
<p>Gudrun traf sich mit <a href="https://www.scc.kit.edu/forschung/11349.php">Maren Hattebuhr</a> und <a href="https://www.scc.kit.edu/personen/11460.php">Kirsten Wohak</a>, die wieder ein interessantes Projekt für Schülerinnen und Schüler vorstellen: <a href="https://www.simulierte-welten.de/">Simulierte Welten</a>. Unser Alltag wird immer mehr durch  Simulationen mitbestimmt. Bei der Wettervorhersage ist das wahrscheinlich vielen Menschen bewußt, aber auch Autos und andere Maschinen werden mittels Rechnungen am Computer entwickelt oder die Wirksamkeit neuer Medikamente getestet. Auch Risikoanalysen oder Wahlvorhersagen basieren immer stärker auf der Interpretation von Simulationsergebnissen. Schülerinnen und Schüler sollen deshalb die Möglichkeit bekommen, schon früh die Bedeutung von Simulationen besser einzuschätzen und ihre Chancen und Risiken aufgrund fundierten Grundwissens besser bewerten zu können.</p> <p>Das Vorhaben wird vom <a href="http://www.scc.kit.edu/">Steinbuch Centre for Computing</a> (SCC) und dem <a href="https://www.hlrs.de/home/">Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart</a> (HLRS) in Zusammenarbeit mit dem <a href="https://www.zirius.uni-stuttgart.de/">Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart</a> (ZIRIUS) getragen und arbeitet mit verschiedenen Schulen in Baden-Württemberg zusammen. Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg.</p> <p>Es gibt für Schulen und Personen folgende Möglichkeiten von dem Projekt zu profitieren:</p> <ul><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/152.php">Doppelstunden, Projekttage oder Projektwochen</a> für die Schule buchen</li><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/71.php">(Abend-) Vorträge</a> zu sich einladen</li><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/72.php">Exkursionen</a> durchführen</li><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/76.php">Fortbildung für Lehrerinnen und Lehrer</a> am SCC bzw. dem HLRS </li><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/110.php">Förderstipendien</a> für Schülerinnen und Schüler für Simulationsthemen</li></ul> <p>Im Rahmen der Förderstipendien arbeiten die Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig in Zweierteams an einem echten wissenschaftlichen Projekt an einem der Rechenzentren mit und werden dabei von einer/einem Wissenschaftlerin/Wissenschaftler betreut. Sie erhalten für ihre Arbeiten einen Unkostenbeitrag in Höhe von bis zu 1.000€, welcher für die Anschaffung eines Laptops und anfallende Fahrtkosten gedacht ist. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Stipendiums erhalten die Schülerinnen und Schüler zudem ein Zertifikat über ihre Teilnahme.</p> <p>In der aktuellen Förderperiode ist der Anmeldeschluss der 1. Oktober 2018 und folgende Themen können bearbeitet werden:</p> <ul><li> Aerosole - Winzige Partikel mit großer Wirkung </li><li> Simulation und einfach Analyse von Kollisionsdaten der Hochenergiephysik </li><li> Einblicke in unseren Körper durch Computertomographie </li><li> Chemie-Klimasimulationen mit EMAC </li><li> Simulation von biologischen Zellen </li></ul> <p>Schülerinnen und Schüler sollten folgende <b>Unterlagen</b> bei der <a href="https://www.scc.kit.edu/forschung/11504.php">Kontaktadresse</a> schriftlich oder elektronisch per E-Mail an <a href="mailto:cammp@scc.kit.edu">CAMMP@SCC.kit.edu</a> einreichen:</p> <ul><li> ausgefüllter <a href="https://www.scc.kit.edu/downloads/sca/Schuelerbewerbungsbogen-vorab.pdf">Bewerbungsbogen</a></li><li> Ein Empfehlungsschreiben einer Lehrkraft von der Schule, die den Schüler/die Schülerin unterstützt und CAMMP als Ansprechpartner zur Verfügung steht. Dieses dient dazu den Schüler/die Schülerin besser kennenzulernen.</li><li> Zeugniskopie</li><li> Lebenslauf</li></ul> ><h2>Referenzen</h2> <ul><li> <a href="https://www.scc.kit.edu/forschung/11727.php">Alle Informationen zum Förderstipendium am SCC auf einen Blick</a></li><li> <a href="http://www.simulierte-welten.de/54.php">Direkter Kontakt zum Projekt Simulierte Welten</a></li></ul> <h2>Auswahl an Episoden zu Simulationen</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/flugugunfaelle">B. Sieker, S. Ritterbusch: Flugunfälle</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 175, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/computergrafik">G. Thäter, S. Krömker: Computergrafik</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 166, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/wasserstofftankstellen">G. Thäter, M. J. Amtenbrink: Wasserstofftankstellen</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 163, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/embryonic-patterns">G. Thäter, K. Page: Embryonic Patterns</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 161, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/luftspalt">T. Hoffmann, G. Thäter: Luftspalt</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 153, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/wahlprognosemodelle">O. Beige, G. Thäter: Wahlprognosemodelle</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 149, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/crime-prevention">A. Bertozzi, G. Thäter: Crime Prevention</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 109, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/systembiologie">L. Adlung, G. Thäter, S. Ritterbusch: Systembiologie</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 39, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.</li></ul>


