Physik im Alltag

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Autor:	Michelle Kellermeier & Rick Bürger
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Physikalische Effekte sind nur dann genau zu bestimmen, wenn alle nötigen Parameter vorliegen und die entsprechende Formel bekannt ist. Darüber hinaus verfügt der Mensch auch über ein natürliches Gefühl für physikalischen Effekte, die jeder aus seinem Alltag kennt.

Darunter fallen die Einschätzung von Geschwindigkeiten, Beschleunigung, Kräfte und vielen mehr, welche alle Menschen tagtäglich und auch häufig unbewusst nutzen, wenn sie beispielsweise über eine Straße gehen oder einen Gegenstand anheben wollen.

Trotz dieser natürlichen Veranlagung die Gesetze der Physik im Alltag anzuwenden klagen viele Menschen, darunter häufig Schulkinder, sie würden die Physik nicht verstehen können und beschäftigen sich daraufhin nicht aus intrinsischen Interesse mit diesem Themenfeld.

Im Rahmen unseres Escape-Games wollen wir den Teilnehmenden zeigen, dass Physik keineswegs ein rotes Tuch ist, sondern vielmehr häufig und unbewusst von jedem Menschen genutzt wird. Daher werden im Zuge des Spielverlaufs drei Aufgabenstellungen, mit physikalischen Alltagsphänomenen gestellt. Um den Charakter einer Unterrichtsstunde zu umgehen sollen die Aufgaben ohne Taschenrechner oder Formelsammlung gelöst werden. Die Aufgabe besteht darin die möglichst genaue Antwort abzuschätzen. Liegt der Wert in einem bestimmten Toleranzbereich, so wird auf dem Display pro gelöster Aufgabe jeweils eine Zahl für das Zahlenschloss ausgegeben.

Dieses Rätsel lässt sich, über den möglichen Tolleranzbereich in verschiedenen Schwierigkeitsstufen (leicht,mittel und schwer) einstellen. Wenn es in der Stufe "leicht" noch einfach ist die Thematik zur ausreichender Zufriedenheit über einer einfachen Einschätzung zu lösen, so wird in der Stufe "schwer" der Teilnehmer nicht darum herum kommen durch Anwendung der richtigen Formel aus dem Gedächtnis, sowie einiger Kenntnisse im Kopfrechnen auf eine möglichst genau Lösung zu kommen, die zudem auch im geforderten Toleranzbereich liegt. Natürlich sind auch Hilfen vorgesehen, falls die Teilnehmer nicht weiterkommen sollten. Dabei handelt es sich um eine kurze Erläuterung der vorliegenden Aufgabe. Die Hilfestellung wird automatisch angezeigt, falls die Aufgabe nach 100 Sekunden noch nicht gelöst wurde. Ohne sperrige Formeln kann die vorliegende Aufgabe, somit einfacher gelöst werden.

