Fachbereich Technik
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Abstract
So far experiments with artificial halos from single transparent crystals have suffered from the lack of apparatus that allows simultaneous rotation around two and three axes. A new setup is presented which overcomes these restrictions by combining electrical as well as pneumatic concepts. This enables reproducible experiments of the most common halos observed in nature and for the first time artificial ring halos from single hexagons rotating around three axes simultaneously. In addition, an old qualitative halo demonstration based on perceived colors of rotating colored areas whose contours represent scattering plots has been reinvestigated and the usually nonsaturated color of artificial parhelia was visualized using a crossed prism method. These new experiments are discussed in the context of all known artificial halo experiments.
© 2014 Optical Society of America
Abstract
The brilliant visible colors of various hot springs and pools in Yellowstone National Park are explained with a combination of scattering from the water and from microbial mats that coat the bottoms of these thermal features. A simple 1D radiative transfer model was used to simulate the colors recorded in visible photographs and the spectrum of light making up these colors. The model includes attenuation in water by absorption and molecular scattering as well as reflection characteristics of the microbial mats and surface reflection of the water. Pool geometries are simulated as simple rough cones scaled to have depths and widths that match published data. Thermal images are also used to record the spatial distribution of water skin temperature. The measurements and simulations confirm that colors observed from shallow-water features arise primarily from the spectral properties of the microbial mat, which is related to the water temperature, while colors observed from deeper water arise primarily from the wavelength-dependent absorption and scattering in the water.
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.
High speed - slow motion II : more experiments using gases, fluids, heat and electromagnetism
(2010)
Locomotion by blowing into the sail of your own sailboat: Muenchhausen story or real physics?
(2005)
Coronas and glories
(2005)
German safety regulations and best practices to prevent accidents regarding the Gumi accident
(2013)
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.
Double pane windows are common objects which can enrich physics teaching at undergraduate level at least in five different fields. First, having sealed inner spaces filled with gas, one can discuss gas law problems upon changes of pressure and/or temperature. Second, when discussing temperature differences between inside and outside, one needs to take into account the associated heat transfer mechanisms which define the pane temperatures, enclosing the gas. Third, using elastic properties of the glass, one may treat deformations of the window panes upon those changes or additional manually applied external pressure. Fourth, the reflective properties of glass combined with the pane deformations result in concave or convex mirrors, which when illuminated by the Sun, may lead to focal points on projection areas such as facing houses. Fifth, such areas receive an increased irradiance which leads to associated thermal effects. Starting from the most obvious daily life phenomenon, the fascinating caustics of reflected sunlight on streets or walls, all of these double pane window phenomena are investigated experimentally as well as theoretically.
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?
A cone of light appears in a tank of water when a laser pointer shines through the water onto a white piece of paper upon which the tank is sitting. We describe how students can understand the origins of this cone by constructing multiple explanations, then proposing and designing experiments to test their explanations. This process is the foundation of the Investigative Science Learning Environment (ISLE) framework, designed to engage students in the reasoning activities similar to those that physicists use to construct and apply new knowledge. We describe typical student ideas and provide a list of equipment and suggestions for facilitating student exploration relating to optics. We also explain the formal physics behind the phenomena that are involved in the experiment. Finally, we suggest how the ISLE framework can be used to help instructors find problems and experiments that engage students in devising and testing multiple explanations.
Infrared
(2013)
nfrared spectrometry is one of the most important tools in the field of spectroscopic analysis. This is due to the high information content of spectra in the so-called spectroscopic fingerprint region, which enables measurement not only of gases, but also of liquids and solids. Today, infrared spectroscopy is almost completely dominated by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. FTIR spectroscopy is able to detect minute quantities in the ppm and ppb ranges, and the respective analyses are now standard tools in science as well as industry. Therefore FTIR spectroscopy should be taught within the standard curriculum at university to physicists and engineers. Here we present respective undergraduate laboratory experiments designed for students at the end of their third year. Experiments deal first with understanding the spectrometer and second with recording and analysing spectra. On the one hand, transmission spectra of gases are treated which relate to environmental analytics (being probably the most prominent and well-known examples), and on the other hand, the focus is on the transmission and reflection spectra of solids. In particular, silicon wafers are studied—as is regularly done in the microelectronics industry—in order to characterize their thickness, oxygen content and phonon modes.
The physics behind the sometimes strange effects and 'unnatural' appearance of near-infrared (NIR) photographs is discussed in terms of reflection, absorption and transmission of NIR radiation with the respective objects. Besides discussing how NIR cameras work, several visible and NIR photograph pairs are presented, which include vegetation, natural water, clouds, the sky, and humans. In addition, some physics-oriented experimental NIR images are presented which clearly demonstrate some of the basic physics behind some of these awesome sights.
The content of a student lab course is described which deals with characterization of the most important parameters governing the performance of infrared cameras. In detail, the parameters describing the temperature resolution, spatial resolution and time resolution of commercial IR cameras are analysed using simple lab experiments. Understanding the respective performance of the system is the prerequisite for applying infrared thermal imaging to quantitative measurements in physics and technology.
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.
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.
Eisenbahnschienen können unter Betriebsbedingungen brechen. Mit Hilfe der Bruchmechanik lassen sich das Risswachstums- und Bruchverhalten der Schienen untersuchen. Um dieses Verhalten z.B. im Hinblick auf die zerstörungsfreie Prüfung der Schienen im Gleis analysieren zu können, müssen die folgenden Einzelheiten bekannt sein:
Betriebs- und Bruchbedingungen (Schienentyp, Radkräfte, Biegemomente, Temperaturen, Normalkräfte und Eigenspannungen),
die bruchmechanischen Eigenschaften des Schienenstahls unter Betriebsbedingungen,
die Form der Risse und die entsprechenden Spannungsintensitätsfaktoren.
Für Schienen des Typs R65 sind die Spannungsintensitätsfaktoren für Querrisse, die von der Fahrfläche ausgehen, mit dem FEM-Programm ANSYS berechnet worden für die radkraftbedingte Biegung, für Temperatur-Normalkräfte sowie für die Längseigenspannungen.
Brazing as the key to resource-efficient and energy-efficient joining in the product life cycle
(2010)
Arc attachments on aluminium during tungsten electrode positive polarity in TIG welding of aluminium
(2011)
In modem AC power sources, both balance and current of EP (tungsten electrode positive) and EN (tungsten electrode negative) can be readily adjusted. According to conventional assumptions the surface of aluminium workpieces is cleaned during EP but the tungsten electrode is more heated due to electron work function. During EN the tungsten electrode cools down and the workpiece is melted. Therefore, optimal settings of the power source mostly aim for maximal penetration and minimal electrode wear. This paper presents a study of arc attachments in TIG welding on aluminium. Two different arc attachments to the cathodic workpiece could be attested with only one of them actually cleaning the surface. The first one is a spot mode (highly dynamic) that attaches to the edges of oxide layers and cracks them. The second one is also a spot mode, but it attaches to weld pools. It does not clean the surface but heats the base material intensively. Both arc attachment modes compete against each other. As a result, the cleaning area narrows with wider weld pools due to an increasing attachment to the weld pool during EP. The influences on the arc attachment to the aluminium cathode as well as the contradictions in present literature are discussed. Possible adjustments of the AC balance for optimized processes are proposed.