Fachbereich Technik
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Reusable solid wheels manufactured of the old steel BV1 (nearly equivalent to the solid or monobloc wheel steel R1 according to the new nomenclature) show in some cases rolling defects on the surface of the wheel disc. The fatigue behaviour of such defects is analysed by means of the linear-elastic fracture mechanics and Monte Carlo simulation and assessed to be able to derive the allowable defect size for the non-destructive testing. This paper was firstly presented at the Second International Symposium on Fatigue Design FD’95, held in Helsinki (Finland) on 5 – 8 September 1995. The complete research report is published under the title „Oberflächendefekte im Scheibenbereich” (Manufacturing surface defects in the disc area of solid wheels). The research work was sponsored by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund“ wurde das Thema „Analyse und Bewertung des Verhaltens rißartiger Oberflächendefekte im Scheibenbereich von Eisenbahnvollrädern mit den Metho-den der probabilistischen Bruchmechanik“ behandelt. Der Abschlußbericht zu dem Projekt, das im Zeitraum von 1995 bis 1997 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde, ist an der Fachhochschule in Brandenburg an der Havel im April 1998 fertiggestellt worden. Wiederverwendbare Eisenbahnvollräder von Güterwagen, die aus dem Vollradstahl BV1 her-gestellt wurden, zeigen in einigen Fällen das Vorhandensein von Oberflächenfehlern in Form von Überwalzungen im Bereich der Radscheibe. Analysiert und bewertet wurde im Interesse der Betriebssicherheit das Dauerfestigkeitsverhalten sowie das Rißwachstumsverhalten von Ermüdungsrissen, die von solchen Überwalzungen ausgehen. Um den Einfluß der Streubreite der wesentlichen Parameter der Beanspruchung und der Beanspruchbarkeit auf die Dauerfes-tigkeit und die zyklische Rißausbreitung erfassen und die für die Betriebssicherheit erforderli-chen zulässigen Riß- bzw. Defektgrößen festlegen zu können, sind die bruchmechanischen Analysen als Monte-Carlo-Simulation gestaltet worden. Ziel der Analysen war es, zulässige Defektgrößen für die zerstörungsfreie Bauteilprüfung bei Gewährleistung der Dauerfestigkeit der mit Überwalzungen behafteten Vollräder auf wissenschaftlich fundierter Basis abzuleiten, da praktische Erfahrungen mit derartigen Defekten nicht vorlagen.
Gespiegelt in besondern Düften …: Oasen, Seeungeheuer und weitere Spielereien der Fata Morgana
(1998)
„Wer die Natur liebt, der braucht das Beobachten ihrer Erscheinungen wie die Luft zum Atmen.” — So formulierte Marcel Minnaert das Bedürfnis der Naturbeobachtung im Vorwort seines berühmten Buchs „Licht und Farbe in der Natur” [1]. Bekannte Beispiele für Naturerscheinungen in der Atmosphäre sind Luftspiegelungen, Regenbögen und Halos. Diese optischen Phänomene bieten nicht nur faszinierende Anblicke, sondern beinhalten auch genügend Aspekte für eine interessante Physik (z. B. [2]). — Der vorliegende Artikel geht von grundlegenden physikalischen Betrachtungen aus und zeigt, daß sich alle Phänomene atmosphärischer Optik übersichtlich klassifizieren lassen. Luftspiegelungen werden exemplarisch im Detail behandelt. Viele nützliche Informationen findet man in Standardwerken [1, 3–5]; den aktuellen Stand der Forschung in Konferenzberichten, z. B. [6].
Old and new laboratory experiments on atmospheric optics with a focus on mirages, rainbows, and halos are presented. Some qualitative demonstrations serve primarily didactical purposes, e.g., by proving the existence of curved light rays in media with a gradient of the index of refraction, by directly visualizing the minimum-deviation curve for rainbow paths in water droplets, or by helping to elucidate the ray classes in hexagons that contribute to a specific halo. In addition, quantitative experiments allow a direct comparison of angular positions and intensities with analytical computations or Monte Carlo simulations of light scattering from small water droplets or ice hexagons. In particular, the latter can help us to understand complex halo phenomena.
© 1998 Optical Society of America
Porträts von Naturwissenschaftlern und sachliche Darstellungen aus der Physik finden sich in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens, insbesondere auch auf vielen Banknoten. Die Auswahl -- vorgegeben durch die politisch inspirierte Motivwahl der Notenbanken -- stellt eine interessante Reise durch die Wissenschaftsgeschichte dar.