Ziel des Games soll es sein, zu erkennen das Physik in allen möglichen Lebenssituationen vorkommt und keinesfalls nur ein langweiliges Schulfach ist, sondern im richtigen Blickwinkel betrachtet auch sehr viel Spaß machen kann.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game
ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape Game muss innerhalb von fünf Minuten lösbar sein.	Hoch	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
2	Die zum Lösen der Aufgabe benötigte Zeit soll 100±20s betragen.	Hoch	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
3	Die Lösung der Escape Game Aufgabe soll einen textlichen Hinweis ausgegeben , wenn der eingegebene Zahlenwert mit der Lösung übereinstimmt.	Mittel	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
4	Die Eingabe der korrekten Lösung der Escape Game Aufgabe soll eine Zahl für das Zahlenschloss, das nächste Escape Game verschließt ausgeben.	Hoch	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
5	Ein textlicher Hinweis soll ausgegeben werden wenn der eigegebene Zahlenwert nicht mit der Lösung übereinstimmt.	Mittel	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
6	Die Hilfestellungen zu den jeweiligen Aufgaben, sollen zur Verfügung stehen.	Hoch	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
7	Die Hilfestellungen müssen präzise und akkurat formuliert sein.	Mittel	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
8	Die Hilfestellungen müssen eingängig und einfach zu verstehen sein.	Mittel	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
9	Die Programmierung soll über die Software Matlab realisiert werden.	Hoch	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
10	Das Escape Game muss in einen Schuhkarton passen.	Mittel	Rick Bürger	04.10.2024	Michelle Kellermeier	04.10.2024
11	Das Escape Game muss für Kinder ab einem Alter von 15 geeignet sein.	Mittel	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
12	Das Escape Game muss Sensoren und einen Mikrocontroller enthalten, die in einem Schaltkreis verbunden sind.	Mittel	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Zu Beginn schalten die Spieler das Eingabegerät ein, daraufhin wird die erste Aufgabe auf dem Bildschirm Nr. 1 angezeigt. Wurde die Aufgabe erfolgreich absolviert wird die erste Zahl des Codes auf dem Bildschirm Nr. 2 ausgegeben. Durch drücken auf den Button "weiter" wird die nächste Aufgabe angezeigt. Das Prinzip läuft für die folgenden Fragestellungen analog ab. Am Ende erscheint auf dem Bildschirm Nr. 2 nochmal der vollständige Code. Sollte eine Aufgabe nach 100 Sekunden nicht gelöst worden sein erscheint auf einem Bildschirm Nr. 2 der Hinweis, durch den die Aufgabe leichter zu bewältigen ist. Dieser wird ausgeblendet, wenn die Aufgabe erfolgreich absolviert wurde.

Technischer Systementwurf

Das System setzt sich aus einem Mikrocontroller, sowie aus zwei Bildschirmen, einem Tastaturfeld und einem Push Button zusammen.

Die Steuerung, sowie die Zeitüberwachen und die Ausgabe der Hinweise wird durch einen Mikrocontroller realisiert. Alle weiteren elektronischen Bauteile sind direkt mit dem Mikrocontroller verbunden. Dieser ist mit einer dauerhaften Stromquelle verbunden. Bildschirm 1 wird genutzt um die aktuelle Aufgabe visuell auszugeben. Bildschirm 2 bildet die Hinweise, sowie die Zahlen für den Code ab. Die Bildschirmausgabe erfolgt über je ein LCD-Tastaturschild LCD1602 LCD 1602-Modul Display. Die Eingabe der Werte erfolgt über ein AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad. Der Button "weiter" wird durch ein ein Push Button DIP-4 realisiert.

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste
Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	2	Bildschirm
3	1	Matrix Array Keypad
4	1	Steckbrett
5	18	Verbindungskabel
6	1	Positionierungsschalter
8	1	Widerstand 1kOhm
9	1	Netzteil + Kabel

Komponentenspezifikation

Stückliste (BOM)

Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.

Tabelle 3: Komponentenspezifikation
ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	23,70€	23,70€	Mikrocontroller-Board	Arduino UNO R3	Der Mircocontroller mit dem ATmega328P verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen, sechs davon können als PWM Ausgang genutzt werden. Des weiteren sind sechs analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 03: Arduino Uno
2	2x	2,33€	4,66€	LCD Bildschirm	LCD Bildschirm	Der Bildschirm verfügt über eine Größe von Abmessungen: 80 x 35 x 11 mm und ist für den Anschluss an den Arduino Uno geeignet.	Datenblatt Bildschirm	Abb. 04: Display
3	1x	2,10€	2,10€	AZDelivery 4x3 Matrix Array Keypad	Keypad	Der AZDelivery 4x3 Matrix Array Keypad besitzt eine 12 Tasten Tastatur zur Eingabe der Zahlen 0-9, sowie zwei Zeichen .	Datenblatt Keypad	Abb. 05: Tastenfeld
4	2x	2,33€	4,66€	I2C	I2C	Schnittstellen Verbindung zwischen dem Display und dem Arduino.	Datenblatt I2C	Abb. 06: I2C

Umsetzung (HW/SW)

Aufgaben die es Lösen gilt

1. Aufgabe "Kartoffelsack":

Ein 2.5kg schwerer Sack Kartoffeln soll in die Höhe gehoben werden. Wie viel Kraft wird für diesen Vorgang benötigt?

