Labor

Simulationen und Modelle

Technik zum Anfassen: vier physikalische Modelle, die direkt im Browser laufen. Regler verstellen, zusehen, was passiert, und nachlesen, warum.

Segelflugzeug ASK 13 im Steigflug am roten Windenseil über dem Segelflugplatz Hellenhagen, links die Anzeigen für Fahrt, Höhe und Seilzug, rechts die Winde.
Normalstart auf dem Gelände von Hellenhagen, Seitenkamera: 156 m Höhe, 100 km/h, 610 daN am Seil.

01 · Flugphysik

Windenstart ASK 13

Eine Dieselwinde zieht ein Segelflugzeug an 800 m Seil in den Himmel.

Ein vollständiges 6-DOF-Flugmodell der ASK 13 hängt an einem simulierten Seil aus Massepunkten. Die Winde arbeitet mit Motorkennlinie, Föttinger-Wandler und Trommel. Gelände, Wald und Gebäude stammen vom Segelflugplatz Hellenhagen (Höhenmodell des LGLN, OpenStreetMap), samt Hangwind und Lee des Ith. Ein Skript-Pilot und ein Skript-Windenfahrer fliegen den Start vor, und du kannst jederzeit selbst übernehmen.

  1. Lehrszenarien vom Normalstart über Gegen- und Seitenwind und das Lee des Ith bis zum Seilriss in 20 m Höhe
  2. Live-Anzeigen für Fahrt, Höhe und Seilzug, mit den Grenzen von Windenschlepp und Sollbruchstelle
  3. Das Flugzeug am Seil: Abheben, Übergang in den Steigflug, Nachdrücken, Ausklinken
  4. Vier Kameras, Zeitlupe und Übernahme des Steuers per Tastatur oder Touch
Seillänge
835 m
Ausklinkhöhe im Normalstart
≈ 320 m
Sollbruchstelle
1000 daN
  • 3D
  • 6-DOF-Flugmodell
  • Seildynamik
  • Windenantrieb
  • Lehrszenarien
Windenstart öffnen

Die Verfahren sind noch nicht von einem Fluglehrer geprüft. Sie ersetzen keine Ausbildung.

Fachwerkmühle mit oberschlächtigem Wasserrad an einem Bach, links das Bedienfeld mit Reglern für Schütz und Wasserstand.
Schütz 210 mm offen: 302 l/s Wasser, 8,3 kW an der Welle, Läufer bei 120 U/min.

02 · Mechanik

Wassermühle

Vom Wasserstrahl bis zum Mehl: ein oberschlächtiges Rad treibt zwei Mahlgänge.

Das Wasser dreht das Rad, das Rad über zwei Zahnradstufen die Mühlsteine. Jeder eingerückte Mahlgang bremst das Rad. Das Modell rechnet Durchfluss, Strahl, Zellenfüllung, Drehmoment und Wirkungsgrad und zeigt, wohin die Energie geht.

  1. Spannschütz öffnen und Wasserstand wählen; die Formeln stehen daneben
  2. Das Wasserrad mit 24 Zellen: wo der Strahl trifft, wie viel Wasser gefasst wird
  3. Mahlgänge ein- und ausrücken, Mahlspalt einstellen, Drehzahlkurve und Energiebilanz verfolgen
  4. Gebäudeschnitt, Drahtgitter, Bauteilnamen und Zeitraffer
Wasserrad, 24 Zellen
Ø 4,8 m
Übersetzung in zwei Stufen
i = 18
Mahlgänge, Basalt Ø 1,3 m
2
  • 3D
  • Hydraulik
  • Getriebe
  • Kennlinie
  • Energiebilanz
Wassermühle öffnen
3D-Stadtmodell von Passau beim Hochwasser vom Juni 2013: Donau und Inn über die Ufer getreten, die Altstadt teilweise überflutet, links Pegel und Kennzahlen.
Passau, Szenario Juni 2013: Donau 12,89 m, 930 Gebäude im Wasser, 22 km Straße unpassierbar.