Modellansatz

Modellansatz 179

Gudrun traf sich mit Maren Hattebuhr und Kirsten Wohak, die wieder ein interessantes Projekt für Schülerinnen und Schüler vorstellen: Simulierte Welten. Unser Alltag wird immer mehr durch Simulationen mitbestimmt. Bei der Wettervorhersage ist das wahrscheinlich vielen Menschen bewußt, aber auch Autos und andere Maschinen werden mittels Rechnungen am Computer entwickelt oder die Wirksamkeit neuer Medikamente getestet. Auch Risikoanalysen oder Wahlvorhersagen basieren immer stärker auf der Interpretation von Simulationsergebnissen. Schülerinnen und Schüler sollen deshalb die Möglichkeit bekommen, schon früh die Bedeutung von Simulationen besser einzuschätzen und ihre Chancen und Risiken aufgrund fundierten Grundwissens besser bewerten zu können. Das Vorhaben wird vom Steinbuch Centre for Computing (SCC) und dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung der Universität Stuttgart (ZIRIUS) getragen und arbeitet mit verschiedenen Schulen in Baden-Württemberg zusammen. Gefördert wird das Projekt vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg. Es gibt für Schulen und Personen folgende Möglichkeiten von dem Projekt zu profitieren: Doppelstunden, Projekttage oder Projektwochen für die Schule buchen; (Abend-) Vorträge zu sich einladen; Exkursionen durchführen; Fortbildung für Lehrerinnen und Lehrer am SCC bzw. dem HLRS; Förderstipendien für Schülerinnen und Schüler für Simulationsthemen. Im Rahmen der Förderstipendien arbeiten die Schülerinnen und Schüler weitgehend selbstständig in Zweierteams an einem echten wissenschaftlichen Projekt an einem der Rechenzentren mit und werden dabei von einer/einem Wissenschaftlerin/Wissenschaftler betreut. Sie erhalten für ihre Arbeiten einen Unkostenbeitrag in Höhe von bis zu 1.000€, welcher für die Anschaffung eines Laptops und anfallende Fahrtkosten gedacht ist. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Stipendiums erhalten die Schülerinnen und Schüler zudem ein Zertifikat über ihre Teilnahme. In der aktuellen Förderperiode ist der Anmeldeschluss der 1. Oktober 2018 und folgende Themen können bearbeitet werden: Aerosole - Winzige Partikel mit großer Wirkung; Simulation und einfach Analyse von Kollisionsdaten der Hochenergiephysik; Einblicke in unseren Körper durch Computertomographie; Chemie-Klimasimulationen mit EMAC; Simulation von biologischen Zellen. Schülerinnen und Schüler sollten folgende Unterlagen bei der Kontaktadresse schriftlich oder elektronisch per E-Mail an CAMMP@SCC.kit.edu einreichen: ausgefüllter Bewerbungsbogen; Ein Empfehlungsschreiben einer Lehrkraft von der Schule, die den Schüler/die Schülerin unterstützt und CAMMP als Ansprechpartner zur Verfügung steht. Dieses dient dazu den Schüler/die Schülerin besser kennenzulernen.; Zeugniskopie; Lebenslauf

