Von Matthias Lang, 5Ma

Was bedeutet Energie?

In den vergangenen Jahren war das Thema Energie in den technischen Fächern stets im Vordergrund. Im Grunde genommen dreht sich alles nur um Energie. Wie kann man sie transportieren? Wodurch kann man sie beschreiben und berechnen? Wie kann man sie in den gewünschten Zustand umwandeln?

Mein Projekt hat den Zweck, Energie und dessen Umwandlung eindrucksvoll zu demonstrieren.

Man nehme einen Stein und werfe ihn auf den Boden. Nicht besonders aufregend, oder? Nun nehme man einen schwereren Stein und mache dasselbe. Schon ein bisschen besser, aber besonders eindrucksvoll ist das auch nicht. Aber nun nehme man wieder diesen Stein, und übersetze seine Energie auf einen Tennisball und schon fliegt dieser mit mehreren Hundert Kilometern pro Stunde durch die Luft. Die unscheinbare Energie des Steins kann doch sehr beeindruckend sein.

Funktionsweise des Katapults

1: Das Gewicht, welches die potenzielle Energie, die später auf den Ball übertragen wird, speichert.
2: Der Ball
3: Die Schnur, welche sich beim Abfeuern vom Wurfarm löst, um den Ball zu werfen.

Bild 1: Das Katapult steht in seiner geladenen Position. Durch das Lösen einer Schnur (nicht im Bild) wird das Gewicht frei und kann Richtung Boden fallen.
Bild 2: Das Gewicht fällt Richtung Boden, wobei es noch nicht viel seiner potenziellen Energie freigegeben hat.
Bild 3: Das Gewicht hat mittlerweile viel Schwung aufgebaut. Durch die hohe Übersetzung der Hebel (3:1) nimmt dadurch der Wurfarm stark an Geschwindigkeit zu und bremst, im Idealfall, das Gewicht stark ab.
Bild 4: Ein Großteil der potenziellen Energie des Gewichts wurde nun auf den Wurfarm und über die Schnur auf den Tennisball übertragen. Im Idealfall würde das Gewicht an dieser Position zum völligen Stillstand kommen. Jedoch wird in der realen Welt das Gewicht zu pendeln beginnen. Der Tennisball hat nun seine Höchstgeschwindigkeit erreicht. Die Schlaufe am Ende der Schnur löst sich, sobald diese einen 45° Winkel zur Vertikalen erreicht, vom Katapult und schleudert den Tennisball mit ca. 150-250 km/h durch die Luft.

Entwurf und Fertigung

Entworfen wurde das Katapult auf der 3D CAD Software Solid Works. Bei der Fertigung waren viele verschiedene Herstellungsverfahren notwendig, wie z.B.: Drehen, CNC Fräsen, Schweißen etc.

Der Rahmen:
Der Rahmen stellte bei diesem Projekt die größte Herausforderung dar. Dieser hatte für eine Schweißkonstruktion verhältnismäßig niedrige Maßtoleranzen, da dieser mittels Schrauben demontierbar sein musste, um ihn mit dem Auto von der Werkstatt der Firma Tore Thaler bis nach Bozen transportieren zu können.

Besonders schwierig war es die Löcher (Rote Pfeile im Bild), in welchen Später der Bolzen befestigt wird, waagerecht zu halten. Sprich, diese Löcher konzentrisch zu fertigen, mit den Mitteln welche ich zur Verfügung hatte. Die einzelnen Dreiecke des Rahmens konnten leider nicht miteinander mittels Zwingen gehalten werden. Zudem hatte ich keinen Bohrer dieser Größe und Länge, welche diese Löcher bohren konnte. Somit musste jedes Loch einzeln gebohrt werden. Mit Erfolg!

Im späteren Verlauf wäre noch eine Pulverbeschichtung für den Rahmen in Planung gewesen.

Der Wurfarm

Der Wurfarm ist das Bauteil, welches den höchsten Belastungen ausgesetzt ist. Er muss auf der einen Seite ein schweres Gewicht tragen und dessen Stoß beim Wurf aushalten und auf der anderen Seite muss er leicht sein, um so viel Energie wie möglich auf den Ball zu übertragen. Aus diesem Grund ist die lange Seite des Wurfarms aus einem Aluminium-Quadratprofil gefertigt und mittels einer Schraubenverbindung und 2 Blechen, mit dem kürzeren und schwereren Schwungarm verbunden. An diesen zwei Verbindungsblechen sind die Kugellager befestigt, welche es dem Arm ermöglichen, um den Bolzen auf welchen sie befestigt sind zu schwingen.

Am Ende des Wurfarms ist ein verstellbarer „Finger“ angeschweißt. Mit diesem kann eingestellt werden, wann die Schlaufe der Schnur sich löst. An der Schnur ist ein Lederkorb, in welchem sich der Ball befindet. Sobald die Schlaufe von diesem Finger rutscht, kann der Ball aus dem Korb fliegen. Der Zeitpunkt, an welchem sich die Schlaufe löst ist sehr kritisch für einen genauen und weiten Wurf. Deshalb ist der Winkel des Fingers einstellbar, da das Abschlüpfen der Schlaufe lediglich vom Reibungskoeffizient der Schnur zum Aluminiumfinger und dessen Winkel abhängt.

Die Fertigung dieser Bauteile war in der Schule möglich. Durch die große Auswahl an hochwertigen Maschinen verlief sie auch dementsprechend reibungslos.

Sponsor

Eine enorme Hilfe bei der Fertigung meines Projekts war die Firma Tore Thaler. Die Firma stellte mir ihre Werkstatt und Materialien zur Verfügung, um mein Projekt umsetzen zu können. Zudem hätten sie mir noch weitere Unterstützung angeboten. Daher möchte ich großen Dank an Tore Thaler aussprechen.

 

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