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Titel / Referat: Hoverchair - Luftkissenfahrzeug

Schlagwörter: Prinzip, Funtionsweise, Bauanleitung, Luftkissengleiter, Zusammenbau, Probleme Hausaufgabe, Referat

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Luftkissenfahrzeug / Hoverchair


Ziel:
Nach einer Idee im Buch "Spaß mit Physik" von Eduardo de Campos Valadares und einer Bauanleitung von H. Heupner soll es möglich sein, mit einfachen Mitteln ein Luftkissenfahrzeug (nachfolgend auch "Hovercraft" genannt) mit einer Tragfähigkeit von über 100 kg zu bauen. Im Nachfolgenden beschreiben wir unseren Versuch ein solches Hovercraft zu bauen, unsere verschiedenen Optimierungsversuche und stellen schlußendlich unser fertiges Luftkissenfahrzeug vor.

Prinzip: 
Grundlegendes Prinzip des Hovercraft ist es, dass Luft von der Oberseite auf die Unterseite des Fahrzeug geblasen wird um dort einen Überdruck zu erzeugen welcher das Hovercraft anhebt. Wenn man die Fläche vergrößert braucht man dementsprechend nur einen geringeren Druck um die selbe Tragkraft aufzubringen (). Ein ständiges Abströmen dieser Luft bewirkt, dass sich zwischen dem Fahrzeug und dem Untergrund ein Luftkissen bildet. Dieser Luftstrom ermöglicht ein nahezu reibungsfreies Gleiten. Da beim Abströmen der Luft der Druck entsprechend nachlässt muss für einen kontinuierlichen Luftstrom gesorgt werden. Dies wird mit einem einfachen Gebläse verwirklicht. Bedingt durch Bodenunebenheiten kann es dazu kommen, dass das Fahrzeug auf den Untergrund aufsetzt und die Luft nicht mehr gleichmäßig unter dem Fahrzeug entweicht. Dadurch besteht das Luftkissen nicht mehr unter dem ganzen Fahrzeug und somit kann es das Fahrzeug nicht mehr tragen. Um die Wahrscheinlichkeit aufzusetzen zu verringern müsste die Bodenfreiheit erhöht werden. Da dies aber schwer möglich ist indem man das Luftkissen durch erhöhte Gebläseleistung "dicker" macht, muss eine andere Möglichkeit gefunden werden die Bodenfreiheit zu erhöhen. Um den Druck unter dem Fahrzeug bei möglichst geringer Luftleistung möglichst hoch zu halten müsste man dafür sorgen das sich das Fahrzeug den Bodenunebenheiten anpasst, so dass sich nur der wenige Millimeter dicke Luftfilm zwischen Boden und Fahrzeug befindet. Dieser Luftstrom wäre dann dick genug um ein nahezu reibungsfreies Gleiten zu ermöglichen aber nicht so dick sein dass der Luftstrom so groß würde, dass der Druck durch das Gebläse nicht aufrecht erhalten werden kann. Dies wird in der Regel durch eine bewegliche verformbare Gummischürze erreicht, die unter dem Fahrzeug angebracht wird. Diese Gummischürze kann einige Millimeter bis Meter hoch sein, je nach benötigter Bodenfreiheit, Verwendungszweck des Luftkissengleiters die hauptsächlich durch den Untergrund bestimmt wird.


Status: 

Erste Versuche: 
Bei einem kleinen Modell mit einer CD an deren Loch ein Luftballon befestigt wird funktioniert dies auch auf Anhieb selbst ohne Gummischürze. Der Luftfilm der durch den Luftballon erzeugt wird ist stark genug um die leichte CD anzuheben. Sind die Bodenunebenheiten jedoch mehr als nur ein paar Millimeter hoch setzt das Modell auf und der gleichmäßige Luftstrom bleibt nicht länger erhalten. 

