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 einer Kreisdiagonalen von $l = 2πr$. 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 2024 soll hierzu erste Ansätze liefern.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das FTF muss autonom von Position A zu Position B fahren.	1

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: Verdrahtuungsplan Arduino, Taster, LCD

Zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet man die Hauptgleichung Fehler beim Parsen (⧼math_empty_tex⧽): {\displaystyle } $v=\frac{l}{t}$ mit $l = 2πr$

(2)

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

Die Norm der Geschwindigkeit $|\vec{v}| = v$ wird als konstant angenommen. Es handelt sich zwar um eine beschleunigte Bewegung (Richtungsänderung von ⃗v), aber der Gesamtwert (Norm) ist zeitlich konstant. Der Übersichtlichkeit halber sollte dies in der didaktischen Erklärung erwähnt werden. t ≈ 180,6 cm 16 s ≈ 11,3 cm/s. (3) Die Norm der Geschwindigkeit |⃗v| = v wird als konstant angenommen. Es handelt sich zwar um eine beschleunigte Bewegung (Richtungsänderung von ⃗v), aber der Gesamtwert (Norm) ist zeitlich konstant. Der Übersichtlichkeit halber sollte dies in der didaktischen Erklärung erwähnt 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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