Fachbereich Technik
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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.
Der Einsatz von Lötverfahren zum Fügen reduziert gegenüber der Schweißtechnik die Prozesstemperaturen und ermöglicht sowohl die Realisierung anspruchsvoller Mischverbindungen als auch das Fügen verzinkter Stähle mit minimaler Zinkschichtverletzung. Aktuelle Entwicklungen von Lotwerkstoffen zielen sowohl in Richtung Absenkung der Schmelztemperaturen als auch in Richtung Festigkeitssteigerung, um die Anwendungsmöglichkeiten noch weiter zu vervielfältigen. Dabei unterliegen sowohl Eisenbasislegierungen als auch Systeme auf Kupfer- oder Zinkbasis einer stetigen Weiterentwicklung. Die bereits heute erreichbaren Festigkeiten reichen bis etwa 900 MPa (CuAl8Mn13Ni2Fe2) bei Kupferbasislegierungen und 410 MPa (AnAl7,5Cu2,5 + 180 ppm Mg) bei Zinklegierungen. Neben der Energieeinsparung durch die reduzierten Prozesstemperaturen beim Fügen und der Möglichkeit Hybridstrukturen herzustellen, ergeben sich außerdem Vorteile bei der Reparatur und dem Recycling von Bauteilen. Da der Zusatzwerkstoff unabhängig vom Grundwerkstoff wiederaufgeschmolzen werden kann, sind eine leichtere Reparatur und auch ein Trennen der Bauteile zum Recycling möglich. Dies führt bei Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus zu einer höheren Energieeffizienz und einer Schonung der natürlichen Rohstoffe und Ressourcen. Durch die steigenden Energie- und Werkstoffkosten und den damit verbundenen Kostendruck rückt dieser Aspekt neben der Machbarkeit und Produktivität langsam, aber sicher ins Blickfeld der Unternehmen. Kostenvorteile ergeben sich außerdem durch Betrachtung und Modifikation ganzer Fertigungsketten. Niedrigschmelzende Zusatzwerkstoffe ermöglichen beispielsweise das Fügen verzinkter Halbzeuge ohne Zinkschichtverletzung. Da Halbzeuge in großen Mengen kostengünstiger verzinkt werden können als fertige Konstruktionen, ist das Fügen verzinkter Halbzeuge insgesamt günstiger als das Verzinken geschweißter Stahlkonstruktionen.
RMOD-K V 7.09
(2007)
There are two aims for the second part of this paper: verifying the theory presented in the first part through parameter variation and comparison between simulation and experiment, and to study the effect of the belt structure on the cornering properties of radial tyres. Research has been carried out with a passenger car radial tyre and two different kinds of truck or bus radial tyres using both simulation and experiment. This second part of the paper shows that belt structure plays an important role in the generation of tyre forces and moments in addition to the effects of the tread stiffness and friction coefficients. The theory and method presented in this paper opens a new robust way to predict the tyre forces and moments from the tyre design and provides a reliable model for a generation mechanism.
Tyre rolling kinematics and prediction of tyre forces and moments: part I - theory and method
(2012)
A new method to describe tyre rolling kinematics and how to calculate tyre forces and moments is presented. The Lagrange–Euler method is used to calculate the velocity and contact deformation of a tyre structure under large deformation. The calculation of structure deformation is based on the Lagrange method, while the Euler method is used to analyse the deformation and forces in the contact area. The method to predict tyre forces and moments is built using kinematic theory and nonlinear finite element analysis. A detailed analysis of the tyre tangential contact velocity and the relationships between contact forces, contact areas, lateral forces, and yaw and camber angles has been performed for specific tyres. Research on the parametric sensitivity of tyre lateral forces and self-aligning torque on tread stiffness and friction coefficients is carried out in the second part of this paper.
Among load cases concerning vehicle suspension strength and durability, the misuse case is very special because of large obstacles. In this paper, an extension of the flexible belt model RMOD-K 7 concerning misuse situations is discussed. In normal rolling conditions, contact occurs between tire and road surface. To handle misuse deformations, the contact between the inner surface of the tire and the rim has to be dealt with. Results of the validation process are shown, leading to normal forces up to 70 [kN]. The model can be used together with mbs full vehicle models. One example is the determination of the critical test velocity, which generates the maximum of suspension stresses and can be found using RMOD-K 7.
