Escape Game: Zug Experiment

Abb. 1: Materialübersicht für das Zug Experiment [1]

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider

Einleitung

Dieses Beispiel zeitgt, wie einfach ein experimentelles Puzzle eines physikalischen Escape Games konzipiert sein kann. Ein miniaturisierter Zug wird zum Zweck der Gamifizierung in der Kinematik verwendet, der auf einer Eisenbahnstrecke in einem Kreis (Radius r) fährt. Zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet man einfach $v=\frac{l}{t}$ (l Länge; t Zeit, v Geschwindigkeit) mit einem Kreisumfang von $l=2\pi r$. Das gesamte Puzzle kann an die Kindheit bzw. Jugend erinnern. Dennoch kann das Zugexperiment auch als Ersatz für ein ähnliches Spielzeug verstanden werden. Ein Zug auf einer Eisenbahnstrecke ist jedoch ein Kinderspiel und ein beliebtes Thema in Comics und Zeichentrickfilmen, das ein – hoffentlich – friedliches frühes Leben berührt. Eine mögliche Erweiterung durch eine Fehlerberechnung wird vorgeschlagen und vorgestellt.

Escape Rooms sind teambasierte Spiele, bei denen Spieler Rätsel lösen, Experimente durchführen und Aufgaben erfüllen. Das Interesse am Bau von Escape Rooms ist in den letzten Jahren gestiegen [2]. Im Jahr 2021 forderten C. Lathwesen et al.: Dennoch konnten wir einige Lücken in der Forschung und Entwicklung zu diesem Thema feststellen. Zunächst einmal besteht vor allem in den Fächern Physik und Biologie noch Bedarf an neuen Vorschlägen. [3] Um diese Lücke zu schließen, wird an der HSHL ein Escape game für Studierenden, Schülerrrinnen und Schüler entwickelt. Das Praktikum im WS 2025 soll hierzu erste Ansätze liefern.

Schwierigkeitsgrad: Einsteiger

Lernziele:

• Vertiefung der mathematischen Kreisumfangsberechnung.
• Vertiefung der physikalischen Geschwindigkeitsberechnung einer gleichförmigen Bewegung.

Bezug zum MTR Studium:

• Nutzung der Mathematik zur Lösung eines physikalischen Problems (MTR 1).
• Anwendung der Informatik zur Zeitmessung (MTR 1, 2)
• Aufbau eines Sensor-Aktor-Systems (MTR 5).

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Ein Netzteil muss die Betriebsspannung der Eisenbahn von 8,1 V liefern.	1	U. Schneider	03.10.2025	03.10.2025	M. Göbel
2	Der geschlossene Schienenzug muss einen Durchmesser von 57,5 ​​cm haben.	1	U. Schneider	03.10.2025	03.10.2025	M. Göbel
3	Die Zeitberechnung muss mit einem Arduino Uno R3 erfolgt.	1	U. Schneider	03.10.2025	03.10.2025	M. Göbel
4	Ein Taster am Arduino muss die Zeit starten und stoppen.	1	U. Schneider	03.10.2025	03.10.2025	M. Göbel
5	Die Zeit muss auf dem Display in Sekunden angezeigt werden.	1	U. Schneider	03.10.2025	03.10.2025	M. Göbel

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Das System besteht aus denen in Abb. 1 dargestellten und in Tabelle 2 aufgeführten Komponenten. Um die Zeit zu stoppen, wird abweichend von Abb. 1 nicht eine historische Uhr der Firma Junghans aus Deutschland verwendet, sondern ein Arduino mit Display und Taster. Der Taster startet und stoppt die Zeitmessung und die verstrichene Zeit wird auf dem Display angezeigt. Zusätzlich enthält das Experiment einen miniaturisierten Schienenzug (Maßstab 1:120) der Berliner Bahnen TT Hobby mit einer Spurweite von 12 mm. Das vorgestellte Exemplar ist ein historisches Exemplar aus der DDR. Die Spannungsquelle ist ein geregeltes Voltcraft-Netzteil mit einer voreingestellten Spannung von U ≈ 8,1 V ± 0,05 V.

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	Taster
3	1	Display
4	1	Steckbrett
5	1	Verbindungskabel
6	1	Schienenzug (Maßstab 1:120) der Berliner Bahnen TT Hobby, Spurweite: 12 mm
7	1	Voltcraft-Netzteil

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf wird in Abb. 1 dargestellt.

Technischer Systementwurf

2Do: Verdrahtungsplan Arduino, Taster, LCD

Komponentenspezifikation

Ansatz

Zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet man die Hauptgleichung
$v=\frac{l}{t}$
mit
$l=2\pi r$
wobei r der Radius des Kreises um $r=\frac{d}{2}$ mit d ≈ 57,5 ​​cm und t ≈ 16 s die Zeit pro Kreis des Zuges ist.

Daraus ergibt sich:
$v=\frac{l}{t}\approx \frac{180,6cm}{16s}\approx 11,3cm/s$

Die Norm der Geschwindigkeit $|\overrightarrow{v}|=v$ wird als konstant angenommen. Es handelt sich zwar um eine beschleunigte Bewegung (Richtungsänderung von $\overrightarrow{v}$ ), aber der Gesamtwert (Norm) ist zeitlich konstant. Der Übersichtlichkeit halber sollte dies in der didaktischen Erklärung erwähnt werden.

Der dreistellige Zahlencode lautet: 113

Ergebnis

Fehler

Der einfache Aufbau hat zur Folge, dass der resultierende Fehle verhältnismäßig groß ist, mit $\mathrm{\Delta }t=\pm 1s$ und $\mathrm{\Delta }l=\pm 0,4cm$. Dies pflanzt sich in der Geschwindigkeitsberechnung fort zu
$\mathrm{\Delta }v=\mathrm{\Delta }l\cdot |\frac{1}{l}|+\mathrm{\Delta }t\cdot |\frac{1}{t^2}|\approx 0,7\frac{cm}{s}$.

Zusammenfassung

Der erste Teil präsentierte eine Berechnung des obligatorischen Wissens in Kinematik. Wie erwähnt, sollten die Experimente und Rätsel eines 2-stündigen Escape Rooms im Vergleich zu einem herkömmlichen Experimentalkurs für Lehramtsstudenten Minuten statt Stunden dauern. Das vorgestellte Experiment ist kostengünstig und hat einen schönen, auffallenden Effekt. In unserem Fall läuft das Experiment hinter einer geschlossenen und verschlossenen Tür ab, was durch das Zuggeräusch die Neugier weckt. Unterschwellig kann es an die Kindheit erinnern, da Züge ein beliebtes Thema in Comics und Zeichentrickfilmen sind. Der zweite Teil ist eine optionale Fehlerberechnung, die eine Variabilität in Zeit/Komplexität je nach geplantem Escape Room-Konzept in Physik und Zeitanforderungen sowie je nach Hauptstudienfach ermöglicht. Abschließend ist klar, dass das vorgestellte Zugexperiment in Physik ziemlich trivial ist, die Anziehungskraft jedoch durch Niedlichkeit und tiefenpsychologische Gründe verursacht wird, die durch die Kindheit als Werkzeug für Gamification abgedeckt werden.

Quellen

[1] Escape Room in Physics: Train Experiment
[2] L. H. Taraldsen, F. O. Haara, M. S. Lysne, P. R. Jensen, and E. S. Jenssen, 13, 169 (2022), ISSN 2000-4508, URL: [1]
[3] C. Lathwesen and N. Belova, Education Sciences 11 (2021), ISSN 2227-7102, URL: [2]

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