Simulierte Welten


<p>Gemeinsam geht vieles besser. Auch deshalb reden wir im Podcast über Mathematik oder darüber wie wir Mathematik lernen bzw. unterrichten möchten. Im Internet setzen sich solche Gespräche manchmal fort. In der Netzgemeinschaft  rund um den Podcast hat Gudrun Jan-Martin Klinge gefunden - oder genauer sein Blog <a href="https://halbtagsblog.de">Halbtagsblog</a>.  Dort finden sich seine Beobachtungen aus dem Alltag als Lehrer für Mathematik, Physik und Arbeitslehre in einer Gesamtschule in Raum Siegen. Dabei mischt sich ganz natürlich privates mit unterschiedlichen beruflichen Aspekten, denn es ist seine persönliche Reflektion über das was gelingt, erzählenswert ist oder bedenkenswert.</p> <p>Schon bald hatte Gudrun den Wunsch, einen Aspekt daraus für den Podcast aufzugreifen, nämlich Jan-Martins ganz praktische Erfahrungen mit <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Lerntheke">Lerntheken</a>. Diese setzt er in der Sekundarstufe 1 vor allem im Mathematikunterricht ein. Wie von Gudrun im Stillen erhofft, war die generelle Bereitschaft zum Gespräch schnell und enthusiastisch erklärt und es musste "nur noch" ein passender Termin gefunden werden, was ein paar Monate dauerte. Aber am 24. August 2018 war es so weit: Gudrun kam am Siegener Hauptbahnhof an und in einem netten Café schräg gegenüber entstand die vorliegende Aufzeichnung.</p> <p>Wie bei allen Konzepten und Methoden gibt es Theorie und Praxis. Die Lerntheke an und für sich ist für Lehrende eine wohlbekanntes und vor allem im Unterricht für junge Schülerinnen und Schüler auch eine gut etablierte offene Unterrichtsform. Für sehr heterogenen Lerngruppen ist ihre größte Stärke, dass qua Konzept alle im eigenen Tempo unterwegs sein können. Und dass nicht nur eine Lehrperson vorn an der Tafel die Rolle hat, alles für alle erklären zu müssen, sondern auch Mitschüler diesen Platz einnehmen können und dabei ihre Hilfe an die Bedürfnisse des Gegenübers recht genau anpassen können.</p> <p>Außerhalb der Primarstufe ist das Konzept in der Praxis an deutschen Schulen jedoch eher in einer Nische zu Hause. Dafür gibt es viele und gut nachvollziehbare Gründe. Andererseits zeigen aber auch solche Beispiele, wie der Alltag in Jan-Martins Unterricht, dass es gut funktioniert. Durch das Beispiel lassen sich andere anstecken, es ähnlich oder genauso auch selbst zu probieren (aktuell hat der Blogbeitrag zu "Was sind Lerntheken" z.B. etwa 150 Antworten).</p> <p>Im Mathematik-Unterricht von Jan-Martin Klinge startet jedes Thema mit zwei bis drei "normalen" Mathematikstunden (also Frontalunterricht) in denen das Thema eingeführt wird. Anschließend arbeiten die Schülerinnen und Schüler einzeln oder in Gruppen mit Karten, auf denen konkrete Rechenaufgaben geübt, Probleme erforscht oder mathematische Spiele gespielt werden. Die Karten haben einen Farbcode, an dem man ablesen kann, ob es sich eher um einfache, mittelschwere oder komplexere Aufgaben handelt. Am Ende jedes Themas sollen die Kinder die mittelschweren Aufgaben bearbeiten können. Aber auch die, bei denen es richtig "Click" gemacht hat, haben genug Material mit dem sie interessantes zum Thema ausprobieren können.</p> <p>Zusätzlich gibt es Karten mit Lernhilfen zu einzelnen Schritten oder Regeln. Auf den Aufgabenkarten ist jeweils vermerkt, welche Hilfskarte weiterhelfen kann. Außerdem gibt es an der Tafel eine Namensliste von Mitschülerinnen und -schülern, die für Nachfragen zur Verfügung stehen.</p> <p>Besonders im Unterricht für die jüngeren Schüler gibt es am Ende jedes Themas noch eine Sicherungsphase.