Tischtennis-Anemometer

Hard · 1h · Mittlere Kosten

Ziel & Lerninhalt

Baue einen Windgeschwindigkeitsmesser aus halbierten Tischtennisbällen und nutze einen DC-Motor als kleinen Generator, um die Drehzahl in eine Spannung zu wandeln.

  • Strömungswiderstand und Staudruck am eigenen Rotor beobachten.
  • Einen DC-Motor als Generator verstehen (Induktionsspannung ∝ Drehzahl).
  • Eine Rohspannung über ProtoPeaks Mainboard analog einlesen und in eine Windgeschwindigkeit umrechnen.

Erklärung & Wissen

Basic

Ein Anemometer misst, wie schnell der Wind weht. Halbierte Tischtennisbälle fangen den Wind wie kleine Schalen ein: Auf der hohlen Seite drückt die Luft stark, auf der runden Rückseite gleitet sie weg. Die ungleiche Kraft auf jedem Arm bringt den Rotor zum Drehen – egal aus welcher Richtung der Wind kommt. Je stärker der Wind, desto höher die Drehzahl. Wenn wir die Achse mit einem kleinen Motor verbinden, erzeugt er beim Drehen eine Spannung, die wir direkt messen können.

Medium

Ein DC-Motor ist mechanisch das Gleiche wie ein Generator: Drehen wir die Welle, induziert das Magnetfeld in den Wicklungen eine Spannung. Diese Spannung ist näherungsweise proportional zur Drehzahl ($U_{ind} \approx k \cdot \omega$). Den Analogeingang von ProtoPeaks Mainboards verbinden wir über einen Spannungsteiler (z.B. 10k/10k) mit den Motorklemmen, damit auch höhere Generatorspannungen sicher in den 0–5V-Bereich passen. Im Code lesen wir den ADC-Wert, mitteln über einige Messungen (Glättung) und rechnen ihn mit einer experimentell ermittelten Kalibrierkonstante in m/s um.

Expert

Die auf eine Halbschale wirkende Widerstandskraft folgt $F_w = c_w \cdot A \cdot \frac{1}{2}\rho v^2$, wobei der $c_w$-Wert einer angeströmten Halbschale ca. 1,3, der einer abgewandten nur ca. 0,3 beträgt – diese Asymmetrie treibt den Rotor an. Im stationären Lauf stellt sich ein Gleichgewicht aus ärodynamischem Drehmoment, Lagerreibung und Generator-Gegenmoment ein. Die Spannung-zu-Windgeschwindigkeit-Kennlinie ist deshalb nicht streng linear: Bei kleinen Geschwindigkeiten dominiert die Anlaufschwelle der Lagerreibung, bei großen Geschwindigkeiten die Gegen-EMK des Generators. Eine sinnvolle Kalibrierung erfolgt mit mindestens drei Stützpunkten (Auto-Fenster bei 10/20/30 km/h) und einer linearen Interpolation im Code.

Fun Fact

Das klassische Schalenkreuz-Anemometer wurde 1846 vom irischen Astronomen John Robinson erfunden – auch er nutzte zunächst halbierte Kugeln, weil sie unabhängig von der Windrichtung immer in dieselbe Richtung drehen.

Staudruck
Der Druck, den strömende Luft auf eine Fläche ausübt – wächst quadratisch mit der Windgeschwindigkeit. Formel: $q = \frac{1}{2} \rho v^2$ (Bernoulli). Bei Windverdopplung vervierfacht sich die Kraft! Luftdichte $\rho \approx 1{,}2\,\mathrm{kg/m^3}$ bei Normalbedingungen. Das erklärt, warum Sturm so viel gefährlicher ist als Brise: 80 km/h Wind hat 4-mal so viel Kraft wie 40 km/h Wind.
cw-Wert (Luftwiderstandsbeiwert)
Zahl, die beschreibt, wie viel Widerstand eine Form der Luft entgegensetzt – niedrig ist ärodynamisch. Widerstandskraft: $F_w = c_w \cdot A \cdot \frac{1}{2}\rho v^2$. Angeströmte Halbschale: $c_w \approx 1{,}3$, abgewandte: $c_w \approx 0{,}3$. Diese Asymmetrie treibt den Rotor an. Zum Vergleich: Sportwagen ca. 0,25, Ziegelstein ca. 2,0.
Generator-Prinzip (Gegenläufige Nutzung)
Jeder Elektromotor funktioniert rückwärts auch als Generator – dreht man die Welle, entsteht Spannung. Im Permanentmagnet-DC-Motor induziert die rotierende Spule im Magnetfeld eine Spannung: $U_{ind} = k_e \cdot \omega$ (Drehzahl-Konstante × Winkelgeschwindigkeit). Diese Gegenkraft nennt man auch Gegen-EMK. Im Leerlauf ist die Spannung linear zur Drehzahl – die Basis unserer Windmessung.
Kalibrierung (Sensor)
Zuordnung von Rohwerten (ADC-Zahlen) zu realen physikalischen Größen (m/s) anhand bekannter Referenzpunkte. Zwei Messpunkte reichen für eine lineare Näherung: ADC-Wert bei bekannter Windgeschwindigkeit (z.B. Arm aus Autofenster bei 10 km/h und 30 km/h). Daraus ergibt sich eine Kalibrierkonstante. Achtung: Die Kennlinie ist nicht exakt linear (Anlaufschwelle der Lagerreibung), deshalb besser 3+ Punkte messen.