Antwort: Formel: F = m*a

        Produkt aus Masse und Erdanziehungskraft berechen - F=2,5kg*9,81 $\frac{m}{s^2}$ =24,525N

2. Aufgabe "Straßenverkehr":

Ein Fußgänger möchte eine fünf Meter breite Straße überqueren. Auf der Straße befindet sich ein Auto mit der Geschwindigkeit 30km/h. Dieses ist 40 Meter entfernt. Wie schnell (in m/s) muss der Fußgänger laufen, um nicht vom Auto erfasst zu werden? Antwort:

        Geschwindigkeit des Autos von km/h in m/s umrechnen - v_Auto=30 $\frac{km}{h}$ * $\frac{m}{km}$ /3600 $\frac{s}{h}$ =8,33 $\frac{m}{s}$       
        Berechnen, wie lange das Auto für die Strecke (40m) benötigt - t_Auto=   $\frac{Entfernung}{​Geschwindigkeit Auto}$ =8,3340≈4,8s
        Berechnen, wie schnell der Fußgänger (mindestens) gehen muss - v_Fußgänger= $\frac{Straßenbreite}{Autogeschwindigkeit}$ =4,85≈1,04m/s

3. Aufgabe "Wasserkocher":

Ein Wasserkocher mit 1000 W soll 0,5 Liter Wasser von 20°C auf 100°C erhitzen. Pro Grad Temperaturerhöhung benötigt das Wasser 210 Joule Energie pro Liter. Wie lange dauert das Erhitzen des Wassers? Antwort:

        Energiebedarf pro Liter und Grad:[c= $\frac{Leistung}{Liter⋅Grad}$ ]=210 $\frac{J}{l⋅Δt}$ 
        Berechnung der benötigten Gesamtenergie durch die Multiplikation mit Temperaturdifferenz und Wassermenge: 
        Joule= $\frac{Joule}{Liter⋅ΔTemperatur}$ ⋅Liter⋅ΔTemperatur =210 $\frac{J}{l⋅Δt}$ ⋅80°C⋅0,5Liter=8400J
        Berechnung der Zeit in Sekunden [t= $\frac{J}{E}$ ]:  $\frac{8400J}{1000W}$ =8,4Sekunden

Hardware

Die Abbildung 10 zeigt den voraussichtlichen Aufbau für die Schaltung des Projektes Physik im Alltag. Die Schaltung wird auf einem Breadboard realisiert. Das Breadboard verbindet die jeweiligen Hardwarekomponenten durch die Verakbelung. Es werden die folgenden Hardewarekoponenten verwendet: -

LCD Display
Arduino Uno R3
Tastenfeld
I2C
Steckboard

Beschreibung der Hardware

Der Arduino Uno R3 ist der Verbindungspunkt der unterschiedlichen Hardwarekomponenten.

LCD Display:

Die zwei baugleichen LCD Displays erfüllen die Funktion "Aufgabentext" und "Feedback-Ausgabe". Der Anschluss erfolgt seitens der Displays an den Controller durch den I2C. Dieser wird an das Display angelötet und bietet die Verkabelungsschnittstelle:

Tabelle 4: Pinbelegung am Display über den I2C
Pin-Nr.	Symbol	Funktion
Pin 1	GND; 0 V	Masse; 0 V
Pin 2	Vcc; 5 V	Stromversorgung ; 5 V
Pin 3	SDA;	Serial Data Line
Pin 4	SCL;	Serial Clock Line

Keypad

Das AZDelivery 4x3 Matrix Array Keypad wird für die Eingabe der Lösungen benötigt. Das Keypad selber verfügt über sieben Pins, welche für die vier Zeilen und die drei Spalten des Tastenfeldes benötigt werden. Die genaue Pinbelegung zwischen dem Arduino und dem Keypad sieht wie folgt aus:

Tabelle 7: Pinbelegung zwischen Keypad und Arduino
Bez. Keypad-Pin	Bez. Arduino-Pin
R1	D2
R2	D3
R3	D4
R4	D5
C1	D6
C2	D7
C3	D8

Software

Die verwendete Software ist Matlab R2024b. Darüber hinaus wird ein Package benötigt: "MATLAB Support Package for Arduino Hardware".

