Freestyle Physics 2004: Turmbau für Pisa

Nachdem wir - das sind Matthias Tasche, Maike Bock, Simon Wecker und ich, Fabian Bürger - letztes Jahr beim Physikwettbewerb Freestyle-Physics in Duisburg mit unserer Papierbrücke erfolgreich den zweiten Platz erreicht hatten, beschlossen wir dieses Jahr wieder am Wettbewerb teilzunehmen. Doch noch bevor wir die Anmeldung zu Freestyle-Physics ausgefüllt hatten, gab uns Herr Kurzrock, unser Physik-LK Lehrer, die Unterlagen für einen weiteren Wettbewerb: Türme für Pisa. Auch wenn dieser Name auf Schüler eher provozierend wirkt, beschlossen wir dort ebenfalls teilzunehmen, ohne vorher zu wissen, wie viel Aufwand dies für uns bedeuten würde.

Doch zunächst möchte ich über Freestyle-Physics berichten. In diesem Jahr wurden folgende Wettbewerbe ausgeschrieben: Wasserrakete, Ultraleichtflieger, schiefer Wurf (Treffen eines Zieles mit einem Tennisball), optische Täuschung, Papierkran und Kettenreaktion.

Auch dieses Mal suchten wir uns die kreative Papierbastelaufgabe aus: Es sollte der Papierkran sein, der bei einer Standfläche in Din A4-Größe ein 400g Gewicht in 40cm Höhe und 25cm vor der Standfläche tragen musste. Die erlaubten Materialien waren ähnlich wie im letzten Jahr: Schreibmaschinen-papier, Klebstoff und Bindfaden; zusätzlich durfte Sand verwendet werden, um ein Gegengewicht zu bauen.

Dieses Gegengewicht wurde auch benötigt, damit der Kran bei Belastung nicht umkippen konnte. Die Schwierigkeit war nur, dass der Kran auch ohne angehängtes Gewicht sicher stehen musste. Unsere Idee bestand darin, kein starres Gewicht zu bauen, sondern eines, das bei Belastung seine Position verändert, so dass sich dadurch das (dann auch hinten benötigte) Drehmoment erhöht. Die übrige Konstruktion bestand aus Papierrollen und war an sich weniger spektakulär, aber dafür leicht, denn das Gewicht des Krans war entscheidend. Unser Kran wog insgesamt 360g, wobei die reine Papierkonstruktion nur 100g leicht war.

Es galt nun am 14. Juli in Duisburg an der Universität anzutreten und den Juroren unser Konzept vorzustellen. Denn die Bewertung der Raffinesse war ein nicht zu unterschätzender Faktor zum Sieg. Natürlich musste der Kran auch zeigen, was er konnte und durfte einige etwas rabiate Funktionstests („Darf ich auch mal ziehen...?") durchmachen. Entgegen unserer Befürchtungen hielt dieser aber alle Tests souverän aus und konnte sich gut gegen die circa 50 Konkurrenzkräne behaupten. Man könnte uns die Rolle des ewigen Zweiten zuschreiben, denn wie im letzten Jahr wurden wir zweiter. Zwei noch leichtere Kräne aus Aachen und Lünen kamen beide auf Platz eins. Als zweiter bekamen wir immerhin einen Gutschein bei Amazon.de im Wert von 250 Euro. Aber damit noch nicht genug: Denn ein neuer Teil des Wettbewerbs bestand aus einem Plakat, das die eigene Konstruktion näher erklären und darstellen sollte. Überraschenderweise gewannen wir dann auch den Preis für das schönste Poster und erhielten einen weiteren Gutschein im Wert von 100 Euro. So konnten wir am Ende dieses sehr erfolgreichen Tages behaupten: Physik lohnt sich!

Um nun zum zweiten Wettbewerb zu kommen: Türme für Pisa war zwar auch ein Bastel-wettbewerb, hatte aber sonst mit Freestyle-Physics wenig Gemeinsam-keiten. Der Turmbau wurde von der Ingenieurkammer Bau in Nordrhein-westfalen organisiert und bestand aus zwei Teilen: Zunächst musste die Vorrunde auf Regierungsbezirksebene absolviert werden, bevor die zehn Gewinner der verschiedenen Vorrunden im Finale auf Landesebene gegeneinander antreten durften. Die Aufgabe war bei beiden Runden die selbe: Es galt einen Turm zu bauen, der 120cm hoch und 60cm breit war, wobei nur auf einem äußeren Kreisring von 7,5cm Breite gebaut werden durfte. Als Materialen durften nur die Materialen benutzt werden, die sich in der sogenannten Pisa-Box befanden, welche jede Gruppe erhielt. Die Box enthielt einige Bögen Pappe, Papier, viel Klebstoff, Büroklammern, Gummibänder, lange Lineale, Messer, Zirkel, Bleistifte, Radiergummis und natürlich passende Anspitzer für die Bleistifte. Der Turm sollte am Ende möglichst viel tragen können und dabei auch noch leicht sein, denn der Quotient Traglast / Eigengewicht war entscheidend.

