Wie eine Modellbahn mit Magnetkraft zur Energie-Wunderbahn wird

 

Physik  |  Technik

 

Eduardo Heiniger Cascos, 2006 | Saas im Prättigau, GR

 

Diese Maturitätsarbeit untersucht den energetischen Nutzen von Dauermagneten in Modellbahnen. Ziel ist es, zu analysieren, wie Magnete den Energieverbrauch reduzieren und die Effizienz steigern können. Dazu werden physikalische Grundlagen von Dauermagneten erläutert und drei Konzepte zur Implementierung in Modellbahnen analysiert. Anschliessend wird ein Wagen und eine Schiene mit integrierter Zeitmessung konstruiert. Das Modell eignet sich für den Einsatz im Physik-Unterricht und ermöglicht präzise Zeitmessungen. Die Analyse der Laufzeiten im Kontext der Physik der schiefen Ebene zeigt, dass durch den Einsatz von Dauermagneten Energieeinsparungen von über 23% erzielt werden können. Zudem wird diskutiert, ob der Aufbau als Messsystem zur Bestimmung der Magnetkraft geeignet ist. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse zur Nutzung von Dauermagneten in Modellbahnen und deren Potenzial zur Optimierung realer Transportsysteme.

Fragestellung

Magnete werden bereits zur Effizienzsteigerung eingesetzt, beispielsweise in reibungslosen Magnetlagern. Diese Arbeit untersucht, ob Dauermagnete nach dem Vorbild von Magnetschwebebahnen auch bei Eisenbahnen zur Energieeinsparung beitragen können, indem sie die Normalkraft und damit die Reibungsarbeit verringern. Dazu wird eine eigene Magnet-Modellbahn mit integrierter Zeitmessung konstruiert. Die Fortbewegung erfolgt über eine schiefe Ebene, wodurch die Laufzeiten analysiert und mit den Gesetzen der Physik in Bezug gesetzt werden

Methodik

Zunächst wurden drei Holzprototypen entwickelt und analysiert. Erste Experimente zur Magnetauswahl führten zur Entscheidung für starke Neodym-Dauermagnete. Basierend auf diese Vorarbeiten wurde das finale Modell mittels 3D-Druck gefertigt. Eine präzise Zeitmessung mittels Arduino wurde implementiert und deren Genauigkeit durch Videoanalyse überprüft. Nach Optimierungen wurden Zeitmessungen mit und ohne Magnete auf vier Streckenlängen und fünf Neigungswinkeln durchgeführt. Die anschliessende Analyse der Messergebnisse mit Hilfe der Formeln der schiefen Ebene und unter Berücksichtigung der auftretenden Reibung ermöglichte den Vergleich der Werte, die Bestimmung des Reibungskoeffizienten, der Magnetkraft und des Energieunterschieds sowie deren statistische Signifikanz.

Ergebnisse

Eine stabile Modelleisenbahn mit integrierten Dauermagneten und präziser Zeitmessung wurde erfolgreich gebaut. Die Messungen zeigen Energieeinsparungs-Potential von über 23%. Durch die Reduktion der Normalkraft verringert sich die Rollreibung, wobei der Effekt bei kleineren Winkeln hyperbolisch abnimmt. Aufgrund zu hoher Messabweichungen ist das Modell jedoch nicht für eine präzise Bestimmung der Magnetkraft geeignet, kann aber für erste Abschätzungen verwendet werden.

Diskussion

Die Ergebnisse bestätigen, dass Dauermagneten zur Energieeinsparung beitragen können. Die Effizienzsteigerung hängt jedoch stark vom Zusammenspiel aus Wagengewicht, Magnetkraft und Rollreibung ab. Die Zeitmessung erwies sich als präzise, jedoch zeigte das Modell Schwächen: Die Aluminiumschiene nutzt sich ab, und die konischen Räder erlauben zu viel Bewegungsspielraum, was bei höheren Geschwindigkeiten zu vermehrten Anschlägen zwischen Schiene und Radkranz führt. Dies führte zu hohen Abweichungen bei der Bestimmung des Reibungskoeffizienten und der Magnetkraft. Eine detailliertere Überprüfung der Konzepte hätte diese Fehler minimieren können. Zudem wurde die Berechnung der Magnetkraft erst spät in die Arbeit aufgenommen, sodass in den ersten Phasen nicht darauf geachtet wurde.

Schlussfolgerungen

Die Arbeit liefert Erkenntnisse zur Implementierung von Dauermagneten in realen Eisenbahnen. Da diese bereits einen geringen Reibungskoeffizienten aufweisen, sind die potenziellen Energieeinsparungen begrenzt. Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten dominiert die Luftreibung gegenüber der Rollreibung.
Um das Modell als Messanlage für die Magnetkraft zu nutzen, wären Optimierungen an der Schienenbeschaffenheit und der Radführung erforderlich, um externe Störeinflüsse zu minimieren.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Christian Stamm

Wie lässt sich aus einfachen Mitteln eine Magnetschwebebahn bauen, und wieviel energiesparender fährt sie? Diese Fragen untersucht Eduardo Heiniger Cascos auf systematische und kreative Weise. Basierend auf seiner Konzeptstudie entwickelte er eine Magnet-Modellbahn mit automatisierter Zeitmessung. In zahlreichen Messungen wies er eine Steigerung der Energieeffizienz durch den Einsatz von Permanentmagneten nach. Die fertige Modellbahn ist einfach zu bedienen und eignet sich insbesondere auch für die Demonstration und das eigene Experimentieren im Schulunterricht.

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Evangelische Mittelschule Schiers
Lehrer: Andreas Möckli