Geschwindigkeitsmessung
In unserem Physiklabor können wir experimentell eine von mehreren Methoden anwenden, um die Geschwindigkeit von Objekten zu messen.
Stoppuhr und Meterstab:
Die einfachste Art, die Geschwindigkeit zu messen, ist die Verwendung einer Stoppuhr und eines Meterstabs. Wenn man nicht unvorsichtig ist, sind Fehler bei Experimenten nur selten auf menschliches Versagen zurückzuführen. Allerdings ist eine Stoppuhr nur so gut wie der Mensch, der sie bedient. Die menschliche Reaktionszeit beträgt bestenfalls den Bruchteil einer Sekunde (1/5), und schon das kann zu einem Fehler führen.
Fotogate und Meterstab
Den Faktor des menschlichen Fehlers können wir ausschalten, indem wir ein Fotogate verwenden. Wenn unser bewegliches Objekt einen Lichtstrahl blockiert, löst es den Start unseres Zeitmessers aus. Wenn es ein zweites Tor blockiert, kann der Timer gestoppt werden. Einige Fotogatter sind eigenständige Geräte, andere können mit einem Computer verbunden werden. Man kann Photogates auch so einstellen, dass sie die kürzere Zeit messen, die der Strahl blockiert wird, wenn ein Objekt einer bestimmten physischen Größe den Strahl blockiert.
Tickertape und Meterstick
Ein Tickertape-Gerät gibt ein sehr unheimliches Geräusch ab. Es hat einen kleinen Metallstift, der mit 60 Zyklen/Sekunde auf und ab hüpft. Diese Frequenz ergibt sich aus der Frequenz des Wechselstroms, mit dem das Gerät betrieben wird. Ein langes Stück Laufschriftband wird an dem sich bewegenden Objekt befestigt und durch die Maschine gezogen, während sich das Objekt bewegt. Ein Stück Kohlepapier wird zwischen den vibrierenden Stift und das Laufband gelegt. Jedes Mal, wenn der Stift auf das Papier aufprallt, hinterlässt er einen Kohlepunkt auf dem Papier. Der Abstand zwischen diesen Punkten kann nach dem Experiment mit einem einfachen Meterstab gemessen werden. Die Zeit zwischen den Punkten beträgt einfach 1/60 einer Sekunde. Es ist aufschlussreich festzustellen, dass der Abstand zwischen den Punkten umso größer ist, je schneller sich ein Objekt bewegt.
Ultraschall-Bewegungssensoren ähneln den Radarpistolen, die meine Polizeibeamten zur Messung der Geschwindigkeit von Autos auf der Autobahn verwenden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass diese Sensoren Ultraschallwellen verwenden. Dabei handelt es sich um Schallwellen mit einer so hohen Tonhöhe, dass sie den menschlichen Hörbereich übersteigen. Der Sensor sendet die Ultraschallwellen in einem gebündelten Kegel aus. Wenn die Wellen zum Sensor zurückprallen, wird die Schallwelle aufgefangen. Aufgrund der Doppler-Verschiebung können wir die Geschwindigkeit des Objekts genau messen.
Videobildanalyse: Vor Jahren konnten wir mit einem Stroboskoplicht Fotos machen, um kinematische Messungen durchzuführen. Wenn man sich Stroboskop-Fotos ansieht, kann man deutlich erkennen, wie der Abstand zwischen den Bildern mit der Geschwindigkeit zunimmt.
Heutzutage können wir mit einer Webcam oder einem Mobiltelefon Videomaterial aufnehmen. Da das Video mit 30 Bildern/Sekunde aufgenommen wird, kennen wir das Zeitintervall des Fotos. Wenn wir das Verhältnis zwischen Pixelgröße und Entfernung kennen, können wir die Geschwindigkeit leicht bestimmen. Dies ist möglich, wenn wir die Größe eines Objekts im Video kennen. Oder man kann einen Meterstab als Referenzmaßstab in das Video einfügen. Allerdings muss man auf die Auswirkungen der Parallaxe auf das Videobild achten. Wenn ein Objekt weiter entfernt ist (oder aus einem anderen Winkel), erscheint es kleiner. Eine diskrete Methode wäre die Verwendung von LoggerPro oder VideoPhysics von Vernier Software. In dieser Software klicken Sie bei jedem Bild auf die Position des Objekts, das Sie analysieren möchten.