aus
einem Verbund von glasfaserverstärktem Kunststoff und einem Harz.
Aufgrund des hohen Glühverlustes ist die Deponierung dieser Materialien verboten. Durch die Toxizität
des Harzes ist die Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen und anschließender Reinigung der Abgase
sehr aufwendig. Zudem schmelzen die Glasfasern bei den hohen Verbrennungstemperaturen der
Anlage und verstopfen diese.2
Ziel des Teilprojektes ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem aus den Kunst- und Verbundstoffen
ein möglichst energiereiches Synthesegas zur möglichen motorischen Verstromung generiert wird und
dabei der mineralische Anteil zur stofflichen Weiternutzung erhalten bleibt. Somit wird eine stoffliche
und energetische Nutzung des Verbundes erreicht.
Ziel dieser Arbeit ist es anhand eines Simulationsmodells diesen Prozess abzubilden und zu simulieren.
Anhand eines thermodynamischen Gleichgewichtsmodells soll die Produktgaszusammensetzung in
Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter berechnet werden.
Experimentelle Validierung einer optimalen Anfahrstrategie für hochrein trennende Bodenkolonnen
(2000)
Ein einfacher physikalischer Zaubertrick besteht darin, eine Kette über den Handrücken zu legen und danach von unten einen Ring über die Kette zu schieben. Der Ring kann entweder von der zweiten Hand oder der die Kette haltenden Hand gehalten werden. Er wird sodann losgelassen und soll (mit einem Knoten) in der Kette hängen bleiben.
Regenbögen, Halos, Koronen, Himmelsfarben – es gibt eine Vielzahl farbenprächtiger Phänomene in der Natur, verursacht durch Reflexion, Brechung oder allgemein gesprochen durch Streuung des Lichts an Wassertropfen, Eiskristallen oder Aerosolen. Das farbige Glitzern einer Schneeschicht scheint zunächst anderer Natur zu sein, lässt sich aber auf analoge Weise erklären.
Konkav gewölbte Glasfassaden von Großbauten können bei ungünstiger Orientierung zur Sonne zum Brennspiegel werden. Unfreiwillig berühmt gewordene Beispiele sind das Vdara-Hotel in Las Vegas und das “Walkie-Talkie”-Hochhaus in London. Dieser Effekt tritt auch nur an bestimmten Tagen bei passendem Sonnenstand auf. Da die Fassaden keine perfekten Parabolspiegel sind, produzieren sie keinen scharfen Brennpunkt, sondern aufgeweitete Brennflecke, sogenannte Kaustiken. Trotzdem können dort hohe Bestrahlungsstärken auftreten. Simulationen und Experimente mit Modellen bestätigen dies.
Wenn es knallt und kracht
(2014)
An die Knallgasprobe erinnert sich wohl noch jeder aus dem Chemieunterricht. Die Zeitskala, auf der Wasserstoff und Sauerstoff reagieren hängt davon ab, ob die beiden Reaktionsgase zu Beginn getrennt oder gemischt vorliegen. Dies zeigt sich deutlich in Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen von Experimenten, bei denen Luftballons entweder mit reinem Wasserstoff oder aber mit Knallgas gefüllt werden.
Wohl jeder, der schon einmal mit Physik zu tun hatte, kennt die meist grünlichen Leuchtspuren von Oszillographen. Sie ermöglichen es, zeitabhängige Signale zu visualisieren und quantitativ auszumessen, insbesondere auch dann, wenn die Phänomene sehr schnell ablaufen. Die Reaktionsdynamik der leuchtenden Phosphore auf den Bildschirmen wird mit Hochgeschwindigkeits-Videos deutlich sichtbar.
Rohe Eier oder wassergefüllte Christbaumkugeln platzen beim Eindringen des Projektils einer Luftpistole. Dieser Vorgang lässt sich einfach durch die sehr geringe Kompressibilität des Wassers und eine damit verbundene starke Druckerhöhung erklären (Physik in unserer Zeit 2013, 44(5), 251). Eine genaue Analyse aller Vorgänge sollte aber auch Fragen beantworten wie: Spielen vorhandene Luftblasen in der Flüssigkeit eine Rolle? Wie lange dauert es bis zum Aufplatzen, und muss die wassergefüllte Kugel eigentlich fest verschlossen sein?
Gegenstand dieser Arbeit, ist die Rückgewinnung von Frequenzinformationen aus
pulsweitenmoduliertem Licht. Einleitend wird auf das zu bearbeitende Thema eingegangen.
Anschließend werden die Grundlagen erläutert, welche für das Verständnis
der Arbeit notwendig sind. Dem folgt ein Entwurf mit mehreren Möglichkeiten
zur Herleitung eines Satzes von PWM-Frequenzen. Danach wird auf Grundlage der
PWM-Frequenzen, eine Simulation für die Frequenzrückgewinnung durchgeführt.
Für individualisierte Beleuchtungen, bedarf es einer Kommunikation zwischen den Leuchten. Hierfür kann LED-Licht genutzt werden. Für die optische kabellose Kommunikation im sichtbaren Lichtbereich (bzw. Visible Light Communication – VLC) kann eine diskrete Pulsfrequenzmodulation (PFM) für den Einsatz mit indirektem Licht genutzt werden. Ein Konzept zur Pulsfrequenzmodu-lation (PFM) wird vorgestellt und experimentell analysiert. Aufbau und Funktionsweise der PFM werden anhand einer Simulation des Empfängers vorgestellt. Daran anschließend wird in der Sicherungsschicht das Listen Before Talk Verfahren zum koordinierten Kanalzugriff erläutert.