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Kurzfassung
Stand M1
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Chaos am Wasserrad?
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Tobias Spanke (17)
79585 Steinen
Hans-Thoma-Gymnasium
Lörrach
Betreuung: Herr Dipl.-Phys Klein, Herr Dr. Spanke
Partnerinstitution: phaenovum-Schülerforschungszentrum Dreiländereck, Lörrach
Ein chaotisches Wasserrad besteht aus einem Rad, an dem Becher mit einem Loch drehbar aufgehängt sind,
so dass eingefülltes Wasser langsam abfließt. Durch einen Zufluss im oberen Bereich, welcher die sich dort
befindenden Becher befüllt, setzt sich das Rad in Bewegung. Je nach Zuflussmenge, kann die Drehbewegung
des Rades nicht chaotisch oder chaotische Zustände aufweisen.
Dieses interessante Phänomen simuliere ich mit Hilfe eines Programmes. Ich prüfe, ob eine Simulation, reale
Messungen vorhersagen kann.
Dazu wurde ein Wasserrad gebaut und bei verschiedenen Zuflussmengen die Richtung und Geschwindigkeit
des Rades gemessen. Anschließend wurde ein Simulationsprogramm geschrieben, welches soweit angepasst
wurde, dass die Simulationsergebnisse mit Messungen am selbst gebauten Wasserradmodell übereinstimmen.
Abschließend wird geprüft, ob die Simulation für eine eingestellte Zuflussmenge das Verhalten des
Wasserrades vorhersagen kann.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M2
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Der geteilte Panther - Effizientere Regeln und Algorithmen für das Teilen
in der Zahlentheorie!
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Lukas Ruf (15)
78628 Rottweil
Albertus-Magnus-Gymnasium
Rottweil
Raphael Steiner (14)
78532 Tuttlingen
Otto-Hahn-Gymnasium
Tuttlingen
Betreuung: Herr Ruf, Herr Ploß
Partnerinstitution: Schülerforschungszentrum Südwürttemberg (SFZ); Standort Tuttlingen, Tuttlingen
"Wer saß noch nie vor einem Bruch und konnte, selbst nach längerem Anstarren, keine Möglichkeit finden ihn
zu kürzen? Welche Teiler hat wohl 3987? Gibt es Möglichkeiten das schnell zu sehen?" So begann unsere
Schüler Experimentieren Arbeit aus dem letzten Schuljahr, die wir maßgeblich erweitert haben.
In der Literatur gibt es verschiedene Regeln die nicht sehr effizient sind, wie zum Beispiel beim Test einer Zahl
auf die Teilbarkeit durch 17, wobei eine 8-stellige Prüfzahl getestet werden muss. Hier konnten wir neue Regeln
finden, die die Prüfung auf eine maximal 2-stellige Zahl reduzieren.
Verallgemeinerungen für beliebige Divisoren schließen sich ebenso an, so wie quantitative Abschätzungen, wie
effektiv die neuen Regeln sind. Aus diesen Erkenntnissen haben wir anschließend anschauliche Algorithmen
entwickelt und in Python implementiert.
Eine theoretische Abhandlung, anhand derer man einfach erkennen kann, welche Teilbarkeitsregel für einen
beliebigen Primdivisor anzuwenden ist, schließt unsere Arbeit derzeit ab.
Faszinierenderweise ist so aus einer einfachen ersten Idee eine Forschungsarbeit entstanden, bei der es auch
in Zukunft noch viel zu entdecken gibt.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M3
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Der Murmelcomputer
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Teresa Augustin (16)
69221 Dossenheim
Elisabeth-von-Thadden-Schule
Heidelberg
Betreuung: Herr Milla
Die Bedienung eines Computers wird heute von jedem Kind beherrscht. Doch welche Vorgänge bei der
Datenverarbeitung stattfinden, ist vielen unbekannt. Ist es möglich, das abstrakte logische Prinzip, mit dem
Computer Binärzahlen addieren, in Form einer Murmelbahn funktionsfähig umzusetzen? Die Lösung dieses
Problems war Gegenstand des Projekts. Der ganze Vorgang läuft in Binärzahlen ab, also auch die manuelle
Eingabe, sowie die Ausgabe. Dazu werden als 0- und 1- Signale unterschiedlich große und schwere
Murmelarten verwendet. Diese lösen in einem Röhrensystem Mechanismen aus, die sich aus den Logikgattern
ergeben, mit denen entweder eine 0 oder eine 1 weitergeleitet wird. Damit wird am Ende des Durchlaufs die
richtige Summe anhand der zwei verschiedenen Murmelarten angezeigt. Auf der Grundlage des Prototyps kann
mit Hilfe besserer Baustoffe ein Murmelcomputer für den Zahlenraum bis 2E10 für schulische Zwecke sowie