Schienenfehler in Form von Beschädigungen, Rissen und Brüchen entstehen einerseits durch die Herstellung, andererseits aber vor allem durch die betriebliche Nutzung der Gleise. Ange-sichts neuerer Entwicklungen wurde am 16. und 17. November 2000 an der Fachhochschule in Brandenburg an der Havel ein Internationales Symposium „Schienenfehler“ durchgeführt, um den gegenwärtigen Stand bei der Erfassung und der Behandlung der Schienenfehler sowie bei der wissenschaftlichen Analyse ihres Verhaltens und ihrer Entwicklung zu dokumentieren und einen engen Dialog zwischen Forschung und Praxis anzuregen, um letztlich die Sicher-heit und die Wirtschaftlichkeit des Eisenbahnbetriebes weiter zu verbessern. Die 20 Vorträge befaßten sich mit den Problemkreisen Betriebserfahrungen, Beanspruchung und bruchmecha-nische Analyse, Rollkontaktermüdung und den Lebenszykluskosten. Die Referenten kamen aus Deutschland, Großbritannien, Österreich, Rußland, der Schweiz und Ungarn.
Wahlverhalten von Schülern der Sekundarstufe II im Fach Physik seit 1990 im bundesweiten Vergleich
(2000)
Max Planck legte 1900 mit dem nach ihm benannten Strahlungsgesetz das quantitative Fundament zu so genannten Wärmebildsystemen. 100 Jahre später gibt es — mit bedingt durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und Mikrosystemtechnik — Infrarotkameras, mit denen sowohl die von Planck untersuchten Strahlungsgesetze zur Hohlraumstrahlung als auch allgemein wissenschaftliche und technische Anwendungen der Temperaturstrahlung von Körpern untersucht werden können. Darüber hinaus bieten sich solche Systeme auch für didaktische Zwecke an, da physikalische Gesetzmäßigkeiten mit Energieaustauschprozesssen aus sehr vielen Gebieten der Physik durch eine etwas andere, physikalische Sehweise visualisiert und damit für Lehrzwecke eingesetzt werden können.
Das ist ein seltsam wunderbares Zeichen! Ein Streifzug durch die Kulturgeschichte des Regenbogens
(2000)
Experimentelle Validierung einer optimalen Anfahrstrategie für hochrein trennende Bodenkolonnen
(2000)
Coole Experimente
(2001)
Experimente mit flüssigem Stickstoff kommen in der Lehre - vor allem an Hochschulen - bislang zu kurz. Dabei gibt es schöne Versuche aus nahezu allen Bereichen der Physik, die in Lehrveranstaltungen relativ einfach vorgeführt werden können. Wir stellen hier einige Experimente vor, die eindrucksvoll demonstrieren,wie sich physikalische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen ändern.
Strahlungsgesetz und Augenempfindlichkeit: Bemerkungen zu einer klassischen Fehlinterpretation
(2001)
Die moderne optische Spektroskopie kann geringste Substanzmengen nachweisen. Für schnelle Routinemessungen reichen konventionelle Zweistrahl-Spektralphotometer. Eine wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeit im ppm- oder sogar ppb-Bereich ermöglichen das Atomabsorptions-Spektrometer (AAS) und das Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR). Ein AAS atomisiert die Probe vollständig und weist dann einzelne Elemente nach. Deshalb ist es zum Beispiel für die Schwermetall-Analyse geeignet. Bei der Analyse von Molekülen dominieren heute FTIR-Geräte. Ihr Herzstück ist meist ein Michelson-Interferometer. Zusammen mit schnellen Fourier-Algorithmen erlaubt es, sehr schnell breite Spektren aufzunehmen. Stationäre und mobile FTIR-Geräte können vielfältig eingesetzt werden.
Es werden eine Reihe einfacher Freihandexperimente zum Thema Unterdruck vorgestellt. Viele der Beispiele sind vom grundlegenden Aufbau her bekannt, gestatten jedoch neue Varianten, Erweiterungen bzw. die Korrektur von Fehlvorstellungen. Neben der Druckmessung in Einmachgläsern und der Funktionsweise von Ausgussreinigern und Saughaken werden Druck- sowie Tragfähigkeitsmessungen an Staubsaugern diskutiert. Des weiteren wird untersucht, welche Saughöhe per Strohhalm realisiert werden kann. Es wird eine physikalisch einleuchtende, aber dennoch verblüffende Erweiterung des Versuchs mit dem umgedrehten Wasserglas präsentiert.
