Beim Bundesfinale von Jugend forscht in Herzogenaurach hat Tim Kammel (18) vom Engelbert-Kaempfer-Gymnasium in Lemgo mit seinem Projekt „Rieselnder Zeitmesser“ einen Bundessieg sowie zwei Jugend forscht-Sonderpreise geholt.
Jugend forscht-Sieger Tim Kammel aus Lemgo hat das Prinzip der Sanduhr ganz neu durchdacht – Foto Jugend forscht
Für seine Forschung erhielt Tim Kammel den mit 3.000 Euro dotierten Preis für die originellste Arbeit sowie eine Einladung zum European Union Contest for Young Scientists und den Europa-Preis. Der Lemgoer befasste sich mit der Physik von Sanduhren. Anhand eines eigenen Versuchsaufbaus analysierte er den Effekt unterschiedlicher Öffnungsgrößen und Trichterformen auf das Strömungsverhalten des Sands und entwickelte eine Computersimulation der Dynamik.
Was hinter der scheinbar simplen Technik steckt
Früher dienten Sanduhren beispielsweise zur Navigation auf See. Tim Kammel wollte wissen, was hinter der scheinbar simplen
Technik steckt. Aus einfachen Materialien konstruierte er einen Versuchsaufbau mit variablen Öffnungen und Trichtern. In zahl
reichen Messungen zeigte sich, dass die Laufzeit von der Sandmenge, der Öffnungsgröße und der Trichterform abhängt. Zudem
blieb die Fließgeschwindigkeit des Sands konstant – unabhängig davon, wie stark die Uhr noch gefüllt war. Ursache ist, dass sich
die Sandkörner gegenseitig abstützen und so den Druck auf die Öffnung konstant halten. Ferner kam heraus, dass bereits minimale Änderungen des Lochdurchmessers die Tim Kammel näherte sich der Thematik mit experimenteller Kreativität, methodischer Vielseitigkeit und Disziplin. Für die Jury ist das Highlight des Forschungsprojekts der erfolgreiche Brückenschlag zwischen Theorie, Simulation und Experiment: Modellbasiert sagte der Jungforscher die Durchlaufzeiten für unterschiedliche Sanduhren exakt voraus und fand mechanistische Erklärungen für makroskopisch beobachtetes Verhalten.
Kugel-Modell einer Sanduhr gebaut
Sanduhren gibt es seit dem 14. Jahrhundert. Nicht nur beim Zähneputzen sondern auch bei manchen Gesellschaftsspielen zum Beispiel kommen sie heute noch zum Einsatz. “Eigentlich ein banaler Alltagsgegenstand”, sagt Tim, der solchen Dingen gerne auf den Grund geht. “Ich bin neugierig zu verstehen: Wie funktioniert das und wie kann mir die Physik dabei helfen?” Für das Bundesfinale hatte der 18-Jährige extra ein zweidimensionales Kugel-Modell einer Sanduhr gebaut. Die Stahlkugeln stellen stark vergrößerte Sandkörner dar, sodass man genau verfolgen kann, wie sie durch die Öffnung laufen. Den Durchlauf simuliert er in Echtzeit am Computer mithilfe eines digitalen Zwillings, den Tim selbst programmiert hat.
Erkenntnisse lassen sich auf andere Bereiche übertragen
Die Erkenntnisse könnten zum Beispiel dabei helfen, Prozesse wie das Entleeren eines großen Getreidesilos oder die Evakuierung von Räumen bei Großveranstaltungen besser zu verstehen, sagt der 18-jährige Schüler, der stundenlang über die Sanduhr referieren kann. Beim Bundesfinale bestand die Kunst jedoch darin, sich kurz zu fassen. Gerade mal fünf Minuten hatte Tim Kammel für seine Präsentation gehabt, anschließend stellte die Jury ihm Fragen.
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