Geschwindigkeitsmessung

Bei einer Geschwindigkeitsmessung wird mit Hilfe technischer Einrichtungen bestimmt, welche Geschwindigkeit ein Objekt in einer bestimmten Richtung oder im Raum hat. Dieser Artikel bietet eine Übersicht der Wirkprinzipien; zur Beschleunigungsmessung siehe auch Accelerometrie.

Berechnende Verfahren ermitteln die Durchschnittsgeschwindigkeit im betrachteten Weg- oder Zeit-Abschnitt. Wenn dieser Abschnitt sehr klein ist, wird annähernd die Momentangeschwindigkeit gemessen. Messmethoden die physikalische Effekte nutzen und nicht träge reagieren, messen die Momentangeschwindigkeit. Weiterhin können bei der Auswertung der Geschwindigkeitsverteilung die Maximal- und die Minimalgeschwindigkeit ermittelt werden.

Berechnende VerfahrenBearbeiten

Zeitmessung einer WegstreckeBearbeiten

Mit Lichtschranken, Ultraschallschranken, Mikrowellenschranken, oder mit anderen schaltenden Sensoren wird die Zeit   gemessen, die das Objekt für einen bestimmten Weg   benötigt.

Die Geschwindigkeit   wird berechnet mit  .
Mit der Tachymeter-Skale der Stoppuhr wird die Geschwindigkeit einfacher durch eine Multiplikation berechnet. Anwendung im modernen Tachometer, beim Sport, bei der Geschwindigkeitsüberwachung im Straßenverkehr, beim Log (Messgerät).

Wegmessung in festen ZeitabständenBearbeiten

Wenn die Position, Entfernung oder der zurückgelegte Weg ( ) zu zwei Zeitpunkten (  und  ) bekannt sind, berechnet sich die Geschwindigkeit mit  .
Die Position kann mit GPS, Laufzeitmessung von Laser- oder Radarimpulsen oder optisch mit Kameras gemessen werden. Weitere Verfahren siehe Entfernungsmessung. Anwendung z. B. bei der Laserpistole, optische Geschwindigkeitsmessung in Walzwerken, oder die Particle Image Velocimetry in Fluiden.

Integration der BeschleunigungBearbeiten

Aus der gemessenen Beschleunigung a kann durch Integration die Geschwindigkeit ermittelt werden.

 

Fehler bei der Integration können durch Kontrolle mit anderen Sensoren herausgerechnet werden. Anwendung u. a. im Maschinenbau, bei Rütteltischen und in der Avionik (siehe Inertiales Navigationssystem)

Physikalische EffekteBearbeiten

Elektromagnetische InduktionBearbeiten

Nach dem Induktionsgesetz ist die Spannung in einer Spule proportional zur Geschwindigkeit der Änderung des magnetischen Flusses. Dieses Prinzip nutzen Tachogeneratoren, Impeller, Tauchspulgeräte, Wirbelstromaufnehmer.

Doppler-EffektBearbeiten

Wenn Schall, Mikrowellen oder Laserstrahlen von einem Objekt reflektiert werden, hat das Echo eine höhere Frequenz, wenn sich das Objekt auf den Betrachter zubewegt. Dieser Frequenzunterschied aufgrund des Doppler-Effektes wird ausgewertet.

Einige Anwendungen, nach abnehmender Frequenz geordnet, sind die Laser-Doppler-Anemometrie bei Fluiden, die Laser surface velocimeter bei bewegten Oberflächen, der Doppler-Radarsensor der Odometrie und der Avionik, das Niederschlagsradar, sowie der medizinische Ultraschall-Doppler und der meteorologische Schall-Doppler.

StaudruckmessungBearbeiten

Mit einer Prandtlsonde wird die Differenz   zwischen Staudruck und statischem Druck gemessen. Die Strömung muss wirbellos sein. Dann gilt:

 

Dabei ist   die Dichte des Mediums. Diese Methode findet Anwendung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Flugzeugen, Schiffen und für die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen und Flüssigkeiten.

WärmeabgabeBearbeiten

Ein durch elektrischen Strom erhitzter Draht wird durch die ihn umströmende Luft abgekühlt. Die Widerstands- oder Längenänderung des Drahtes wird gemessen.