Über die Farben der Sonne und des Himmels: Rayleigh- und Miestreuung in Demonstrationsexperimenten
(2002)
Physikdidaktik in Deutschland: Ergebnisse einer Umfrage der Europäischen Physikalischen Gesellschaft
(2003)
Aufgrund einer Initiative der Division of Education der europäischen physikalischen Gesellschaft (EPS) wurde eine europaweite Umfrage zur Physiklehrerausbildung und Forschung in Bereich Fachdidaktik der Physik durchgeführt. Insgesamt wurden Fachleute in 30 Ländern befragt. Da in der Bundesrepublik bezüglich der Lehrerausbildung mit den 16 verschiedenen Regularien der Bundesländer quasi ein kleines Europa existiert, wurde zusätzlich jeweils mindestens ein Fachdidaktiker in jedem Bundesland befragt, um für Deutschland eine detaillierte Analyse vornehmen zu können. Insgesamt ergab sich in Deutschland ein Rücklauf von 22 Fragebögen aus den 16 Bundesländern. Die wesentlichen Ergebnisse der deutschen Umfrage werden im Zusammenhang mit früheren Studien und Empfehlungen zur Fachdidaktik vorgestellt.
An inquiry among national experts on physics education research and teaching has been carried out using a questionnaire that deals with the organization of physics teacher training and the main tasks and research activities of professionals in physics education. The goal was to collect data on a European scale on physics teacher training at universities by professionals as well as on research activities by professionals in the field of physics education. Results are presented based on answers from 22 European countries.
Some laboratory demonstrations on atmospheric optics are presented. The focus is on dispersion effects in mirages, lateral mirages, and inferior mirages produced with small hot plates. We also show a demonstration of the upper-tangent-arc halo, produced with a hexagonal prism, rotating about two axes.
© 2003 Optical Society of America
Der Name der italienischen Stadt Bologna ist für die akademische Bildung in zweifacher Hin-sicht von grundlegender Bedeutung: 1. Im 12. Jahrhundert entstand in Bologna aus einer Juristenschule die erste europäische Universität mit später vier Fakultäten, die zusammen mit der im gleichen Zeitraum entstandenen Universität in Paris das Vorbild für die Hochschulen in Europa wurde. 2. Im Jahre 1999 verabredeten die in Bologna zusammengekommenen Vertreter von 29 Ländern die Bildung eines zu schaffenden „Europäischen Hochschulraums“. Ziel die-ser Verabredung ist die Erhöhung der Mobilität der Studenten sowie die Erhöhung der Internationalität und der Attraktivität des Studiums. Um diese Ziele zu erreichen, sind als Strukturmaßnahmen einzuführen: · gestufte Studiengänge mit den akademischen Abschlüssen Bachelor und Master – ent-sprechend dem angelsächsischen, speziell dem US-amerikanischen Bildungssystem – sowie als weitere Möglichkeit ein Doktoratsstudiengang, · die an den Hochschulen durchgeführten Lehrveranstaltungen zu modularisieren, d.h. zu Komplexen, den sogenannten Modulen, zusammenzufassen · und ein Vergleichssystem zur Bewertung des Studienaufwandes als Europäisches Kreditpunkt-Transfer-System (ECTS-System). Anfangs wurde das neue Graduierungssystem als Alternative zu dem in Deutschland beste-henden System propagiert. Seitens der Politik wird jedoch in zunehmendem Maße darauf ge-drängt, das bisherige System der Staatsexamens-, Diplom- und Magister-Studiengänge mit dem Jahr 2010 generell abzuschaffen und durch das gestufte Bachelor-Master-System zu er-setzen, wobei · ausschließlich das gestufte Bachelor-Master-System finanziell gefördert wird, · eine großflächige Erprobung aber übersprungen · und eine allgemeine breite Akzeptanz bei den Studenten und in der Gesellschaft nicht abgewartet werden soll. Um den Stand der akademischen Bildung in Deutschland werten zu können, ist ein Rückblick auf die Entwicklung in den vergangenen Jahrhunderten notwendig. Neben bemerkenswerten Veränderungen zeigt sich auch eine gewisse Kontinuität bei den Hochschulen. Im Umfeld der Hochschulen vollziehen sich gegenwärtig Umbrüche in vielfältiger Form in Deutschland, aber auch in anderen europäischen Ländern. Um diese mit ihren nicht unbedingt als positiv einzu-schätzenden Auswirkungen verstehen zu können, ist ein kritischer Blick auf das US-amerikanische Hochschul-Bildungssystem hilfreich. Die vorgesehenen Strukturänderungen bei der akademischen Ausbildung sind nicht ein rein „akademisches“ Problem. Sie sind letztlich in hohem Maße problematisch für die gesamte Gesellschaft und insbesondere auch für die künftige Leistungsfähigkeit der Volkswirtschaft unseres Landes.