So machten wir uns ans Werk: Zunächst musste das optimale Konzept für ein Säulengerüst, das auch noch in sich stabil sein sollte, gefunden werden. Das bedeutete: Viele Türme mit Testmaterial bauen und dann so lange belasten, bis diese nachgeben... Für die Vorrunde bauten wir insgesamt zwei Testtürme, die je einen guten Tag Arbeit kosteten. Unser Konzept bestand aus neun fünfeckigen Säulen, die mit Papierrollen und Papierbändern miteinander verbunden waren.

Um die Tragfähigkeit der Türme herauszufinden, mussten wir diese belasten. Nur wie? Die erste Idee, den Turm mit Gruppenmitgliedern als lebende Gewichte zu testen, scheiterte, da zwei Personen nicht ausreichten, um den Einsturz herbeizurufen - mehr passten und wollten auch nicht auf den Turm. Die nächste Idee sah es vor, solange Wasser in ein großes Fass auf dem Turm laufen zu lassen, bis das Bauwerk schließlich nachgibt. Aufgrund der Vorstellung, dass 200 Liter Wasser auf den Teppich laufen könnten, schoben wir den Test nach draußen in den Garten ab und mussten dafür mit der Windanfälligkeit der drei Meter hohen Testanlage kämpfen. Der Test ergab etwa 160kg Tragfähigkeit beim zweiten Modell, was uns veranlasste, mit diesem Konzept am Wettbewerb teilzunehmen. Mit einem neuen Turm versteht sich, denn nach den Belastungstests waren die alten ziemlich platt. Der eigentliche Wettbewerb fand am 16. Juli an der Universität Bochum statt. Dort fanden sich neben uns neun Konkurrenten aus dem Regierungsbezirk Arnsberg ein, alle - wegen der vorgegebenen Materialen - in blau-weiß-grau. Dort wurden die Türme dann bewertet und belastet, diesmal mit einer Druckmaschine, die jemand per Handrad bedienen konnte. Ich hatte das Gefühl, dass derjenige, der dieses bediente, viel Spaß dabei hatte, auch nach Einbruch der Türme noch munter weiter zu drehen. Unser Turm konnte im Test 242kg tragen und wog dabei 971g, was zu einem Quotienten von etwa 250 führte; zusammen mit den anderen Bewertungen wurden wir damit Sieger in Bochum. Leider gewannen wir nichts Materielles - Im Gegensatz zum Zweit- und Drittplazierten, die 50 Euro bekamen -, sondern „nur" die Teilnahme am Landeswettbewerb im November.

Dort mussten wir dann gegen eine starke Konkurrenz kämpfen, deren Türme teilweise über 500kg getragen hatten... Unser neues Konzept sah sechs tropfenförmige Säulen mit entsprechenden Verbindungen vor, welches zu einem leichteren und tragfähigeren Turm führen sollte. Erste Belastungstests, diesmal mit massiven Eisenblöcken, ergaben eine Tragfähigkeit von über 200kg. Ein gutes Zeichen, denn nicht ein Einbruch der Säulen führte zum Fall, sondern eine Schräglage, die beim Auflegen der Gewichte nicht zu vermeiden war, später im Wettbewerb - durch die Testapparatur - aber nicht vorkommen konnte. Für den Wettbewerb musste natürlich wieder ein neuer Turm gebaut werden, wieder in blau-weiß-grau...

Am 19. November fand das Finale in Essen statt. Um es kurz zu machen: Unser Turm konnte 301 kg tragen und erreichte eine Effizienz von 355. Leider kamen wir dank „interessanter" Bewertungen der anderen Gruppen bei der Qualität insgesamt nur auf Rang sieben und gewannen - trotz der vielen Arbeit - nichts.

Aber dabei sein ist alles, und Physik lohnt sich, zumindest bei Freestyle-Physics! Wer diesen Artikel nicht langweilig fand und Freude am Basteln hat, sollte auch mal bei solchen Wettbewerben teilnehmen. Einfach mal bei euren Physiklehrern nachfragen. Viel Spaß dabei!

Fabian Bürger

 

Impressionen:

 

Turm Nr 5: RGE

Turm Nr.5: RGE

 

Belastungstest
 
Belastungstest
 

 

Das Siegerteam vom RGE (ohne Maike Bock)

Das Siegerteam vom RGE (ohne Maike Bock)

 

kranposter
 Kranposter

 

   

Siegerehrung

Siegerehrung 

 

1. Platz für das Poster
  1. Platz für das Poster

 

 

RGE-Kran 2. Platz

RGE-Kran 2. Platz