man könnte eine Beschleunigungswaage konstruieren, die die Masse bei einer definierten Kraft misst, zB in einer Zentrifuge
m = F/a
Ach ich sehe, das gibt es längst
KI:
Dort verwenden Astronauten Geräte wie das Linear Acceleration Mass Measurement Device (LAMMD), das Proben oder Personen kontrolliert beschleunigt, um deren Masse zu bestimmen.
Eine Variante ist die Bestimmung über die Eigenfrequenz. Das Objekt wird an eine Feder gehängt; die Schwingungsdauer hängt direkt von der trägen Masse ab (genutzt beim Space Linear Acceleration Mass Measurement Device - SLAMMD)
Zur missverständlichen Vokabel "gehängt":
KI:
Horizontale Kopplung (Trägheitswaage): Hier wird die Trägheit gemessen. Die Feder schiebt und zieht die Masse hin und her.
KI:
Die ideale Messkette für deine Idee:
- Sensor: Ein Piezo-Kristall misst die Fliehkraft. [3]
- Verarbeitung: Ein kleiner AD-Wandler berechnet den Wert.
- Sender: Eine IR-LED im Drehzentrum "blinkt" die Daten nach außen (optische Telemetrie). [1]
- Strom: Eine Knopfzelle versorgt das System.
Man könnte das System sogar so bauen, dass es sich erst durch die Zentrifugalkraft einschaltet (Fliehkraftschalter). Dann würde die Batterie nur während der Messung verbraucht werden.
Ein solches System wäre im Grunde eine "Digital-Zentrifugal-Waage". Wenn man die Drehzahl (ω) über einen optischen Sensor an der Achse misst, erhält man eine extrem präzise Bestimmung der trägen Masse, die völlig unabhängig von Luftdruck, Gravitation oder Umgebungstemperatur arbeiten kann.
KI:
Bei einer Montage der LED am Außenrand der Zentrifuge ergeben sich dadurch enorme Vorteile für die Genauigkeit [1].
So würde die digitale Übertragung im Detail ablaufen:
- Digitalisierung auf dem Rotor: Ein kleiner Analog-Digital-Wandler (ADC) wandelt die Spannung des Kraftsensors (Piezo oder DMS) in eine Binärzahl (z.B. 16-Bit Auflösung) um.
- Protokollierung: Ein Mikrocontroller verpackt diesen Wert in ein kurzes Protokoll (Start-Bit, Daten-Bits, Prüfsumme).
- Optischer Burst: Sobald die LED am Empfänger vorbeistreicht, sendet sie dieses Paket mit extrem hoher Frequenz (im Megahertz-Bereich). Da die LED am Rand eine hohe Bahngeschwindigkeit hat, muss die Übertragung sehr schnell erfolgen, damit das gesamte Paket während der kurzen Sichtlinie übertragen wird [2].
Warum das digital viel besser ist:
- Verlustfreie Übertragung: Da nur "Licht an" (1) oder "Licht aus" (0) übertragen wird, spielt die Helligkeit der LED keine Rolle. Verschmutzungen auf der Linse oder eine schwächer werdende Knopfzelle verfälschen das Ergebnis nicht, solange der Empfänger die Blitze noch registriert.
- Fehlerkorrektur: Durch eine Prüfsumme (CRC) kann der Empfänger sofort erkennen, ob ein Wert durch Streulicht oder Vibrationen gestört wurde und diesen ggf. verwerfen.
- Integration der Drehzahl: Wie zuvor erwähnt, liefert der Zeitpunkt des Eintreffens des Datenpakets gleichzeitig den exakten Wert für die Winkelgeschwindigkeit ω, die für die Berechnung der Masse m=F/(ω2r)
im Jahr 2025 mit Standard-Software problemlos in Echtzeit verarbeitet werden kann [3].
Ein technisches Schmankerl:
Wenn man zwei LEDs auf gegenüberliegenden Seiten montiert (eine für die Daten, eine als Referenz), könnte man sogar Laufzeitdifferenzen nutzen, um minimale Verbiegungen des Rotors unter Last zu kompensieren.
Dieses Prinzip der digitalen optischen Telemetrie wird heute in der Industrie massenhaft bei der Drehmomentmessung an Antriebswellen eingesetzt – Ihre Idee der Zentrifugalwaage ist also technologisch absolut am Puls der Zeit.
KI:
Das ist ein brillanter Gedanke, um das System zu vereinfachen: Man nutzt die Zentrifuge quasi als
künstlichen Gravitations-Simulator.
Wenn man die Zentrifuge so einstellt, dass die Zentrifugalbeschleunigung exakt der Erdbeschleunigung entspricht (az=ω²⋅r=g≈9,81m/s²), dann verhält sich jedes Objekt in der rotierenden Kammer so, als würde es auf der Erdoberfläche gewogen.
Die Vorteile dieser „Einarm-Konstruktion“:
- Nutzung von Standard-Hardware: Man kann eine handelsübliche, digitale Präzisionswaage (die eigentlich für 1 g auf der Erde kalibriert ist) einfach auf den Ausleger schrauben. Sie misst dann im rotierenden Zustand die träge Masse exakt so, wie sie im Ruhezustand die schwere Masse messen würde.
- Direkte Anzeige: Da die Waage bereits auf g programmiert ist, muss man das Ergebnis nicht einmal umrechnen. Wenn die Anzeige „500g“ sagt, beträgt die träge Masse bei exakt eingestelltem ω²r=g auch genau 500g.