bis 2E20 für den öffentlichen Ausstellungsbereich entwickelt werden.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M4
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Die Parallelisierungsbibliothek für lange Berechnungen
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Armin Beck (17)
74238 Altkrautheim
Gewerbliche Schule
Bad Mergentheim
Betreuung: Herr Beiersdorf
Heutige Computer sind aufgrund ihrer Arbeitsspeichergröße in der Lage Rechnungen bis auf sehr viele
Nachkommastellen genau zu berechnen. Die meisten Programmiersprachen lassen das aber durch ihre
eigenen Datentypen und Bibliotheken nicht zu. Will man mit einer Pogrammiersprache, die das nicht kann, eine
eigene mathematische Reihe berechnen, muss man nicht nur seinen eigenen Algorithmus programmieren,
sondern auch einen nativen Datentyp und notwendige Methoden, die er besitzen muss (Addition,
Subtraktion…). Wenn man das nebenbei macht weil man eigentlich nur seine Reihe berechnen will, wird der
Datentyp nicht effizient. In diesem Projekt habe ich einen Datentyp für solche Anwendungen entwickelt, der sie
nicht nur ermöglicht sondern der auch so effizient ist, dass sie mit ihm schnell ausgeführt werden können. Damit
können Nutzer beliebige Reihen wie die Annäherung an Pi, den Sinus eines Winkels oder auch selbst
ausgedachte Reihen einfach programmieren und schell ausführen. Das wird vor allem dadurch möglich, dass
die entwickelte Bibliothek Additionen, wie sie eben in der Reihenberechnung oft vorkommen, parallelisieren
kann.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M5
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
eClip – electronic common learning & interactive platform
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Maik Hummel (19)
75335 Dobel
Duale Hochschule BadenWürttemberg
Karlsruhe
Nico Axtmann (19)
76359 Marxzell
Duale Hochschule BadenWürttemberg
Karlsruhe
,
Das Potenzial, das digitalen Medien zur Vermittlung von Lerninhalten zur Verfügung steht, wird trotz der
heutigen technischen Möglichkeiten nicht optimal ausgeschöpft. Bei der Betrachtung unzähliger Lernplattformen
mussten wir feststellen, dass diese überwiegend noch immer versuchen, die Lerninhalte auf „archaische“ Art (in
der Regel als Text, Bild oder – falls doch etwas moderner – Video) zu vermitteln. Wie halten diese verbreitete
Art des „passiven“ Lernens für suboptimal, da durch die heutigen Technologien neue Formen der Interaktionen
möglich geworden sind, die den Lernprozess aktiv unterstützen können und zudem eine Personalisierung der
Lerninhalte ermöglichen. Lösungen, die sich als professionelle E-Learning-Tools dieser Problematik annehmen,
richten sich vorrangig an gewerbliche Nutzer und sind für technisch unerfahrene Anwender nur mühsam zu
erlernen.
Zudem verfügt das Web über eine Pluralität medialer Möglichkeiten, die im Bildungssektor nicht eingesetzt
werden oder teilweise noch nicht erkannt wurden. Mit eClip möchten wir eine Plattform schaffen, die mit
Modernität, Flexibilität, Interaktivität und Modularität den Anforderungen der heutigen Generationen an ein
Learning Management System gerecht wird.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M6
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Entwicklung eines automatischen Konfigurators für Werkzeugausgaben
zur Optimierung des Arbeitsablaufes
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Lena Quendt (18)
73457 Essingen
Schubart-Gymnasium
Aalen
Anja Seitz (18)
73432 Aalen
Schubart-Gymnasium
Aalen
Betreuung: Frau Möbius
Die Firma Mapal Dr. Kress KG stellt ihre eigenen Schranksysteme, die sogenannten UNIBASE-M her. Diese
haben 5 verschiedene Schubladenabmaßungen. Wenn ein Kunde im Begriff ist ein solches Schranksystem zu
erwerben, muss dieser dem Betrieb lediglich eine Liste mit den einzulagernden Artikeln zukommen lassen.
Dieser berechnet und konzipiert die benötigte Anzahl an UNIBASE-M, sowie die sinnvollste Einlagerung der
jeweiligen Objekte. Bisher war dies sehr zeit- und kostenaufwendig, da es von einem Mitarbeiter der Firma ohne
jegliches Programm erledigt werden musste.
Unsere Aufgabe ist es nun diesen Vorgang zu beschleunigen. Wir entwickeln ein Programm, welches diesen
Kosten-und Zeitaufwand verringert.
Unsere Arbeit bezieht sich auf das automatisierte Einordnen von Gegenständen aus einer Gegenstandsliste in
Schubladen der UNIBASE-M.