Praktischer Versuch: Tischtennis-Anemometer

Baue ein dreiarmiges Schalenkreuz, koppelst es an den DC-Motor und ließt die erzeugte Spannung am Mainboard ein.

  • 3 Tischtennisbälle (sauber halbiert)
  • 3 dünne Holzstäbchen (Schaschlik-/Eisstiel, ca. 8–10 cm)
  • 1 Korken oder Kunststoffkappe als Nabe
  • Heißkleber oder Sekundenkleber
  • 2 Krokoklemmen oder Lötösen

  1. Rotor bauen

    Halbiere drei Tischtennisbälle sauber. Klebe die Stäbchen sternförmig in den Korken (120° Versatz). Klebe jede Halbschale flächig mit der Hohlseite voraus an das Stäbchen-Ende. Achte auf gleiche Armlängen – sonst läuft der Rotor unwuchtig.

    Check: Drei Halbschalen sind im 120°-Abstand stabil mit der Nabe verklebt.

    Tipp: Alle Hohlseiten müssen in dieselbe Drehrichtung zeigen – sonst dreht sich nichts.

  2. Nabe auf den Motor setzen

    Bohre mittig ein Loch in den Korken, das exakt zum Wellendurchmesser passt. Drücke den Korken fest auf die Welle des DC-Motors – die Welle ist die Kraftübertragung, sie muss spielfrei in der Nabe sitzen.

    Check: Motorwelle steckt fest in der Korken-Bohrung, kein Schlackern.

    Tipp: Klebe das Rad NICHT direkt an die Motorwelle. Bohre erst ein passendes Loch in den Korken und stecke ihn dann fest auf die Welle. Bei Bedarf einen Tropfen Sekundenkleber an der Welle.

  3. Leichtgängigkeit prüfen (ohne Strom!)

    Halte den Motor in der Hand und puste das Schalenkreuz an. Es muss bei leichtem Wind frei und gleichmäßig drehen, ohne Hängen oder Eiern. Erst wenn das passt, geht es weiter.

    Check: Ein leichter Pust mit dem Mund bringt den Rotor zum Drehen.

    Tipp: Wenn der Rotor klemmt, ist der Korken meist nicht zentrisch oder die Schalen wuchten ungleich. Korken neu setzen oder Schalen nachjustieren.

  4. Spannungsteiler aufbauen

    Verbinde die beiden Motorklemmen über zwei gleich große Widerstände (z.B. 10kΩ/10kΩ) als Spannungsteiler. Den Mittelabgriff legst du auf den Analogeingang A0, die zweite Motorklemme auf GND.

    Check: An A0 liegen im Stand 0 V und beim kräftigen Pusten <5 V an.

    Tipp: Ohne Teiler kann der Motor beim schnellen Drehen kurzzeitig >5V liefern und den Analogeingang stressen.

  5. Kalibrieren und auswerten

    Lade den Code hoch, öffne den Seriellen Monitor und protokolliere ADC-Wert zu bekannter Windstärke (mind. drei Punkte). Trage die Konstante 'calib' im Code ein.

    Check: Im seriellen Monitor zeigt der Wert bei stärkerem Wind deutlich höhere Zahlen.

    Tipp: Für eine echte Geschwindigkeit (m/s) brauchst du eine Referenz – z.B. die Hand aus dem Autofenster bei bekannter Geschwindigkeit, oder ein Smartphone-Anemometer.

Motor → Spannungsteiler (10k/10k) → Mittelabgriff an A0, andere Motor-Klemme an GND.

// ProtoPeaks - Tischtennis-Anemometer
const int sensorPin = A0;
const float calib = 0.02; // m/s pro ADC-Schritt - selbst kalibrieren!

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 20; i++) {  // glätten
    sum += analogRead(sensorPin);
    delay(5);
  }
  int adc = sum / 20;
  float windSpeed = adc * calib;
  Serial.print("ADC: "); Serial.print(adc);
  Serial.print("  Wind ~ "); Serial.print(windSpeed, 1); Serial.println(" m/s");
  delay(200);
}
  • Motor dreht nicht bei wenig Wind. — Lagerreibung. Tippe den Rotor kurz an, um die Anlaufschwelle zu überwinden, oder verwende leichteres Klebematerial, damit das Schalenkreuz weniger Masse hat.
  • Werte schwanken stark, obwohl der Wind konstant ist. — Der DC-Motor liefert eine pulsierende Spannung (Kommutator-Rippel). Mehr Mittelung im Code (z.B. 50 statt 20 Messungen) oder ein 10µF-Kondensator parallel zum Mittelabgriff glättet das Signal.
  • Rotor läuft unwuchtig (eiert). — Wahrscheinlich sitzt der Korken nicht zentrisch oder ein Arm ist schwerer. Korken neu setzen, Schalen-Klebestellen prüfen.

Kurzzusammenfassung

Du hast einen funktionierenden Windsensor aus drei halbierten Tischtennisbällen und einem DC-Motor gebaut. Der Motor wirkt als Generator, seine Spannung steigt mit der Drehzahl, und über Mittelung und eine Kalibrierkonstante wird daraus eine grobe Windgeschwindigkeit.

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