Aerodynamik von Fahrzeugen - RCL “Windkanal”

Schülerinnen und Schüler experimentieren per Fernsteuerung mit Modellautos zum Thema Luftwiderstand und Kraftstoffverbrauch beim Autofahren.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • etwa 4 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt
  • 1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Zahlreiche Autohersteller haben in den letzten Jahren Millionenbeträge für die Modernisierung oder Errichtung neuer Windkanäle investiert. Ihr Ziel ist es, neben der Verringerung störender Windgeräusche (Aeroakustik) durch eine Reduzierung des Luftwiderstands (Aerodynamik) den Kraftstoffverbrauch und damit die Kohlenstoffdioxid-Emission von Kraftfahrzeugen zu senken. Mit dem RCL ?Windkanal? ist ein über das Internet fernbedienbares Modellexperiment zur Untersuchung des Luftwiderstands an verschiedenen Modellautos kostenlos verfügbar. Lernende können damit selbst experimentieren und die physikalischen Grundlagen zum Thema Luftwiderstand erlernen.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Relevanz des Themas

Das Automobil steht in den Industriegesellschaften im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftswachstum, Kostenverursacher und Statussymbol individueller Mobilität, Umweltverschmutzung und zukunftsfähiger Antriebssysteme. Schülerinnen und Schüler wachsen in diesem Spannungsfeld auf und erhalten von Eltern, Mitschülern, Lehrkräften, Freunden und Medien sehr vielfältige Information zum Thema "Automobil". Im Hinblick auf den Führerscheinerwerb entwickeln sie zu Beginn der gymnasialen Oberstufe ein verstärktes Interesse am Automobil.

Luftwiderstand am Automobil

Es bietet sich daher an, das Thema "Luftwiderstand" am Auto zu unterrichten und es in einen weiteren Kontext einzubinden, wie zum Beispiel dem des Kraftstoffverbrauchs. Die Unterrichtseinheit ist so strukturiert, dass die Ausgangsfragestellung "Warum und wozu benötigt ein Auto Kraftstoff?" zur Untersuchung des Luftwiderstands mit dem RCL führt. Ausgehend von der Formel für den Luftwiderstand werden dann wieder weiter gefasste Fragestellungen behandelt: "Wie hoch ist der Anteil des Luftwiderstands am Kraftstoffverbrauch?", "Wie kann eine energiesparende Fahrweise physikalisch begründet werden?".

Unterrichtsmaterial "Aerodynamik von Fahrzeugen" zum Download

Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • Kenntnisse über den Energiestrom vom Benzintank zu weiteren "Energieverbrauchern" des Autos (zum Beispiel Klimaanlage, Radio) und über Fahrwiderstände erwerben.
  • Hypothesen zu den den Luftwiderstand bestimmenden Faktoren entwickeln und diese durch qualitative/halbquantitative Experimente überprüfen.
  • die Abhängigkeit des Luftwiderstands vom Widerstandsbeiwert und der Geschwindigkeit eines Autos quantitativ mit dem RCL "Windkanal" untersuchen.
  • das Einsparpotenzial an Kraftstoff durch Verminderung des Luftwiderstands der Fahrzeuge beurteilen können.
  • Maßnahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs von Autos physikalisch begründen können.

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

Thema"Windkanal" als Remotely Controlled Laboratory (RCL): Luftwiderstand und Kraftstoffverbrauch von Autos
AutorSebastian Gröber
FächerPhysik, Technik
ZielgruppeSekundarstufe II (Sekundarstufe I)
Zeitraumetwa 4 Unterrichtsstunden
Technische VoraussetzungenComputer mit Internetanschluss in der Schule oder Zuhause, javafähiger Browser
SoftwareTabellenkalkulationsprogramm (zum Beispiel Excel) oder Computeralgebrasystem (zum Beispiel Derive oder MuPAD) zur Darstellung und Auswertung von Messdaten

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Sebastian Gröber

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