Physik im Alltag

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Autor:	Michelle Kellermeier & Rick Bürger
Betreuer:	Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer

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 und ein grüner Hacken soll ausgegeben werden, 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 XXX verschließt ausgeben.	Hoch	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
5	Ein rotes "X" soll ausgegeben werden wenn der eigegebene Zahlenwert mit der Lösung übereinstimmt.	Mittel	Michelle Kellermeier	26.11.2024	Rick Bürger	28.11.2024
6	Die Hilfestellungen zu den jeweiligen Aufgaben, sollen nach Ablauf der 100 Sekunden automatisch ausgegeben werden.	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 muss über die Software Matlab realisiert werden.	Mittel	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 in einem Alter von X 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

Abb. 01: Prozessablauf Game: "Physik im Alltag"

Abb. 02: Aufbau 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 nich nicht gelöst worden sein erscheint auf einem Bildschirm Nr. 2 der Hinweiß, 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
10	1	I²C-Adapter

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	10,72€	21,44€	Bildschirm	Bildschirm	Der Bildschirm verfügt über eine Größe von Abmessungen: 80 x 58 x 20 mm und ist für den Anschluss an den Arduino Uno geeignet.	Bildschirm	Abb. 04: Display
3	1x	4,99€	4,99€	AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad	Keypad	Der AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad besitzt eine 16 Tasten Tastatur zur Eingabe der Zahlen 0-9, sowie zwei Zeichen und vier Buchstabenfelder.	Keypad	Abb. 05: Tastenfeld
4	1x	4,75€	4,75€	100PCS Tactile Push Button	Button	Ein Selbstrückstellender Positionierungsschalter.	Button	Abb. 06: Button
5	1x	2,55€	2,55€	I²C-Adapter PCF8574	I²C-Adapter	Dieses Board wird benötigt um auch bei mehreren Displays genügend Pins am Arduino zur Verfügung zu haben.	I²C-Adapter	Abb. 07: I²C-Adapter

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 - vAuto​=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 - tAuto​=  $\frac{Entfernung}{​Geschwindigkeit Auto}$​​=8,3340​≈4,8s
        Berechnen, wie schnell der Fußgänger (mindestens) gehen muss - vFußgänger=$\frac{Straßenbreite}{Autogeschwindigkeit}$​=4,85​≈1,04m/s

Abb. 08: Auto

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:

        Berechnung des Gesamtenergiebedarfs [E=Energie pro °C*ΔT*V]: 210J/Liter/∘C*80∘C*0,5Liter      210$\frac{J}{L}$pro°C*80∘C*0,5Liter=8400J
        Berechnung der Zeit in Sekunden [t=$\frac{J}{E}$]: $\frac{8400J}{1000W}$=8,4Sekunden

Abb. 09: Wasserkocher

Hardware

Abb. 10: Schaltplan

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
• I2C
• Tastenfeld
• Button

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 wie folgt:

Tabelle 4: Pinbelegung am Display

Pin-Nr.	Symbol	Funktion
Pin 1	GND; 5 V	Masse; 5 V
Pin 2	Vdd; 0 V .. 5 V	Stromversorgung (+5V); 0 V .. 5 V
Pin 3	Vo; 0 V	Kontrasteinstellung; 0 V
Pin 4	Rs; 5 V	Daten-/Befehlsauswahl; 5 V
Pin 5	R/W; 5 V	Lese-/Schreibsteuerung; 5 V
Pin 6	E; 5 V	Aktivierungssignal; 5 V
Pin 7-14	D0–D7; 5 V	Datenleitungen; 5 V
Pin 15	LED(+); 5 V	Hintergrundbeleuchtung (+); 5 V
Pin 16	LED(-); 5 V	Hintergrundbeleuchtung (-); 5 V

I2C- Adapter

Der I2C-Adapter kommt zum Einsatz um beide für das Projekt benötigten Displays zeitgleich Kontaktieren zu können. Durch den Einsatz dieses Bauelelements ist es möglich ein Display über lediglich 2 Anschlüsse am Arduino anschließen zu können. Die gerninge Baugröße, sowie das Gewicht stellen für die geometrische Gesamtgröße des Projekts (Schuhkarton) kein Problem dar.

Die Verbindung zwischen LCD-Display und I2C-Adapter wied wie folgt realisiert:

Tabelle 5: Pinbelegung zwischen Display und Adapter

Pin-Nr. Display	Pin-Bez. Adapter
1 (VSS)	GND
2 (VDD)	VCC
3 (VO)	Potentiometer am Adapter
4 (RS)	Rs
5 (RW)	GND
6 (E)	E
11-14 (D4-D7)	D4–D7
15 (LED+)	LED(+)
16 (LED-)	LED(-)

Die entsprechende Pinbelegung zwischen dem I2C- Adapter und dem Arduino sei in folgender Tabelle dargestellt:

Tabelle 6: Pinbelegung zwischen Display und Adapter

Pin-Bez. Adapter	Pin-Bez. Arduino
SDA (I2C-Datenleitung)	A4
SCL (I2C-Taktleitung)	A5
VCC (Stromversorgung (+5V))	5V
GND (Masse)	GND

Keypad

Das AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad wird für die Eingabe der Lösungen benötigt. Das Keypad selber verfügt über acht Pins, welche für die vier Zeilen und die vier 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
C4	D9

Button

Der 100PCS Tactile Push Button komplettiert den hardwareseitigen Aufbau des Projektes. Grundsätzlich benötigt ein solcher Button über vier Anschlüsse, da allerdings zwei der Anschlüsse jeweils intern miteinander verbunden sind, werden für den Anschluss am Arduino lediglich 2 Verbindungen benötigt. Die genaue Pinbelegung sei im folgenden (analog zu den vorherigen Komponenten) dargestellt:

Tabelle 8: Pinbelegung zwischen Keypad und Arduino

Bez.Button-Pin	Bez. Arduino-Pin
Signal-Pin (Button-Ausgang)	Digital Pin 10
Masse (GND)	GND

Software

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

Matlab Code

- Arduino initalisieren - Initalisieren - abfrage welcher Knopf gedrückt wurde

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 11: Projektplan

Der dargestellte Projektplan wurde mit GantProject erstellt.