Mithilfe des Smartphones und der App phyphox lässt sich die Geschwindigkeit einer Spielzeugbahn ermitteln. Dazu wird das Magnetometer eines Smartphones über die App phyphox verwendet.

Für den Versuch werden folgende Materialen benötigt

• Smartphone mit der phyphox-App
• eine Spielzeugbahn oder einen anderen selbstfahrenden Wagen
• ein paar Magnete
• ein Maßband oder einen Zollstock
• ein zweites Gerät mit Webbrowser

Aufbau

Die Magnete werden in einem gleichmäßigen Abstand (dx) entlang der Strecke, die mit der Bahn befahren wird, verteilt. Dabei sollte der Abstand nicht zu groß oder klein sein, damit man genaue Werte erhält. Ich habe vier Magnete in einem Abstand von jeweils 80 cm direkt auf den Gleisen der Spielzeugbahn platziert. Dabei ist es wichtig, die Magnete mit dem Nordpol in Richtung des Smartphones zu platzieren (also in meinem Fall nach oben), da ansonsten die Messung fehlerhaft ist. Dies lässt sich ganz einfach mit der Magnetfeld Funktion von phyphox überprüfen. Steigt der Betrag über dem Magneten, so ist der Nordpol nach oben gerichtet. Wenn der Betrag sinkt, dann ist Südpol des Magneten nach oben gerichtet.

Auf dem Smartphone wird in der phyphox-App das Experiment „Magnet-Lineal“ geöffnet und der Abstand dx (Abstand zwischen zwei Magneten) eingegeben und anschließend der Fernzugriff aktiviert. Die angezeigte IP-Adresse wird auf einem zweiten Gerät im Browser geöffnet. So kann man das Experiment fernsteuern und entspannt die Werte ablesen. Das Smartphone wird nun an der Bahn befestigt. Ich habe hier einen Flachwaggon an die Lok angehängt, das Smartphone hineingelegt und gesichert, damit es nicht während der Fahrt verrutscht.

Durchführung

Zunächst wird über das Dreieck oben rechts in der phyphox-App oder im Fernzugriff, die Messung gestartet. Anschließend starten ich die Bahn ein gutes Stück vor der Messstrecke, damit die Höchstgeschwindigkeit bereits beim Passieren des ersten Magneten erreicht ist. Die Messung wird, nachdem alle Magneten passiert wurden, beendet.

Erläuterung

In der App oder über den Fernzugang sind zunächst zwei Diagramme zu sehen. Das obere ist ein Zeit-Weg-Diagramm. Während der Messung zeichnet phyphox die Zeitspanne dt zwischen den deutlich erhöhten Werten für das Magnetfeld auf und addiert für jede Zeitspanne den Abstand dx zu dem bisher zurückgelegten Weg x in m. Für jede Zeitspanne berechnet phyphox die Durchschnittsgeschwindigkeit v = dx/dt.

phyphox-Experiment

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Die App liest dafür kontinuierlich die Werte, des im Smartphone verbauten, Magnetometers aus, dieser wird üblicherweise als Kompass für die Navigation genutzt. Das Magnetometer misst die magnetische Flussdichte in der Einheit Tesla (T). In meinem Fall zeigt das Smartphone, ohne einen Magneten in der Nähe, bereits einen Wert von ca. 50 µT. Dies liegt sowohl am natürlichen Magnetfeld der Erde, sowie an elektrischen Feldern in der Umgebung. Auch das Smartphone selbst beeinflusst diesen Wert. In der unmittelbaren Nähe zu den verwendeten Magneten steigt die magnetische Flussdichte auf über 1000 µT. Bewegt man den Magneten um das Smartphone kann man feststellen, dass der Wert sich stark verändert. Je höher der Wert desto näher ist man an dem Magnetometer im Smartphone. Bei besonders starken Magneten sollte man jedoch vorsichtig sein, da diese das Smartphone beschädigen können. Magneten, wie man sie an Notiztafeln verwendet, sollten jedoch kein Problem darstellen.

Auswertung

Über die Exportfunktion in phyphox erhält man alle aufgezeichneten Rohdaten als Excel-Datei. Für meinen Versuch ergeben sich folgende Werte:

Es lassen sich durch die vier Spitzen im Graphen eindeutig die vier Magneten erkennen. Zudem kann man bereits erkennen, dass die Bahn eine ungefähr gleichbleibende Geschwindigkeit gehabt haben muss, da die Zeitabstände zwischen den Kontakten zu den, jeweils 80 cm voneinander entfernten Magneten, in etwa gleich groß sind.

Aus den jeweiligen Maximalwerten (die Spitzen im Graphen) für die magnetische Flussdichte erhält man Anfang und Ende der Zeitspanne zwischen zwei Magneten und kann so die Zeitspanne dt berechnen. Hier fallen lediglich kleine Unterschiede auf, die im Rahmen der Messtoleranz liegen.

Aus dt und dem Abstand dx lässt sich für jede Zeitspanne die Durchschnittsgeschwindigkeit v berechnen. Die Formel zur Berechnung der Durschnittgeschwindigkeit lautet: v = dx/dt.

Aus den drei einzelnen Durschnittgeschwindigkeiten der Bahn ergibt sich für den gesamten Messabschnitt die Durchschnittsgeschwindigkeit 0,825 m/s bzw. 2,97 km/h.

Fazit

Mit phyphox und einem Smartphone lässt sich also ohne zusätzliche Messgeräte die Geschwindigkeit einer Spielzeugeisenbahn relativ einfach und genau bestimmen. Wer mehr zu den Funktionen von phyphox erfahren möchte, findet in diesem Beitrag weitere Informationen.