Das Luftballon-Auto
Ziel des Experiments
In diesem Experiment bauen wir ein Fahrzeug, das sich allein durch die Kraft der ausströmenden Luft eines Luftballons fortbewegt. Dabei sollen die physikalischen Prinzipien des Rückstossantriebs und des 3. Newtonschen Gesetzes (Actio = Reactio) praktisch beobachtet und verstanden werden. Wir untersuchen, wie Ballongrösse, Düsendurchmesser und Luftdruck die Schubkraft und Reichweite beeinflussen.
Materialien
Aufbau & Durchführung
1Papieruntergrund vorbereiten
Ein rechteckiges Stück Papier wird als stabile Basis für das Auto zugeschnitten. Es dient als Auflagefläche für die Achsen und den Aufbau.
2Strohhalme bereitlegen
Zwei Strohhalme werden als Achsen verwendet. Sie werden später quer unter der Papierbasis befestigt und dienen als Lager für die Räder.
3Räder vorbereiten
Vier Flaschendeckel werden mittig durchbohrt, sodass sie auf die Strohhalm-Achsen passen. Die Löcher sollten gerade so gross sein, dass die Deckel leicht drehen können.
4Strohhalme als Achshalter befestigen
Die beiden Strohhalme werden parallel im richtigen Abstand auf die Papierbasis geklebt. Sie müssen genau ausgerichtet sein, damit das Auto später geradeaus fährt.
5Achsbasis auf der Flasche befestigen
Die Papierbasis mit den Strohhalmen wird auf der Unterseite der PET-Flasche mit Klebeband fixiert. Die Flasche dient als Karosserie des Autos.
6Räder anbringen
Die vier vorbereiteten Deckel werden auf die Enden der Strohhalme gesteckt. Sie sollten frei drehbar sein, ohne zu wackeln.
7Luftballon befestigen
Der Luftballon wird über den Flaschenhals gestülpt und mit Klebeband luftdicht fixiert. Für eine bessere Abdichtung kann zusätzlich ein Gummiband verwendet werden.
8Spoiler anbringen (optional)
Ein kleiner Karton-Spoiler wird hinten auf der Flasche angebracht. Er verbessert die Aerodynamik und verleiht dem Auto einen stabileren Geradeauslauf.
9Fertig – Testlauf!
Den Ballon aufblasen, das Auto auf den Boden stellen und loslassen. Beobachte, wie die ausströmende Luft das Auto nach vorne treibt.
Wissenschaftliche Erklärung
Das Luftballon-Auto funktioniert nach dem Prinzip des Rückstossantriebs. Die im Ballon gespeicherte Druckluft wird nach hinten ausgestossen. Gemäss dem 3. Newtonschen Gesetz entsteht dabei eine gleich grosse Gegenkraft, die das Auto nach vorne beschleunigt. Im Folgenden werden die wichtigsten physikalischen Aspekte erläutert.
⚡ 3. Newtonsches Gesetz (Actio = Reactio)
Wirkt ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper aus, so wirkt der zweite eine gleich grosse, aber entgegengesetzt gerichtete Kraft auf den ersten zurück. Die ausströmende Luft (Actio) erzeugt die Gegenkraft, die das Auto antreibt (Reactio).
🎈 Druckunterschied
Im aufgeblasenen Ballon herrscht ein höherer Druck als in der Umgebung (Überdruck). Beim Öffnen strömt die Luft zum Druckausgleich nach aussen. Je grösser der Ballon, desto mehr Luft steht zur Verfügung – der Schub ist stärker.
📐 Düsenwirkung & Kontinuitätsgleichung
Ein verengter Auslass (Strohhalm als Düse) sorgt dafür, dass die Luft schneller ausströmt. Nach der Kontinuitätsgleichung muss das Produkt aus Querschnittsfläche und Geschwindigkeit konstant bleiben: Eine kleinere Öffnung führt zu einer höheren Austrittsgeschwindigkeit.
📊 Schubkraft & Impuls
Die Schubkraft ergibt sich aus dem Produkt von Massenstrom (ṁ) und Austrittsgeschwindigkeit (v). Eine engere Düse erhöht die Geschwindigkeit, ein grösserer Ballon den Massenstrom. Die optimale Kombination liefert die maximale Reichweite.
Interaktive Strömungssimulation
Die Simulation zeigt den Luftstrom aus dem Ballon in Echtzeit. Probiere verschiedene Einstellungen aus und beobachte, wie sich die Strömung verändert.
🌀 Realistische Luftströmung & Kräfte
Quellenverzeichnis
- Newton, I. (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. London. – 3. Bewegungsgesetz (Actio = Reactio).
- Bernoulli, D. (1738). Hydrodynamica. Strassburg. – Druck- und Geschwindigkeitsbeziehung in Strömungen.
- Euler, L. (1757). «Principes généraux du mouvement des fluides.» Mémoires de l'Académie des Sciences de Berlin. – Kontinuitätsgleichung und Impulserhaltung.
- Tipler, P. A. & Mosca, G. (2015). Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. 7. Auflage. Springer Spektrum. – Kapitel 8: Impuls und Stösse.
- LEIFIphysik – Kräftegleichgewicht
- Schubu.at – Impuls & Rückstoss
- LMU München – Didaktik der Physik: Ballon-Rakete