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In dieser Arbeit werden nichtlineare Kopplungsmechanismen von akustischen Oszillatoren untersucht, die zu Synchronisation führen können. Aufbauend auf die Fragestellungen vorangegangener Arbeiten werden mit Hilfe theoretischer und experimenteller Studien sowie mit Hilfe numerischer Simulationen die Elemente der Tonentstehung in der Orgelpfeife und die Mechanismen der gegenseitigen Wechselwirkung von Orgelpfeifen identifiziert. Daraus wird erstmalig ein vollständig auf den aeroakustischen und fluiddynamischen Grundprinzipien basierendes nichtlinear gekoppeltes Modell selbst-erregter Oszillatoren für die Beschreibung des Verhaltens zweier wechselwirkender Orgelpfeifen entwickelt. Die durchgeführten Modellrechnungen werden mit den experimentellen Befunden verglichen. Es zeigt sich, dass die Tonentstehung und die Kopplungsmechanismen von Orgelpfeifen durch das entwickelte Oszillatormodell in weiten Teilen richtig beschrieben werden. Insbesondere kann damit die Ursache für den nichtlinearen Zusammenhang von Kopplungsstärke und Synchronisation des gekoppelten Zwei-Pfeifen Systems, welcher sich in einem nichtlinearen Verlauf der Arnoldzunge darstellt, geklärt werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird der Einfluss des Raumes auf die Tonentstehung bei Orgelpfeifen betrachtet. Dafür werden numerische Simulationen der Wechselwirkung einer Orgelpfeife mit verschiedenen Raumgeometrien, wie z. B. ebene, konvexe, konkave, und gezahnte Geometrien, exemplarisch untersucht. Auch der Einfluss von Schwellkästen auf die Tonentstehung und die Klangbildung der Orgelpfeife wird studiert. In weiteren, neuartigen Synchronisationsexperimenten mit identisch gestimmten Orgelpfeifen, sowie mit Mixturen wird die Synchronisation für verschiedene, horizontale und vertikale Pfeifenabstände in der Ebene der Schallabstrahlung, untersucht. Die dabei erstmalig beobachteten räumlich isotropen Unstetigkeiten im Schwingungsverhalten der gekoppelten Pfeifensysteme, deuten auf abstandsabhängige Wechsel zwischen gegen- und gleichphasigen Sychronisationsregimen hin. Abschließend wird die Möglichkeit dokumentiert, das Phänomen der Synchronisation zweier Orgelpfeifen durch numerische Simulationen, also der Behandlung der kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen mit entsprechenden Rand- und Anfangsbedingungen, realitätsnah abzubilden. Auch dies stellt ein Novum dar.
Über Technik kommunizieren
(2008)
Die Unterrichtsmaterialien des Einhefters vermitteln Einblicke in den Aufbau und die Funktion der technischen Systeme von Brotschneidemaschine, Handrührgerät, Eierkocher, Elektroherd, Kühlschrank, Gefrierschrank, Akkusauger und elektrischem Küchenmesser. Dabei wird z. T. eine Demontage bzw. Remontage durchgeführt. Des weiteren werden die Stoff-, Energie- und Informationsumsätze der technischen Systeme behandelt, letztere werden analysiert und systematisiert, bevor die Schülerinnen und Schüler Funktionsmodelle bauen können.
Schülerinnen und Schüler verfügen über verschiedene Detailkenntnisse zur Technik und zu Technologien im Haushalt und im Freizeitbereich. Deshalb liegt es nahe, Technik am Beispiel der Haushaltstechnik zu analysieren und ein Verständnis für technische Systeme zu entwickeln (Orig.). Der Beitrag beinhaltet die didaktischen Grundlagen (Organstrukturmodell und 9-Felder-Matrix) für eine Unterrichtsgestaltung, die mit Hilfe des im Einhefter von Unterricht - Arbeit + Technik vorhandenen Unterrichtsmaterials vorgenommen werden kann. Die Materialien sollen die Schülerinnen und Schüler dazu befähigen, technische Sachsysteme mittels des Organstrukturmodells in ihren Aufbau- und Funktionsbeziehungen zu beschreiben und sie zu klassifizieren (Arbeitsgegenstände / technologische Grundvorgänge). Des weiteren können Stoff-, Energie- und Informationsflüsse anhand technischer Sachsysteme beschrieben werden (nach Orig.).