Die Bologna-Deklaration ist eine politische Willensbekundung der Unterzeichner, die durch die informelle Versammlung der europäischen Wissenschaftsminister vorangetrieben wird. Wegen des fehlenden Rechtscharakters der Deklaration gibt es keine rechtliche Verpflichtung, die vereinbarten Ziele umzusetzen, keine Rechtsansprüche oder Verpflichtungen zwischen den Teilnehmerländern untereinander, insbesondere auch keinen Anspruch auf Anerkennung der Studien und Abschlüsse im Ausland. Die platte Übernahme der US-amerikanischen Abschlußbezeichnungen des gestuften Studiums stellt einen Bruch mit den Traditionen der deutschen Hochschulen dar und steht im offenen Widerspruch zu der im Bologna-Abkommen feierlich unterzeichneten Achtung vor der eigenen Kultur, Sprache und Tradition. Während die durch das gestufte Studiensystem charakterisierten angelsächsischen Länder von ihrem traditionellen System Abschied nehmen und – teilweise expressis verbis – auf das einhundertjährige bewährte deutsche Diplomstudium zugehen, verordnen Politiker unseren Hochschulen eine Roßkur mit höchst fatalen Folgen für die Zukunft. Diesen Bestrebungen sollte Einhalt geboten werden, damit in Ruhe und mit Überlegung eine inhaltliche Reform begonnen werden kann, die die Stärken unseres Bildungssystems wieder innerhalb Deutschlands und weltweit zur Geltung bringt, anstatt es auf das niedrigste bekannte Niveau des Bachelors zu reduzieren.
Fahrflächenschäden
(2004)
In der Fachliteratur wurde mehrfach versucht, die durch Rollkontaktermüdung hervorgerufenen Schienenfehler bruchmechanisch zu analysieren, wobei zufriedenstellende Lösungen offensichtlich nicht gefunden wurden. Die eigenen bruchmechanischen Analysen wurden bei Berücksichtigung der Kaltverformung des Schienenmaterials durchgeführt, wodurch die Materialeigenschaften nicht mehr isotrop, sondern orthotrop und abhängig vom Grad der Kaltverformung sind. Die bruchmechanischen Rißausbreitungsanalysen wurden unter der konservativen Annahme eines geneigten Einzelrisses bei zweidimensionaler Idealisierung durchgeführt. Hinsichtlich der Beanspruchung wurde angenommen, daß die Schiene an der Fahrfläche biege-druck- und kontakt-beansprucht ist. Die bruchmechanischen Analysen wurden als Monte-Carlo-Simulation gestaltet, wobei die bruchmechanischen Rißwachstumseigenschaften in Abhängigkeit der jeweils erreichten Rißtiefe berücksichtigt wurden. Aus dem Streufeld der simulierten Rißausbreitungskurven wurde als repräsentativ diejenige Kurve genommen, der eine Rißwachstumsgeschwindigkeit von 90% zugeschrieben wurden kann. Diese repräsentative Rißwachstumskurve wurde modifiziert, um letztlich eine Kurve zur Bewertung der sich entwickelnden Rollkontaktermüdungsrisse abzuleiten. Die Analysen für die Head Checks und die Squats unterscheiden sich nur durch unterschiedliche Rißneigungswinkel, die für Head Checks im Mittel 16,4°, für Squats im Mittel 10,1° betragen. Um das bruchmechanische Problem der Ausbreitung der Rollkontakt-Ermüdungsrisse umfassend zu betrachten, sind auch Analysen und Bewertungen für Risse vorgenommen worden, die aus der geneigten Richtung in den Querschnitt der Schiene umgeschlagen sind. Der Querriß wird idealisiert mit einer geraden, horizontalen Rißfront, wobei anders als bei den Rollkontakt-Ermüdungsrissen die Temperaturbeanspruchung für das Rißwachstum wesentlich ist. Angesichts des Umstandes, daß Head Checks in großer Zahl hintereinander auftreten, und daß eine dann gebrochene Schiene bei der weiteren Beanspruchung durch die Fahrzeuge weitere Brüche zur Folge hat, ist ebenfalls analysiert worden, wie tief die Risse sein müssen, die zu derartigen Folgebrüchen führen. Die an der Fachhochschule Brandenburg durchgeführten bruchmechanischen Untersuchungen wurden finanziert von der Dr. Hermann und Ellen Klaproth-Stiftung und von der Deutschen Bahn AG betreut. Beiden Institutionen sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Haushaltsmikrowellen bieten ein interessantes Feld für einfache, teilweise spektakuläre Vorführexperimente. Mit Thermofaxpapier und Infrarotkamera lassen sich zum Beispiel die Modenverteilungen des Zentimeterwellenfeldes im Garraum sichtbar machen. Eine Reihe von Versuchen kann die Absorption durch Metalle zeigen, besonders interessant sind dabei dünne Drähte und Drahtspitzen: Lampenbirnen glühen und Wunderkerzen zünden von selbst. Mikrowellen können auch Entladungslampen starten, Wasser im Eisblock erhitzen und Eier explodieren lassen.