Matlab Code

Die Integration in Simulink war aufgrund eines Fehlers nicht vollständig möglich. Um einen funktionsfähigen Prototypen zu präsentieren, wurde der Code in Visual Studio Code geschrieben, wo er kompiliert werden kann, was die Präsentation der Übung ermöglichte. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Code in Matlab zu starten, der dann die gewünschte Ausgabe auf der Console ausgibt.

Komponententest

Im Rahmen der Qualitätssicherung wurden die Komponenten einer sorgfältigen Prüfung unterzogen, um deren Funktionalität und Korrektheit sicherzustellen. Die Funktionalität wurde geprüft, indem alle notwendigen Funktionen abgebildet und auf Fehler überprüft wurden.

1.Display

Die Displays zeigen Wörter und Sätze in korrekter deutscher Sprache an. Die korrekte Anzeige wurde auf dem entsprechenden Display überprüft und ist gut lesbar.

2. Keypad

Das Keypad wurde auf seine Funktionalität geprüft, indem alle Tasten nacheinander und in einem zweiten Durchgang in zufälliger Reihenfolge gedrückt wurden.

Die Übertragung der Signale von dem Keypad auf das Display wurde korrekt dargestellt. Darüber hinaus ist die Implementierung der Aufgabe korrekt.

Ergebnis

Ziel dieses Escape-Games ist es drei physikalische Aufgaben innerhalb von fünf Minuten zu lösen. Ein besonderer Reiz wird dadurch geschaffen, dass die Aufgaben so gestaltet sind, dass sie unter Zuhilfenahme der eigenen Vorstellungskraft, sowie eines gewissen Grades an physikalischer Kenntnis gelöst werden können. Um die Vorstellungskraft des Spielers nicht übermäßig zu fordern, orientieren sich die Aufgaben an typischen Alltagssituation.

Folgende Aufgaben sind im Verlauf des Spiels zu lösen:

Ein 2.5kg schwerer Sack Kartoffeln soll in die Höhe gehoben werden. Wie viel Kraft wird für diesen Vorgang benötigt?
Ein Fußgänger möchte eine fünf Meter breite Straße überqueren. Auf der Straße befindet sich ein Auto mit der Geschwindigkeit 30km/h. Dieses ist 40 Meter entfernt. Wie schnell (in m/s) muss der Fußgänger laufen, um nicht vom Auto erfasst zu werden?
Ein Wasserkocher mit 1000 W soll 0,5 Liter Wasser von 20°C auf 100°C erhitzen. Pro Grad Temperaturerhöhung benötigt das Wasser 210 Joule Energie pro Liter. Wie lange dauert das Erhitzen des Wassers?

Möchte der Spieler eine Lösung abgeben, kann er diese über ein Keypad eingeben, darauf bekommt er sofort die Meldung, dass das Ergebnis falsch war, oder die nächste Aufgabe. Nach erfolgreichen Beantworten aller drei Aufgaben wird am Ende ein Code angezeigt, mit dem sich ein Zahlenschloss öffnen lässt. Sollte die Beantwortung eines Rätsels länger als 100 Sekunden dauern, so wird dem Spieler ein Hinweis ausgegeben, mitdem dieser die Aufgabe einfacher bewältigen kann. Der Hinweis erfüllt die Aufgabe einen Spieler aus einer Aufgabenstellung herauszuhelfen, ohne die Spannung des Spiels zu nehmen oder eine Zeit Überschreitung aufgrund einer einzelner Fragestellungen zu riskieren.

Zusammenfassung

Im Rahmen des Projektes konnte das Game funktionsfähig programmiert werden. Im Verlauf des Komponententests wurden alle Anforderungen nochmals überprüft. Das Projekt wurde zum geforderten Stichtag fertiggestellt und kann auf der Projektmesse unter Zuhilfenahme eines Plakates/Einlegers vorgestellt und genutzt werden. Weiterhin wurde, wie in der Aufgabenstellung gefordert ein Video erstellt, indem die Funktion und Handhabung des Spiels verdeutlicht wird.