Anwendung im Hitzdrahtanemometer, Schnelleempfänger

Laufzeitmessung von SchallBearbeiten

Breitet sich eine Schallwelle parallel oder schräg zur Geschwindigkeitsrichtung eines Fluids aus, kann dessen Geschwindigkeit aus den Laufzeiten berechnet werden.

Anwendung als Ultraschall-Durchflussmesser oder -Anemometer oder mit viel geringeren Frequenzen in der Tomografie der Ozeane.

Weitere VerfahrenBearbeiten

AnwendungenBearbeiten

Zu LandeBearbeiten

  • Die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs wird am Tachometer angezeigt, der die Ausgangsdrehzahl des Getriebes misst.
  • Im Straßenverkehr wird zur Geschwindigkeitsüberwachung meist der Doppler-Effekts genutzt. Weitere Messverfahren sind u. a. Lichtschranke und Laserpistole.
  • Luftströmungsgeschwindigkeiten werden mit Anemometern gemessen.
  • Die Abspielgeschwindigkeit (Drehzahl) eines Plattenspielers kann durch ein Stroboskop gemessen und anschließend justiert werden.
  • Im Sport sind Geschwindigkeitsmessanlagen weit verbreitet. Von Auto- und Motorradsportwettbewerben reichen die Einsatzmöglichkeiten bis hin zu Wintersportarten wie Skifahren und Skispringen. Das Passieren von Laser-Lichtschranken zu Beginn, an Zwischenpunkten und am Ende der Strecke gestattet sowohl Zeitnahme wie die Ermittlung der Geschwindigkeit.
  • In der industriellen Produktion werden Geschwindigkeiten in fast allen kontinuierlich arbeitenden Produktionen (z. B. Walzwerke, Papierwerk) mittels Messrad oder optisch (z. B. Laser surface velocimeter) gemessen.

Zu WasserBearbeiten

  • In der Nautik heißen die Geschwindigkeitsmesser das Log oder die Logge. Der Fahrtmesser bestimmt die Geschwindigkeit durch Wasser, aus der Meeresströmung folgt die Geschwindigkeit über Grund.
  • Loggen arbeiten meist hydromechanisch oder hydrodynamisch (Propeller); auch magnetische und elektrische Effekte sind nutzbar.
  • Ein Impeller dient zur Geschwindigkeitsermittlung von Wasserfahrzeugen. Dabei treibt der Impeller einen Generator an, dessen elektrische Spannung auf die Fahrt umgerechnet wird.

In der LuftBearbeiten

In Wissenschaft und ForschungBearbeiten

AstronomieBearbeiten

In der Astronomie sind die räumlichen Bewegungen der Gestirne von Interesse. Sie werden astrometrisch (langsame Änderung der Sternörter) und durch Spektroskopie erfasst:

  1. zweidimensionale Eigenbewegung an der Himmelssphäre (überwiegend kleiner als 1" pro Jahr).
  2. skalare Radialgeschwindigkeit in Richtung des Sehstrahls (bis etwa 100 km/s). Zusammen ergeben diese 3 Komponenten die räumliche Geschwindigkeit des Sterns relativ zu unserem Sonnensystem.
  3. Dem überlagert sich die Bewegung unsereres Planetensystems zum „Sonnenapex“ im Sternbild Herkules. Diese Bewegung (etwa 30 km/s) muss bei der Auswertung von Geschwindigkeitsmessungen in der Milchstraße berücksichtigt werden, um aus der gemessenen Relativgeschwindigkeit zur Sonne die tatsächliche galaktische Bewegung zu erhalten. Die Apex-Analyse erlaubt weitere Untersuchungen.

Die Raumbewegungen der Sterne enthalten aber systematische Anteile, vor allem durch die lokal unterschiedliche Rotation um das Milchstraßenzentrum (annähernd kreisförmig, etwa 200–250 km/s) und bei Bewegungshaufen (gemeinsam entstandene Sterne, etwa 20–100 km/s).

AtomphysikBearbeiten

Für die Teilchenphysik ist u. a. die Messung von Atombewegungen wichtig. Sie gelang erstmals 1920 dem Physiker Otto Stern als direkte Messung der Geschwindigkeit von Silberatomen.

WeblinksBearbeiten

 Wiktionary: Geschwindigkeitsmessung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen