Quelltext der Seite 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 Verfahren ==

=== Zeitmessung einer Wegstrecke ===
Mit [[Lichtschranke]]n, Ultraschallschranken, Mikrowellenschranken, oder mit anderen schaltenden [[Sensor]]en wird die Zeit <math>t</math> gemessen, die das Objekt für einen bestimmten Weg <math>x</math> benötigt.

Die Geschwindigkeit <math>v</math> wird berechnet mit
:<math>v = \frac{x}{t}</math>.
Mit der [[Tachymeter (Uhr)|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 Zeitabständen ===
Wenn die Position, Entfernung oder der zurückgelegte Weg (<math>x = x_2 - x_1</math>) zu zwei Zeitpunkten (<math>t_1</math> und <math>t_2</math>) bekannt sind, berechnet sich die Geschwindigkeit mit
:<math>v = \frac {x_2 - x_1}{t_2 - t_1} = \frac {\Delta x}{\Delta t} = \dot x (t)</math>.
Die Position kann mit [[Global Positioning System|GPS]], [[Laufzeitmessung]] von Laser- oder Radarimpulsen oder optisch mit Kameras gemessen werden. Weitere Verfahren siehe [[Entfernungsmessung]]. Anwendung z.&nbsp;B. bei der [[Laserpistole]], optische Geschwindigkeitsmessung in Walzwerken, oder die [[Particle Image Velocimetry]] in Fluiden.

=== Integration der Beschleunigung ===
Aus der gemessenen [[Beschleunigungssensor|Beschleunigung]] <math>a</math> kann durch [[Integralrechnung|Integration]] die Geschwindigkeit ermittelt werden.

:<math>v_\text{Ende} = v_\text{Anfang} + \int_{0}^{t} a\, \mathrm{d}t</math>

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

== Physikalische Effekte ==
=== Elektromagnetische Induktion ===
Nach dem [[Induktionsgesetz]] ist die Spannung in einer Spule proportional zur Geschwindigkeit der Änderung des magnetischen Flusses. Dieses Prinzip nutzen [[Tachogenerator]]en, [[Impeller]], Tauchspulgeräte, [[Wirbelstromaufnehmer]].

=== Doppler-Effekt ===
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-Effekt]]es wird ausgewertet.

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

=== Staudruckmessung ===
Mit einer [[Prandtlsonde]] wird die Differenz <math>p_\text{dyn}</math> zwischen Staudruck und statischem Druck gemessen. Die Strömung muss wirbellos sein. Dann gilt:
:<math>v = \sqrt{ \frac {2\,p_\text{dyn}} {\rho} } </math>

Dabei ist <math>\rho</math> die [[Dichte]] des Mediums. Diese Methode findet Anwendung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Flugzeugen, Schiffen und für die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen (etwa beim [[Pneumotachograph]]en<ref>Th. Fösel, K.-H. Altemeyer, H. Heinrich, P. Lotz: ''Möglichkeiten und Grenzen der Ventilationsüberwachung bei Narkosen von Säuglingen und Kleinkindern.'' In: ''Der Anaesthesist.'' Band 33, Heft 1, Januar 1984, S. 31–38, hier: S. 33.</ref>) und Flüssigkeiten.

=== Wärmeabgabe ===
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 Schall ===
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#Ultraschallanemometer|-Anemometer]] oder mit viel geringeren Frequenzen in der [[Wasserschall#Akustische Meerestomographie (Ocean Acoustic Tomography, OAT)|Tomografie der Ozeane]].

== Weitere Verfahren ==
* Oft wird die geradlinige Bewegung in eine Drehzahl gewandelt, die dann gemessen wird: Siehe [[Drehzahlmessung]].
* Über die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit können auch Durchflüsse in Rohren und die resultierenden Kräfte bestimmt werden. siehe [[Durchflussmessung]].
* Es gibt optische Verfahren der Geschwindigkeitsmessung, wo man Bildfolgen von Kameras auswertet und den [[Optischer Fluss|optischen Fluss]] bestimmt. So funktionieren z.&nbsp;B. [[Optische Maus|optische Mäuse]] und ähnliche Anwendungen.
* Die [[terrestrische Navigation]] wiederum arbeitet mit Winkelmessungen und Peilungen nach [[Landmarke]]n sowie der Eichung von Fahrtmessern auf bekannten Strecken ([[Meilenlaufen]]).
* Für Projektile wird die [[Mündungsgeschwindigkeit]] mithilfe des [[Cranz-Schardin-Verfahren]]s bestimmt. 

== Anwendungen ==
=== Zu Lande ===
* Die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs wird am [[Tachometer]] angezeigt, der die Ausgangsdrehzahl des [[Getriebe]]s misst.
* Im Straßenverkehr wird zur [[Geschwindigkeitsüberwachung]] meist der Doppler-Effekts genutzt. Weitere Messverfahren sind u.&nbsp;a. [[Lichtschranke]] und [[Laserpistole]].
* Luftströmungsgeschwindigkeiten werden mit [[Anemometer]]n gemessen.
* Die Abspielgeschwindigkeit (Drehzahl) eines [[Plattenspieler]]s 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.&nbsp;B. [[Walzwerk]]e, [[Papier]]werk) mittels [[Messrad]] oder optisch (z.&nbsp;B. [[Laser surface velocimeter]]) gemessen.

=== Zu Wasser ===
* In der [[Nautik]] heißen die Geschwindigkeitsmesser das [[Log (Messgerät)|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 Luft ===
* Bei einem [[Luftfahrzeug]] ist die Kenntnis der [[Fluggeschwindigkeit]] unerlässlich. Der Staudruck wird bei Flugzeugen zur Geschwindigkeitsmessung benutzt, v.&nbsp;a. mit dem [[Pitotrohr]]. Bei langsamen Flugzeugen ist das [[Venturirohr]] (Sogwirkung) günstiger. Die [[Steigflug|Steiggeschwindigkeit]] misst das [[Variometer]] über die Luftdruckänderung.
* Die Fahrtmessung kann auch mit dem [[Dopplerradar]], mit [[GPS]] oder indirekt über die [[Standort|Position]]s-Veränderung (IN-, Funknavigation) erfolgen.
* Die für [[Flugplanung]] und [[Abdrift]] wichtige [[Wind]]geschwindigkeit in verschiedenen Höhen wird meteorologisch oder mit dem Mikrowellenradar bestimmt. Letzteres wird u.&nbsp;a. bei Wettersatelliten des neuen [[EUMETSAT]] Polar Systems ([[Eumetsat Polar System|EPS]]) eingesetzt, das seit 2006 das [[Meteosat]]-System ergänzt.

== In Wissenschaft und Forschung ==
=== Astronomie ===
In der [[Astronomie]] sind die räumlichen Bewegungen der Gestirne von Interesse. Sie werden [[astrometrisch]] (langsame Änderung der [[Sternörter]]) und durch [[Spektroskopie]] erfasst:
# zweidimensionale [[Eigenbewegung (Astronomie)|Eigenbewegung]] an der Himmelssphäre (überwiegend kleiner als 1" pro Jahr).
# 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.
# Dem überlagert sich die Bewegung unseres Planetensystems zum „[[Sonnenapex]]“ im Sternbild Herkules. Diese Bewegung (etwa 30&nbsp;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 [[systematisch]]e Anteile, vor allem durch die lokal unterschiedliche Rotation um das [[galaktisches Zentrum|Milchstraßenzentrum]] (annähernd kreisförmig, etwa 200–250&nbsp;km/s) und bei [[Bewegungshaufen]] (gemeinsam entstandene Sterne, etwa 20–100&nbsp;km/s).

=== Atomphysik ===
Für die [[Teilchenphysik]] ist u.&nbsp;a. die Messung von Atombewegungen wichtig. Sie gelang erstmals 1920 dem Physiker [[Otto Stern (Physiker)|Otto Stern]] als direkte Messung der Geschwindigkeit von [[Silber]]atomen.

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Geschwindigkeitsmessung}}
* [https://www.leifiphysik.de/waermelehre/kinetische-gastheorie/versuche/geschwindigkeitsmessung-von-atomen Geschwindigkeitsmessung von Silberatomen] ([[LEIFI]])

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Dimensionale Messtechnik]]