Lessons Learned

Mit der Erstellung des Escape Games haben wir unter anderem das gemeinsame Arbeiten an einem komplexen Projekt gelernt, beziehungsweise vertieft. Zur erfolgreichen Realisierung des Projektes waren die Planung und Organisierung ein erheblicher Faktor. Im Folgenden seien der Verlauf des Projektes und die dabei gewonnen fachlichen und zwischenmenschlichen Erkenntnisse kurz erläutert:

In einem ersten Schritt haben wir uns die benötigten Dateien über die Science Box (Sciebo) miteinander geteilt. Im Rahmen des Studiums konnten wir den Umgang mit SVN erlernen und haben diesen ebenfalls zum Datenaustausch genutzt. Zusätzlich haben wir bemerkt das klare und verständliche Absprachen essentiell für eine gemeinsame Zusammenarbeiten sind. Darüber hinaus konnten wir unser Wissen im Hinblick auf den Umgang mit der Software Arduino und Mathlab erweitern. In der Mitte des Projektes haben wir die Erkenntnis gewonnen, dass die richtige Verkabelung, sowie die Bedeutung der Anschlüsse gut durchdacht und auf etwaige Komplikationen für den späteren Verlauf des Projektes betrachtet werden sollten. Andernfalls kann es zu einem erheblichen zeitlichen Mehraufwand kommen.

Auch die Möglichkeiten der addativen Fertigung (3D-Druck), welche unter anderem im Kurs "innovative Fertigungstechnologien" gelehrt wurde, konnten erfolgreich genutzt und praktisch angewendet werden. Die Nutzung dieser ressourcenschonenden Technologie hat uns deutlich gemacht, welche Verarbeitungsmöglichkeiten grade auch in tendenziell neueren Technologien stecken. Somit haben wir im Laufe des Projektes die Erfahrung erworben, dass ein breiterer Blinkwinkel, stehts auch zu mehr Gestaltungsmöglichkeiten führt.

Durch die Erstellung des Escape Games konnten somit eine Vielzahl an Fähigkeiten und Erfahrungen erworben werden, die sowohl für den weiteren Verlauf des Studium, als auch für die spätere Berufslaufbahn von großer Bedeutung sind. Insbesondere die vertiefenden Erkenntnisse und Fähigkeiten mit der Software Mathlab und dem Mikrocontroller Arduino können an diesem Punkt hervorgehoben werden.

Projektunterlagen

Projektplan

Der dargestellte Projektplan wurde mit GantProject erstellt.

Projektdurchführung

Die initiale Projektphase beginnt mit der Bestellung der erforderlichen Komponenten und der Überlegung zur Gestaltung des Escape-Games. Nach Abschluss der Beschaffung der benötigten Teile wurde die Projektplanung initiiert. Mithilfe des Projektplans wurde diese visualisiert und für das Team festgelegt. In der Projektdurchführung wurde sich dem Zusammenbau der Hardware sowie dem Druck des Gehäuses gewidmet. Darüber hinaus wurde mit der Programmierung des Arduino begonnen.Die Projektüberwachung begann mit dem Test der Funktionalität und der Beobachtung der Erfahrungen von Personen unterschiedlichen Alters.Der Projektabschluss bildet die Abgabe des funktionalen Escape Games.

YouTube Video

Im nachfolgenden Video ist der Ablauf des Games dargestellt. Es ist zu erkennen wie das Game bedient wird, beziehungsweise wie das Spiel auf die Eingaben der Nutzer reagiert. Das Video ist als visuelle Ergänzung zum Kapitel Ergebnis zu verstehen: https://youtu.be/wREQV6mOpss

Und die Datei mit allen dargestellten Bildern und Informationen: Datei:AbgabePiABSE.zip

Weblinks

Literatur

Holzner, Steven et al. (2015): Physik für Dummies; Weinheim Wiley-VCH Verlag, 4. aktualisierte Auflage, ISBN: 3527711686
Arduino mit Mathlab/Simulink programmieren [1]