Die Physik der Haushaltsmikrowelle ist erstaunlich reichhaltig: Sie umfasst die Erzeugung von Mikrowellen in Magnetrons, Wellenleiter und Resonatoren für elektromagnetische Felder, die dielektrische Relaxation bei der Orientierungspolarisation von Wasser, und die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen in Materie. Eine Abschätzung der Bedingungen für Multiphotonenionisation und Dissoziation zeigt, dass Haushaltsmikrowellen Speisen chemisch nicht verändern können.
Don't put metal objects in the microwave' is common safety advice. But why? Here we describe demonstration experiments involving placing household metallic objects in a microwave oven. These allow a better understanding of the interaction of microwaves with materials. Light bulbs and discharge lamps can also be used in instructive demonstrations.
Microwave ovens can be used to perform exciting demonstrations that illustrate a variety of physics topics. Experiments discussed here show superheating, visualize the inhomogeneous heating that takes place in a microwave and also show how to use a mobile phone to detect radiation leaking from the oven. Finally eggs can give some spectacular (though messy) explosions. In all cases please note the safety advice given.
This article forms the second of two papers on the subject of microwave cookers. In the first paper Michael Vollmer describes the physics behind the production of microwaves in the magnetron of the oven, the waveguide and the interaction between the microwaves and the food. This article looks at the physics of cooking, and how the appliance and the food industries have developed products which are now part of many of our students' lifestyles. We include many interesting demonstrations that illustrate this history and which could be used to teach many principles of physics.
This is the first of two articles about the physics of microwave ovens. This article deals with the generation of microwaves in the oven and includes the operation of the magnetrons, waveguides and standing waves in resonant cavities. It then considers the absorption of microwaves by foods, discussing the dielectric relaxation of water, penetration depths of electromagnetic waves in matter and, in considering the possible chemical changes during the microwave heating, multi-photon ionization or dissociation.
Thermography of Microsystems
(2004)
Im Bereich des Querschnittsübergangs der Federstelle bilden sich unter ungünstigen Umständen im Fuß von Zungenschienen Ermüdungsrisse, die letztlich den Bruch der Schiene verursachen können. Zur Qualifizierung der Bewertungskriterien, d.h. des Prüfzyklusses der zerstörungsfreien Prüfung der Zungenschienen, wird die bruchmechanische Analyse als Monte-Carlo-Simulation gestaltet. Aus dem ungünstigsten Risswachstumsverhalten wird für die zerstörungsfrei ermittelte Rissgröße der erforderliche Prüfzyklus in Abhängigkeit von der Betriebsbelastung abgeleitet.
Aus einer Gegenüberstellung der Absolventenzahlen der jeweiligen Abschlüsse in Deutschland und den USA ergibt sich der Schluß, daß durch die Einführung der Bologna-Abschlüsse zusammen mit den konkreten politischen Zielvorgaben das akademische Bildungsniveau in Deutschland in einem für ein Industrieland gefährlichem Maße gesenkt werden wird.
Trotz seiner dringenden Reformbedürftigkeit ist auch heute noch das deutsche Diplomstudium grundsätzlich erfolgreich und erneuerungsfähig. In Kenntnis der neueren internationalen Entwicklungen in Dänemark, Finnland, Griechenland, Großbritannien, den USA und Indien ist es vorschnell und nicht zu akzeptieren, das seit mehr als einem Jahrhundert existierende deutsche Hochschuldiplom zum Auslaufmodell zu erklären und die akademische Bildung ausschließlich auf das angeblich international – von wem auch immer – anerkannte Bachelor-Master-System umzustrukturieren.