</p> <p>Im Physikunterricht benutzt Jan-Martin Klinge die Lerntheken eher in der Phase, wo gelerntes wiederholt und gefestigt werden soll, da dort die Dichte an neuen Themen größer ist als in der Mathematik.</p> <p>Zusammen mit Kollegen hat Jan-Martin Klinge die Kartensammelung auch übersetzt in andere Sprachen und mit anderen Medien und Anwendungsfällen verbunden. Besonders auf Geräten wie einem iPad ist die Realisierung leicht möglich, weil dort leicht zwischen Sprachen gewechselt werden kann, wenn Schüler in Willkommensklassen das möchten. Dafür gab es sogar 2017 die <a href="https://halbtagsblog.de/tag/berlin2018/">Auszeichnung mit dem Deutschen Lehrerpreis</a>. Das Projekt ist nicht abgeschlossen und Helfer für möglichst viele Sprachen werden noch mit offenen Armen empfangen.</p> <br /> <br /> <h2>Literatur und weiterführende Informationen</h2><ul><li> <a href="https://halbtagsblog.de/schule/lerntheken/">J.-M. Klinge: Was sind Lerntheken?</a> Halbtagsblog, 2013.</li><li> <a href="https://halbtagsblog.de/downloads/lerntheken-2/downloads/">Download von unterschiedlichen Lerntheken</a></li><li> <a href="https://halbtagsblog.de/2016/02/09/das-buch-ist-fertig-yihaaa/">J.-M. Klinge und R. Kara: Mit Lerntheken den Mathematikunterricht neu gestalten</a>, ISBN: 978-1520321479, 2017</li><li> <a href="https://halbtagsblog.de/2017/04/24/hurra-mein-zweites-buch-ist-da/">J.-M. Klinge: Die Physik von Hollywood: Mit aktuellen Kinofilmen Impulse für den Unterricht gewinnen</a>, ISBN 978-1521035474, 2017. </li><li> <a href="http://www.lehrerpreis.de/documents/2017-preistraeger/Steckbriefe_Sonderpreis_Unterricht_2017.pdf">Beschreibung des Projektes für den Deutschen Lehrerpreis</a>, 2017.</li></ul> <br /> <br /> <h2>Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/cammp-week">K. Wohak, M. Hattebuhr, E. Bastian, C. Beizinger, G. Thäter: CAMMP-Week</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 174, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/cammp-week">http://modellansatz.de/cammp-week</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/cammp">G. Thäter, K. Wohak: CAMMP</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 165, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/cammp">http://modellansatz.de/cammp</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/meisterklasse">B. Bötcher, G. Thäter: Meisterklasse</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 158, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/meisterklasse">http://modellansatz.de/meisterklasse</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/was-ist-mathematik">G.M. Ziegler, G. Thäter: Was ist Mathematik?</a> Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 111, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/was-ist-mathematik">http://modellansatz.de/was-ist-mathematik</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/lehramtsausbildung">A. Kirsch, G. Thäter: Lehramtsausbildung</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 104, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/lehramtsausbildung">http://modellansatz.de/lehramtsausbildung</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/schuelerlabor">E. Dittrich, G. Thäter: Schülerlabor</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 103, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/schuelerlabor">http://modellansatz.de/schuelerlabor</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/flipped-classroom">C. Spannagel, S. Ritterbusch: Flipped Classroom</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 51, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015. <a href="http://modellansatz.de/flipped-classroom">http://modellansatz.de/flipped-classroom</a></li></ul>


