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4. Phase

Mo­dell­bil­dung zur Vor­her­sa­ge

Stun­de 12 und 13: Si­mu­la­ti­on aus dem Be­reich der Raum­fahrt

Mit dem Ar­beits­blatt 12_13_nvm_­ra­ke­ten­start soll der Start einer Ra­ke­te un­ter­sucht und auf die ver­schie­de­nen Pro­ble­me der Si­mu­la­ti­on ein­ge­gan­gen wer­den. Die Bei­spie­le sind in Coach und al­ter­na­tiv in der Ta­bel­len­kal­ku­la­ti­on Calc um­ge­setzt, da die An­zahl der Be­rech­nun­gen so groß ist, dass Geo­Ge­bra nicht mehr per­for­mant ar­bei­tet.

Fol­gen­de Lehr­vi­de­os kön­nen einem bei der Be­nut­zung der Ta­bel­len­kal­ku­la­ti­on hilf­reich sein:
00_nvm_­li­bre­of­fice­_­cal­c_­bild­lauf­leis­te
00_nvm_­li­bre­of­fice­_­cal­c_­dia­gramm
00_nvm_­li­bre­of­fice­_­cal­c_­feh­ler­quel­len_bei_­si­mu­la­tio­nen
00_nvm_­li­bre­of­fice­_­cal­c_­for­mel-un­d_­zah­len­an­sicht
00_nvm_­li­bre­of­fice­_­cal­c_­na­men­_von_zel­len

Die in den Ar­beits­auf­trä­gen ver­wen­de­ten Daten der Auf­ga­ben 1 bis 3 stam­men von der Ra­ke­te A5, wel­che 1938 bis 1939 von Wern­her von Braun für die Deut­schen ent­wi­ckelt wurde. Diese Ra­ke­te wird hier ver­wen­det, da sie eine ein­stu­fi­ge Ra­ke­te ist, deren Daten be­kannt sind, die nicht zu hoch steigt und somit die Si­mu­la­ti­on gut über­prüf­bar ist. Die Daten stam­men von der In­ter­net­sei­te https://​www.​bernd-​lei​tenb​erge​r.​de/​a4.​shtml (ab­ge­ru­fen Feb/2020).

In Ar­beits­auf­trag 1 wird ohne Brenn­schluss mo­del­liert,
in Ar­beits­auf­trag 2 mit Brenn­schluss und
in Ar­beits­auf­trag 3 wird der Luft­wi­der­stand mit in die Si­mu­la­ti­on ge­nom­men.
Die Er­geb­nis­se der Si­mu­la­tio­nen stim­men mit den his­to­ri­schen Daten über­ein.

Als nicht mi­li­tä­ri­sche Ra­ke­te bie­tet sich die Emer­au­de, die auch ohne Ober­stu­fen als Hö­hen­for­schungs­ra­ke­te ein­ge­setzt wurde, an (https://​www.​bernd-​lei​tenb​erge​r.​de/​dia­mant.​shtml, hier als erste Stufe der Dia­mant A auf­ge­führt oder https://​de.​qwe.​wiki/​wiki/​Emer­au­de_(ro­cket)). Das Pro­blem bei die­sem Bei­spiel ist, dass die Daten aus Brenn­stoff, Brenn­dau­er und Schub in sich nicht kon­sis­tent sind, so dass ein Ver­gleich zwi­schen An­ga­ben und Si­mu­la­ti­on nur in ge­wis­sen Gren­zen mög­lich ist.

Im Bil­dungs­plan ist als Bei­spiel noch die Sa­tel­li­ten­bahn ge­nannt.

Die­ses Bei­spiel wurde nicht aus­ge­ar­bei­tet, da man mit dem Euler-Ver­fah­ren keine ge­schlos­se­ne El­lip­sen­bahn be­kommt und auf stär­ke­re Ver­fah­ren, wie z.B. das Runge-Kutta-4-Ver­fah­ren aus­wei­chen muss. Somit ist die Sa­tel­li­ten­bahn für die Ver­wen­dung einer Ta­bel­len­kal­ku­la­ti­on zu kom­pli­ziert. Ver­wen­det man ein gra­fi­sches Mo­dell­bil­dungs­pro­gramm, wie z.B. Coach, und kann den Re­chen­al­go­rith­mus ein­fach auf RK4 um­stel­len, so kann man die Sa­tel­li­ten­bahn gut im Un­ter­richt be­han­deln.

Sie ist ein schö­nes Bei­spiel für die un­ge­stör­te Über­la­ge­rung von Be­we­gun­gen. Das Mo­dell ist in fol­gen­dem Fluss­dia­gramm dar­ge­stellt, wenn man die Erde un­be­weg­lich als Mit­tel­punkt des Ko­or­di­na­ten­sys­tems ver­wen­det:

Flussdiagramm Satellitenbahn

Links ist die be­schleu­nig­te Be­we­gung für die x-Ko­or­di­na­te, rechts für die y-Ko­or­di­na­te dar­ge­stellt. In der Mitte ist die Kopp­lung: Der Ab­stand r zur Erde wird über die x- und y- Ko­or­di­na­te be­rech­net. Die­ser ist für die An­zie­hungs­kraft maß­geb­lich, wel­che wie­der in die ein­zel­nen Kraft­kom­po­nen­ten Fx und Fy zer­legt wird. Für diese Zer­le­gung soll­ten die Schü­ler und Schü­le­rin­nen be­reits etwas mit Vek­to­ren rech­nen kön­nen.

 

Un­ter­richts­ver­lauf: Her­un­ter­la­den [odt][291 KB]

Un­ter­richts­ver­lauf: Her­un­ter­la­den [pdf][375 KB]

 

Wei­ter zu Ko­pier­vor­la­gen