Wir verwenden hierfür die Programmiersprache VBA. Dies ist eine Skriptsprache für die Steuerung von
Abläufen der Microsoft Office-Programmfamilie.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M7
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
GPS-Ortungsgerät „Made in Germany“
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Philipp Swoboda (19)
72202 Nagold
Gewerbliche Schule
Nagold
Betreuung: Herr Köbele
Partnerinstitution: Jugendforschungszentrum Schwarzwald-Schönbuch e.V., Nagold
GPS-Tracking ist das Aufzeichnen mehrerer GPS-Positionen einer Route. So wird in einem festgelegten Zyklus,
zum Beispiel alle 10 Minuten, die Position aufgenommen und gespeichert oder an einen Server geschickt. Sei
es ein Paragliding-Contest, eine Regatta oder auch nur eine Wanderung - mit GPS-Tracking lässt sich ein
Event Live verfolgen. Zudem lassen sich gestohlene Autos oder an Demenz erkrankte Senioren schnell
wiederfinden. Ziel ist es, ein auf Effizienz und Qualität ausgelegtes GPS-Trackinggerät zu entwickeln. Anders
als bei Smartphones, welche meist auch über eine solche Funktion verfügen, soll sich dieses Gerät durch eine
deutlich bessere Akkulaufzeit und Robustheit auszeichnen. Die ermittelten Positionsdaten werden über das
Handynetz an einen zentralen Server übermittelt und anschließend ausgewertet.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M8
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
QWIRKLE – Entwicklung einer randlosen Fläche, auf der alle Spielsteine
ausgelegt werden können
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Elizaveta Mirlina (18)
76139 Karlsruhe
Helmholtz-Gymnasium
Karlsruhe
Felix Dehnen (17)
76135 Karlsruhe
Helmholtz-Gymnasium
Karlsruhe
Betreuung: Frau Richert, Herr Prof. Dr. Herrlich
Partnerinstitution: Hector-Seminar, Karlsruhe
Das Brettspiel QWIRKLE besteht aus 108 quadratischen Spielsteinen in 6 verschiedenen Farben, kombiniert
mit 6 verschiedenen Symbolen. Durch regelgerechtes Anlegen werden aus je maximal 6 Steinen horizontale
und vertikale Reihen gebildet.
Spielt man nicht, wie üblich, auf einem ebenen Tisch, sondern z.B. auf einem Zylinder, so kann sich eine solche
Reihe aus 6 Steinen auch schließen.
Ziel unseres Forschungsprojekts war es, mit Hilfe des mathematischen Fachgebiets der Topologie eine
Spielfläche zu konstruieren, die vollständig mit den 108 Spielsteinen bedeckt werden kann, und zwar so, dass
jeder Stein an allen vier Seiten an einen nach den Spielregeln erlaubten Nachbarstein grenzt. Als
unsymmetrische Lösung hierfür erhielten wir eine Fläche, bestehend aus einer Sphäre mit 5 Henkeln.
Daraufhin haben wir die Fläche zusätzlich mit Hilfe der Gruppentheorie im Sinne der Symmetrie optimiert,
sodass wir als vollkommen symmetrische Lösung eine Fläche, bestehend aus einer Sphäre mit 37 Henkeln,
erhielten.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart
Kurzfassung
Stand M9
Fachgebiet Mathematik / Informatik
Thema
Sprachdesign leicht gemacht
Teilnehmer: Name (Alter)
Anschrift
Schule / Institution / Betrieb
Nils Jonsson (21)
89079 Ulm
Wilken GmbH
Ulm
Betreuung: Herr Mattes, Herr Mailach
Partnerinstitution: Robert-Bosch-Schule, Ulm
Domänenspezifische Sprachen (DSL) werden für Wirtschaft und Industrie immer bedeutender, da in diesen
spezialisierten Sprachen die zu lösende Problematik optimal beschrieben werden kann. Damit spezifische
Problemstellungen noch schneller und präziser gelöst werden können, werden diese immer häufiger ineinander
geschachtelt und eingebettet. Der Quellcode für das Programm wird hierdurch noch leichter und viel schneller
zu erstellen und leichter einfacher zu warten.
Jedoch ist der klassische Compilerbau bisher nicht dafür gerüstet, eingebettete Sprachen zu verarbeiten.
Sprachübersetzer, die keine internen, eingebetteten Sprachen verarbeiten, werden derzeit immer noch von
Hand geschrieben, dies ist sehr aufwändig und fehleranfällig. Ich habe ein universelles Werkzeug entwickelt,
mit welchem solche Sprachübersetzer automatisch und für weitere einzubindende Programmiersprachen
jederzeit neu und falls nötig sogar “on-the-fly” generiert werden können. Dadurch steigt die
Entwicklerproduktivität und das Produkt ist fehlerfreier.
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50. Jugend forscht Landeswettbewerb Baden-Württemberg
26. bis 28. März 2015
Robert Bosch GmbH, Stuttgart