Colliding Vortices Rings - Ein Vergleich zwischen Real und 3D

Eine Vortex-Ring-Kollision unter Wasser soll als 3D-Animation mit Blender und als realer Versuchsaufbau umgesetzt werden. Die Fragen dabei sind: Gelingt es in beiden Varianten den Versuch anschaulich darzustellen? Welche Schwierigkeiten sind zu meistern?
Inspiriert von einem Versuchsaufbau des YouTube-Kanals „SmarterEveryDay“, ist es das Ziel, die komplexe Konstruktion nachzubauen um die Kollision nicht nur umzusetzen, sondern die Aufnahmen zu perfektionieren. Damit die Realaufnahmen gelingen, erfordert es einer genauen Planung. Die Einzelteile der Vorrichtung wird mit der CAD-Software „Inventor“ konstruiert und anschließend in der Metallwerkstatt gefertigt. Danach erfolgen die Montage und Programmierung der Versuchsvorrichtung.
Die Vortex-Ringe werden mit Hilfe von Kanonen erzeugt, welche über einen Druckluftimpuls angetrieben werden. Dieser Impuls entsteht durch einen Pneumatikzylinder, der mit einer computergesteuerten Lineareinheit verbunden ist und sich auf diese Weise sehr präzise ansteuern lässt. Dazu wird über einen Raspberry Pi in der Programmiersprache Python eine Steuerung programmiert.
Die Kanonen bestehen aus einer Farbkammer und einer Luftkammer, beide durch eine Membran aus Latex getrennt. Durch den Druckluftimpuls wird über die Membran der Druck auf die durch computergesteuerte Dosierpumpen gefüllte Farbkammer weitergegeben. Dadurch wird die Farbe durch eine Öffnung aus der Kanone „geschossen“. Dieser ganze Prozess ist von einigen Parametern abhängig, jedoch unter den perfekten Bedingungen annähernd reproduzierbar.
Treffen zwei Vortex-Ringe perfekt aufeinander, das heißt mit derselben Größe, der richtigen Geschwindigkeit und Ausrichtung, kollidieren sie, breiten sich aus und bilden eine dünne Membran. Am Rand der Kollision entstehen im idealen Fall kleinere Ringe in einem Winkel von 90 Grad. Verwendet man verschiedene Farben für die beiden erzeugten Ringe, ist der Effekt umso schöner. Ist der perfekte „Schuss“ produziert worden und weiteres anschauliches Filmmaterial aufgenommen, geht es in die Postproduktion, um aus dem wissenschaftlichen Versuch ein anschauliches Slow Motion Video zu kreieren.

Erweiternd zum realen Versuchsaufbau ist der nächste Meilenstein, das Verhalten der kollidierenden Vortex-Ringe als Simulation beziehungsweise als Animation in einem 3D Programm darzustellen. Die Entscheidung fiel hierbei auf die kostenlose Open-Source-Software „Blender“. „Blender“ ist sehr einsteigerfreundlich und außerdem plattformunabhängig. Hinter „Blender“ steckt eine große Community, welche für Fragen und Anmerkungen bereitsteht und auch zahlreiche kostenfreie Plug-Ins zur Verfügung stellt. „Blender“ bietet ein umfangreiches Physiksystem, mit dem die Erzeugung und die Kollision von Vortex-Ringen simuliert werden soll. Nach der Einarbeitung in die Software, wird jedoch klar, dass die komplexen physikalischen Hintergründe einer Vortex-Ring-Kollision nicht simuliert werden können. Der Versuchsaufbau kann jedoch gefaked, d.h. durch eine Keyframe-Animation dargestellt, und somit veranschaulicht werden. Um die Kollision darstellen zu können, müssen dennoch die verschiedenen physikalischen Systeme des Programms verwendet werden. Mit dem Rauchsystem und dem Partikelsystem können die kollidierenden Ringe, sowie die daraus resultierenden Sekundarringe und die Farbmembran an der Aufprallstelle produziert werden.
Trotz etlicher Schwierigkeiten gelingen letztlich beide Varianten, den Versuch nachzustellen.

 

Projektteam:
André Pörner, Sebastian Kopf, Jenny Oesterle

Projektbetreuung:
Prof. Dipl.-Designerin Sabine Hirtes

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