03 · Hydrologie

Wenn die Donau steigt

Was passiert in Passau und Regensburg, wenn der Pegel steigt?

Ein 3D-Erklärmodell aus Gelände- und Gebäudedaten der Vermessungsverwaltung, Gefahrenflächen des Landesamts für Umwelt und dem Straßennetz aus OpenStreetMap. Du stellst die Pegel von Donau, Inn, Regen und Naab ein und siehst, welche Häuser nass werden, welche Straßen nicht mehr passierbar sind und warum die Passauer Altstadt zuerst unter Wasser steht.

  1. Pegel frei einstellen oder den Inn der Donau folgen lassen, mit Meldestufen
  2. Die Stadt im Wasser: überflutete Gebäude, Straßen und Gelände in 3D
  3. Kennzahlen: Gebäude im Wasser, Betroffene, gesperrte Straßen, nutzbare Notunterkünfte
  4. Szenarien: historische Hochwasser von 1954 bis 2024, Schutz versagt oder ausgebaut
Städte, je mit Nebenflüssen
2
Gebäude im Modell von Passau
5.492
historische Hochwasser
1954–2024
  • 3D-Stadtmodell
  • Offene Geodaten
  • Szenarien
  • Ebenen Stadt · Risiko · Einsatz
Hochwassermodell öffnen

Erklärmodell, keine Vorhersage. Lädt je nach Stadt 6 bis 13 MB Geodaten, auf dem Telefon also besser im WLAN öffnen.

3D-Ansicht der Brockenstraße mit zwei Radfahrern, darüber die Wahl von Strecke und Lehrszenario, darunter das Höhenprofil.
Brocken, Verfolgerkamera: der optimierte Plan liegt am Anfang 1,6 s zurück und ist nach 29:39 im Ziel, 10 s vor konstant 311 W.

04 · Fahrdynamik

Watt am Berg

Wohin die Leistung eines Radfahrers geht und wie man sie über eine Strecke am besten einteilt.

Fahrdynamik nach Martin et al. (1998) mit Luft, Rollen, Lagern, Hang und Beschleunigung, Ermüdung über Critical Power und W′bal. Ein Optimierer verteilt die Leistung über reale Strecken aus offenen Höhendaten: den Anstieg von Schierke zum Brocken, ein Zeitfahren mit Wende auf der K 125 und eine Runde über den Nienstedter Pass am Deister.

  1. Strecke und Lehrszenario: klug verteilt, Wind am Wendepunkt, Aero oder leicht, überzockt, Mannschaftszeitfahren, Abfahrt
  2. 3D-Szene: optimierter Plan gegen konstante Leistung, mit Verfolger-, Seiten- und Übersichtskamera
  3. Regler mit Formeln: Masse, Sitzposition, Rollwiderstand, CP und W′, Wetter und Wind; darunter Höhenprofil, Leistungsplan und W′bal
  4. Selbst fahren: Leistung per Tastatur oder Touch vorgeben, W′bal und Leistungsaufteilung live
Strecken mit offenen Höhendaten
3
Lehrszenarien
6
Standardfehler des Fahrmodells (Martin 1998)
2,7 W
  • 3D
  • Fahrdynamik
  • CP und W′bal
  • Pacing-Optimierung
  • Mannschaftszeitfahren
Watt am Berg öffnen

Modell, keine Trainingsempfehlung. Lädt je nach Strecke 1 bis 2 MB Höhendaten.

3D-Prüfstand mit Vorderrad und Scheibenbremse auf einer Walze, dahinter die Modellstraße im Maßstab 1:5 mit Fahrer und Stein, links die Bedienfläche mit Bremsmodus, Untergrund und Geschwindigkeit.
Prüfstand im Labor: ABS-Modus, trockener Untergrund, 25 km/h. Das Vorderrad läuft auf der Walze, der Fahrer im Modell dahinter fährt denselben Versuch.

05 · Bremsphysik

Bike Brake Lab

Warum ein blockiertes Rad nicht lenkt und was ABS dagegen tut.

Ein Vorderrad mit Scheibenbremse läuft auf einer Prüfstandswalze, daneben fährt ein Modell im Maßstab 1:5 denselben simulierten Versuch auf einer Straße mit Stein. Reifenkräfte nach Pacejka mit Kammschem Kreis, Lastverlagerung bis zum Überschlag, ein Fahrer, der per Lenken und Schräglage ausweicht. Die Bremsscheibe erwärmt sich mit der aufgenommenen Arbeit und glüht.

  1. Bedienfläche: Vorderrad blockiert, Hinterrad blockiert oder ABS; trocken, nass, Schotter, Eis; Geschwindigkeit
  2. Rad auf der Walze: Scheibe, Sattel und Reifen, anklickbar zum Bremsen; die Walze steht für die Straße
  3. Konsole: Status, Geschwindigkeit über der Zeit mit dem Takt des ABS und der Kraftschlusskreis des Vorderreifens
  4. Modellstraße: Bremspunkt, Stein neun Meter dahinter, Bremsspuren; Ansicht von oben mit dem Ausweichpfad
Bremsmodi
3
Untergründe
4
Schrittweite der Simulation
2 kHz
  • 3D
  • Reifenmodell
  • ABS
  • Lastverlagerung
  • Ausweichmanöver
Bike Brake Lab öffnen

Die Oberfläche ist englisch. Modell, keine Anleitung zum Bremsen; die Glühfarbe der Scheibe ist überzeichnet.

Rollwiderstands-Prüfstand mit Fahrradreifen auf einer Trommel, links die Reglerspalte für Reifen und Prüfstand, rechts die Ergebnistabelle, unten Anzeigeinstrumente mit Rollwiderstandsleistung und Crr.
BRR-Standardtest: 28 mm breiter Race-Reifen mit 4,96 bar auf der Trommel, 28,8 km/h. Auf der Trommel 9,5 W, flach gerechnet 6,9 W.

06 · Reifenphysik

Rollwiderstand

Was ein Fahrradreifen auf der Straße an Leistung kostet und wie Breite, Druck und Mischung das ändern.

Simulator für Rollwiderstand und Gesamtfahrwiderstand von Fahrradreifen: Hysterese aus Latsch und Einfederung, Verluste durch Federung auf rauem Belag (Breakpoint-Druck), Trommelkorrektur nach Clark, dazu Luft, Steigung und Antrieb nach Martin. Kalibriert auf veröffentlichte Rollwiderstandsmessungen; jeder Faktor ist in der App mit Quelle und Status gekennzeichnet.

  1. Prüfling: Breite, Felge, Karkasse, Gummimischung, Profil, Schlauchtyp, Luftdruck und Last
  2. Prüfstand oder Straße: starres Rad auf der Trommel oder Fahrt mit Impedanz, Aero und Steigung; Rad mit sichtbarer Verformung
  3. Messgeräte: Leistung und Crr auf der Trommel, Druck und Tempo als Drehregler, Modus und Schlauchtyp als Kippschalter
  4. Ergebnisse: Crr, Kräfte, Leistung, Latsch und Einfederung; Diagramme, A/B-Vergleich und CSV-Export
Betriebsmodi
2
Szenario-Presets
6
Diagramme mit Datentabelle
4
  • 3D
  • Hysterese
  • Breakpoint-Druck
  • A/B-Vergleich
  • BRR-Import
Rollwiderstand öffnen

Modell, kein Reifentest: die Zahlen sind kalibriert, nicht gemessen. Der Zustand steht im Link und lässt sich teilen.

Isometrische Zeichnung einer Heck-Antriebseinheit auf einem Prüfstand: Motor mit abgenommenem Deckel, farbige Statorzähne der drei Phasen, Rotor mit V-förmigen Magneten, rechts ein Fenster ins Getriebe, links der Batterie-Emulator mit Stromanzeige, vorne der Pedalschieber.
Teillast bei 50 km/h: 3 593 U/min, das Drehfeld läuft mit 180 Hz, der Batterie-Emulator liefert 382 A bei 350 V.