Über die Farben der Sonne und des Himmels: Rayleigh- und Miestreuung in Demonstrationsexperimenten
(2002)
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
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
Thermography of Microsystems
(2004)
A procedure to experimentally simulate pollen coronas is discussed. Observed coronas are due to pine and birch pollen having different geometries. Using computer simulations, two-dimensional projections of a large number of pollenlike objects with adjustable shapes, with or without preferential orientation and statistical or regular spatial distribution, are generated. The photograph of the printout allows samples with typical sizes between 20 and 200 µm. Their diffraction patterns can closely resemble the ones observed in nature and predicted by theory.
© 2005 Optical Society of America
Light scattering from small particles changes if the particles are absorbing. Whereas the effect is small for coronas and Bishop's ring, glories show pronounced attenuation with increasing absorption. Results indicate suitable wavelength regions for studies of glory scattering from cloud tops. The behavior of core-shell particles could have applications for studying the atmosphere of Venus; in addition it provides more insight into the simple ray-path model of the glory.
© 2005 Optical Society of America
Solar load and reflection effects and respective time constants in outdoor building inspections
(2009)
Rainbows, water droplets, and seeing—slow motion analysis of experiments in atmospheric optics
(2011)
Many physics processes underlying phenomena in atmospheric optics happen on a rather short time scale such that neither the human eye nor video cameras are able to analyze the details. We report applications of high-speed imaging of laboratory experiments in atmospheric optics with subsequent slow motion analysis. The potential to study respective transient effects is investigated in general and for a few phenomena in detail, in particular for rainbow scattering due to single oscillating droplets during free fall, and for light propagation effects through atmospheric paths with turbulences, leading, e.g., to scintillation of stars or shimmering of mirage images.
© 2011 Optical Society of America
Model simulations of laboratory-generated and natural crepuscular rays are presented. Rays are created in the laboratory with parallel light beams that pass through artificial fogs and milk–water solutions. Light scattered by 90° in a dilute mixture of whole milk first increases in intensity with distance from the source to a maximum as a result of multiple scattering by mainly small angles before decreasing exponentially due to extinction as distance continues to increase. Crepuscular rays are simulated for three cloud configurations. In case 1, the Sun at the zenith is blocked by a cloud with an overhanging anvil. The rays appear white against blue sky and are brightest when atmospheric turbidity, β≈11 . Shading by the anvil separates maximum brightness from apparent cloud edge. In case 2, a ray passes through a rectangular gap in a cloud layer. The ray is faint blue in a molecular atmosphere but turns pale yellow as β and solar zenith angle, ϕsun , increase. At ϕsun=60° it appears most striking when the cloud is optically thick, β≈5 , and the beam width Δx≈1000 m . In these cases, increasing aerosol radius, raer , to about 1000 nm brightens, narrows, and shortens rays. In case 3, the twilight Sun is shaded by a towering cloud or mountain. The shaded rays are deeper blue than the sunlit sky because the light originates higher in the atmosphere, where short waves have suffered less depletion from scattering. The long optical path taken by sunlight at twilight makes color and lighting contrasts of the rays greatest when the air is quite clean, i.e., for β−1≪1 . In all cases, the brightest rays occur when sunlight passes through an optical thickness of atmosphere, τ≈O(1) .
© 2011 Optical Society of America
Gasdetektion mit Infrarotkameras ist eine relativ neue Anwendung. Aufgrund der industriellen Bedeutung einiger Gase wurden sensitive Kameras mit Schmalbandfiltern entwickelt. Heute gibt es kommerzielle Systeme für die Detektion flüchtiger Kohlenwasserstoffe, Schwefelhexafluorid und Kohlenmonoxid. In dieser Arbeit werden Laborergebnisse der Detektion von CO2 vorgestellt und potenzielle Anwendungen diskutiert.