Lewkow:
Bei unserem großen Prototypen, Codename „Lewkow“, der aus der bloßen Tischplatte besteht wird ohne Gummischürze mit dem verwendeten Gebläse kein Effekt sichtbar. Der glatte PVC Boden ist schon zu uneben um ein gleichmäßiges Luftkissen zuzulassen. Hierfür wird die Gummischürze benötigt. Da wir unser Experiment aus möglichst billigen Materialien zusammenbauen wollen verwenden wir eine einfache Polyethylenfolie, die wir auf unser Fahrzeug spannen und an bestimmten Punkten fixieren. Die wesentliche Forschungsarbeit/Experimente beschränken sich auf die Gestaltung der Plastikfolie. Unser erster Gedanke ist es die Luftaustrittslöcher nicht zu groß zu wählen um einen Rückstau der Luft in der Folie zu bewirken, welcher die Folie aufbläst und das Fahrzeug anhebt. Da jedoch eine starke Verkleinerung der Luftaustrittslöcher tatsächlich aber das Gegenteil bewirkt, dass sich das Fahrzeug nicht von Boden anhebt und zudem auch nicht gleitet, verwerfen wir diesen Gedanken wieder schnell. Die nächste Vermutung ist, dass es wohl nötig wäre, die Luftaustrittslöcher in der Folie möglichst gut auf die gesamte Unterseite zu verteilen um ein gleichmäßiges Luftkissen zu erzeugen. Um uns die Arbeit zu sparen unzählige kleine Löcher in die Folie zu schneiden wählen wir der Einfachheit halber sechs gleichgroße symmetrisch um den Mittelpunkt angeordnete kreisrunde Öffnungen. Mit dieser Anordnung haben wir dann auch den ersten Erfolg. Die Folie bläht sich wie gefordert auf, hebt das Fahrzeug an und bietet dadurch die benötigte Bodenfreiheit. Der Luftstrom hat durch die im Vergleich zu der ersten Versuchsanordnung größeren Luftaustrittslöcher wieder einen größeren Umfang und reicht aus um ein Gleiten mit geringerer Reibung zu ermöglichen. Es ist auch erstmals möglich Personen (<100kg) damit gleiten zu lassen. Die Löcher scheinen also gleichmäßig genug verteilt zu sein um das gleichmäßige Luftkissen zu ermöglichen, aber auch klein genug um den Rückstau groß genug zu halten, damit sich die Folie aufbläht. Beide Vermutungen sollen sich noch also falsch beziehungsweise unerheblich herausstellen. Die Vermutung, dass sich die Folie aufgrund des Luftrückstaus aufbläht widerlegt die Tatsache, dass sich die Folie bei der zuletzt genannten Konstruktionsweise, welche bei dem ersten Versuch auf Anhieb funktionierte und auch eine Person trug, manchmal einfach nicht aufbläht. Da sich die Form und Größe der Luftaustrittslöcher aber bei keinem der Versuche ändern, also bei jedem Testlauf gleich sind, muss es von etwas anderem abhängen ob sich die Folie aufbläht. Das liegt dann daran das die Folie nicht überall einen gleichmäßigen Abstand zum Boden hat und dadurch die Luft und der Druck durch eine Falte entweichen kann. Die Folie bringt man jedoch dann doch noch zum Aufblähen wenn man das Fahrzeug leicht anhebt und daran wackelt. Dabei verändert man an verschiedenen Stellen den Abstand der Folie zum Boden und verändert die Falten, so dass die Möglichkeit gegeben wird, dass sich die Folie gleichmäßig an den Boden anschmiegt um den Druck innerhalb der Folie unter dem Fahrzeug zu halten, und dadurch die Folie aufzublähen. Die Vermutung, dass die Luftaustrittslöcher gleichmäßig unter dem Hovercraft verteilt sein müssen wird mit der Vermutung, dass sich die Folie an den Boden anschmiegt und dadurch abdichtet auch hinfällig, da unter dem Fahrzeug dadurch eine abgeschlossene Druckkammer entstünde in der der Druck auf jede Fläche gleich wirke unbedeutend woher die Luft einströmt. 

Um diesen Gedanken auf die Probe zu stellen, „opferten“ wir Lewkow und schnitten ein einziges, großes Loch in die Folie, so das nur noch ein schmaler Streifen der Folie am Rand übrig blieb. Auch bei dieser Versuchsanordnung bläht sich die Plastikfolie nicht immer gleich auf sondern erst wenn man das Fahrzeug ein wenig anhebt und daran wackelt. Die Folie dichtet sich sogar noch besser gegen den Boden ab und hebt das Fahrzeug höher an wie in vorhergehenden Versuchsanordnungen. Die benötigte Bodenfreiheit wird dadurch erreicht, auch ist ein Gleiten möglich. Jedoch hört man die Plastikfolie am Boden schleifen und da die Folie sehr gut abdichtet wird kein gleichmäßiger Luftstrom ermöglicht, sondern die Luft staut sich in der Folie und lässt die Luft nur stoßweise ab. Dieser diskontinuierliche Luftstrom ermöglicht kein reibungsfreies Gleiten und erzeugt darüber hinaus noch eine Menge Lärm. Damit sich die Luft nicht in der Folie staut und nur stoßweise abgelassen wird, muss die Beschaffenheit der Folie so sein, dass sie nicht die überflüssige Luft aufnimmt und dann schlagartig ausstößt, sondern die überflüssige Luft direkt für den Luftstrom/Luftkissen verwendet. Bei der zuletzt genannten Versuchsanordnung wird diese Fehlfunktion dadurch erzeugt, dass der steigende Luftdruck nicht nur ein Anheben des Fahrzeugs und dem damit verbundenen Ablassen der Luft bewirkt, sondern auch ein weiteres Ausdehnen der Folie, welche sich dabei zuerst spannt und dann schlagartig die Luft ausstößt und dabei entspannt. Die mögliche Verbesserung liegt also darin das Volumen der Folie baulich zu beschränken um den überschüssigen Luftstrom direkt und kontinuierlich für das Luftkissen zu verwenden, welches dann ein reibungsfreies Gleiten ermöglicht. Auch die Erkenntnis über die Tatsache, dass die Luftaustrittslöcher nicht über die ganze Fläche verteilt sein müssen zeigt sich in der Umsetzung in der finalen Anordnung.