07 · Elektroantrieb

Tesla-Antrieb

Wie aus drei Wechselströmen ein Drehfeld wird, das den Rotor mitzieht, und zwei Zahnradstufen daraus Radmoment machen.

Interaktive Isometrie einer Heck-Antriebseinheit der Klasse Model 3 auf dem Prüfstand. Der Motordeckel ist ab: 54 Statornuten mit den Wicklungsköpfen der drei Phasen, ein sechspoliger Rotor mit V-Magneten; ein Fenster zeigt die beiden Getriebestufen (9,04 : 1). Ein einfaches Fahrzeugmodell (1,9 t, 375 Nm, 208 kW) liefert Drehzahl, Tempo und Batteriestrom. Links der roten Marke am Pedal rekuperiert der Motor.

  1. Stator und Rotor: leuchtende Zähne zeigen das umlaufende Feld, beim Antreiben eilt es den Magneten voraus, beim Rekuperieren hinterher
  2. Getriebe: zwei Stufen, 16 → 49 und 21 → 62 Zähne
  3. Pedal: Zeiger über die Zeichnung bewegen oder Pfeiltasten; ganz links Rekuperation (One-Pedal-Driving)
  4. Batterie-Emulator: Strom bei 350 V, positiv beim Antreiben, negativ beim Rekuperieren; davor der Drehzahlmesser
Statornuten
54
Pole
6
Gesamtübersetzung
9,04
  • SVG
  • Isometrie
  • Drehfeld
  • Rekuperation
  • Englisch
Tesla-Antrieb öffnen

Klassenschätzung, keine Tesla-Datenblattwerte: Polzahl und Übersetzung sind belegt, Moment, Leistung und Rekuperationsgrenze angenähert. Die Zeichnung dreht 300-mal langsamer als die echte Welle.

Isometrischer Schnitt durch einen Klinkenfreilauf auf einer Grundplatte: innenverzahnter Klinkenkranz mit 20 Zähnen, in der Mitte der Freilaufkörper mit drei hell hervorgehobenen Klinken; unten rechts die Anzeige Freilauf, Leerweg 2,4 Grad, 3 Klicks; darunter beginnt die zweite Figur, die Sternratsche.
Das Rad rollt schneller als die Kurbel: Die Klinken gleiten die Rampen hinauf, nach 2,4° Leerweg würde die nächste fassen.

08 · Nabentechnik

Freilauf

Warum die Kurbel beim Rollen stillstehen darf und wie schnell die Nabe beim Antreten wieder fasst.

Zwei animierte Schnitte durch eine Fahrradnabe. Der Klinkenfreilauf (Shimano-Prinzip) hat 20 Zähne im Klinkenkranz und drei federbelastete Klinken, um je ⅓ Zahn versetzt. Die Sternratsche (Prinzip DT Swiss) presst zwei Ringe mit je 36 Stirnzähnen per Feder aufeinander. Treten, Rollen und Rückwärtstreten zeigen Eingriff, Leerweg und jeden Klick.

  1. Klinken: im Freilaufkörper, von Federn nach außen gedrückt; eine liegt an der steilen Flanke und nimmt das Rad mit
  2. Klinkenkranz: innenverzahnt in der Nabenhülse, flache Rampen in Rollrichtung
  3. Anzeige: Eingriff mit Raddrehzahl oder Freilauf mit Leerweg bis zum nächsten Fassen und Zahl der Klicks
  4. Sternratsche: zweite Figur; alle 36 Zähne fassen gleichzeitig, der Freilaufring hebt beim Rollen gegen die Feder ab
Leerweg Klinke, max.
6°
Leerweg Sternratsche, max.
10°
Figuren
2
  • SVG
  • Isometrie
  • Klinke
  • Sternratsche
  • Eingriffswinkel
Freilauf öffnen

Schematisch: Zahnform, Maße und Feder vereinfacht, Klinken- und Zähnezahl variieren je nach Modell. Zeiger links tritt rückwärts, Mitte rollt, rechts tritt; auch per Pfeiltasten.