Tupolew: 
Bei der Konstruktion unseres zweiten Modells mit dem Codenamen „Tupolew“ nahmen wir die Ideen und Erkenntnise aus unseren vorherigen Versuchen mit auf und entschieden uns deshalb für folgende Form:
Die Folie wird wieder im Mittelpunkt durch eine Schraube mit Unterlegscheibe am Brett fixiert und somit kann sich die Folie nicht mehr so leicht ausdehnen und nur begrenzt weit aufblähen. Die Luftaustrittslöcher werden außerdem nicht auf der ganzen Fläche verteilt sondern alle beisammen möglichst im Zentrum gesetzt damit sie nicht dort wo die Folie sich gegen den Boden drückt und abdichtet als Loch in der Folie einen Druckabfall bewirken.
Die Skizze rechts zeigt diese Anordnungen der Luftaustrittslöcher (graue Flächen) auf der Folie (weiße Fläche) beim „Tupolew“-Modell.

Außerdem trennten wir uns hier auch erstmals von der Verbindung zum Netzteil indem wir eine gebrauchte Autobatterie mit auf unseren "Hoverchair" nahmen um damit das Gebläse mit Strom zu versorgen.



Bauanleitung eines einfachen Luftkissengleiters: 

Materialien:
Holzplatte, ca 1m x 1m; Dicke ca 1-2 cm / einfache Alternative: alte runde Tischplatte

Plastikfolie größer als Holzplatte (zB Polyethylenfolie/Dampfbremse verwendet bei Wärmeisolierung, Hausbau)

Schraube mit Mutter, etwas länger als die Dicke des verwendeten Brettes; dazu große passende Unterlegsscheibe, Durchmesser ca 2cm oder mehr

Paketklebeband

Tacker oder kleine Nägel

Gebläse ab ca 50Watt (12V)

Autobatterie

Zusammenbau:
Holzplatte mit 1m Durchmesser kreisrund aussägen, andere Formen sind denkbar, aber beim Bespannen und Fixieren der Folie vermutlich komplizierter. In der Mitte ein Loch mit Durchmesser der Schraube bohren. Bohrung für das Gebläse ca 20-40cm vom Mittelpunkt entfernt setzen. Plastikfolie entsprechend der Form des Bretts zuschneiden mit 5 cm Zugabe an jeder Seite. Die Folie auf das Brett legen und die Folie an den Seiten um das Brett schlagen. Mit Paketklebeband luftdicht verschließen; unsorgfältige Arbeit wird mit Leistungseinbußen der Tragfähigkeit bestraft. Gegebenenfalls festtackern oder nageln um das Ablösen des Klebebands zu verhindern. Die Folie sollte dabei nicht zu straff gespannt sein, diese muss sich noch mit Luft aufblasen lassen.

Von unten, Seite der Folie, die Schraube, dazwischen noch die Unterlegsscheibe, durch die Folie stoßen,ggf Loch schneiden, und von oben mit der Mutter befestigen. Die Unterlegscheibe soll verhindern, dass die Folie einreißt, ggf mit Klebeband verstärken oder eine noch größere Scheibe wie eine alte CD unter die Unterlegscheibe legen, um die Kraft noch weiter zu verteilen. Um die Luft unter die ganze Konstruktion zu leiten werden Luftauslässe in die Folie geschnitten. Dazu werden nahe dem Zentrum Löcher in die Folie geschnitten; diese können beliebige Form, Anzahl und jeweilig Größe haben. Nur sollte eine recht große Gesamtgröße verwendet werden um den Strömungswiderstand nicht zu vergrößern und dadurch die Luftleistung zu verringern. Die Löcher sollten prinzipiell innerhalb eines Kreises im Zentrum mit dem halben Radius des Brettes gesetzt werden, sicherheitshalber etwa ein drittel.
Wenn das Gebläße nun angeschlossen wird bläht sich die Folie an, hebt das Brett etwas hoch, und beginnt schließlich zu gleiten.

Probleme:
Problem: Plastikfolie bläht sich nicht auf Lösung: Brett leicht anheben und wackeln Problem: Hoverchair schleift am Boden und Folie bläht sich nicht ganz auf Lösung: Löcher in der Folie müssen abgedichtet werden oder ein stärkerer Motor/ zusätzlicher Motor verwendet werden, eventuell Luftaustrittslöcher vergrößern Problem: Folie bläht sich trotz ausreichender Luftleistung nicht auf Lösung: Folie ist zu stramm gespannt und muss gedehnt werden


Inspiriert durch

http://www.5min.com/Video/How-to-Build-a-DIY-Hovercraft-12347

http://amasci.com/amateur/hovercft.html

häufige Suchphrasen:
luftkissenboot bauanleitung, luftkissenfahrzeug bauanleitung, hovercraft bauanleitung, hovercraft bauplan, physik hausaufgaben luftkissengleiter





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