Modellansatz 178

Gemeinsam geht vieles besser. Auch deshalb reden wir im Podcast über Mathematik oder darüber wie wir Mathematik lernen bzw. unterrichten möchten. Im Internet setzen sich solche Gespräche manchmal fort. In der Netzgemeinschaft rund um den Podcast hat Gudrun Jan-Martin Klinge gefunden - oder genauer sein Blog Halbtagsblog. Dort finden sich seine Beobachtungen aus dem Alltag als Lehrer für Mathematik, Physik und Arbeitslehre in einer Gesamtschule in Raum Siegen. Dabei mischt sich ganz natürlich privates mit unterschiedlichen beruflichen Aspekten, denn es ist seine persönliche Reflektion über das was gelingt, erzählenswert ist oder bedenkenswert. Schon bald hatte Gudrun den Wunsch, einen Aspekt daraus für den Podcast aufzugreifen, nämlich Jan-Martins ganz praktische Erfahrungen mit Lerntheken. Diese setzt er in der Sekundarstufe 1 vor allem im Mathematikunterricht ein. Wie von Gudrun im Stillen erhofft, war die generelle Bereitschaft zum Gespräch schnell und enthusiastisch erklärt und es musste "nur noch" ein passender Termin gefunden werden, was ein paar Monate dauerte. Aber am 24. August 2018 war es so weit: Gudrun kam am Siegener Hauptbahnhof an und in einem netten Café schräg gegenüber entstand die vorliegende Aufzeichnung. Wie bei allen Konzepten und Methoden gibt es Theorie und Praxis. Die Lerntheke an und für sich ist für Lehrende eine wohlbekanntes und vor allem im Unterricht für junge Schülerinnen und Schüler auch eine gut etablierte offene Unterrichtsform. Für sehr heterogenen Lerngruppen ist ihre größte Stärke, dass qua Konzept alle im eigenen Tempo unterwegs sein können. Und dass nicht nur eine Lehrperson vorn an der Tafel die Rolle hat, alles für alle erklären zu müssen, sondern auch Mitschüler diesen Platz einnehmen können und dabei ihre Hilfe an die Bedürfnisse des Gegenübers recht genau anpassen können. Außerhalb der Primarstufe ist das Konzept in der Praxis an deutschen Schulen jedoch eher in einer Nische zu Hause. Dafür gibt es viele und gut nachvollziehbare Gründe. Andererseits zeigen aber auch solche Beispiele, wie der Alltag in Jan-Martins Unterricht, dass es gut funktioniert. Durch das Beispiel lassen sich andere anstecken, es ähnlich oder genauso auch selbst zu probieren (aktuell hat der Blogbeitrag zu "Was sind Lerntheken" z.B. etwa 150 Antworten). Im Mathematik-Unterricht von Jan-Martin Klinge startet jedes Thema mit zwei bis drei "normalen" Mathematikstunden (also Frontalunterricht) in denen das Thema eingeführt wird. Anschließend arbeiten die Schülerinnen und Schüler einzeln oder in Gruppen mit Karten, auf denen konkrete Rechenaufgaben geübt, Probleme erforscht oder mathematische Spiele gespielt werden. Die Karten haben einen Farbcode, an dem man ablesen kann, ob es sich eher um einfache, mittelschwere oder komplexere Aufgaben handelt. Am Ende jedes Themas sollen die Kinder die mittelschweren Aufgaben bearbeiten können. Aber auch die, bei denen es richtig "Click" gemacht hat, haben genug Material (...)

Lerntheken


<p>Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im <a href="https://www.zkm.de/">ZKM</a> und in der <a href="http://www.hfg-karlsruhe.de/">Hochschule für Gestaltung (HfG)</a> die <a href="https://entropia.de/GPN18">GPN18</a> statt. Dort traf sich Sebastian mit Dennis Gnad, um mit ihm über <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seitenkanalattacke">Seitenangriffe</a> auf <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Field_Programmable_Gate_Array">Field Programmable Gate Arrays (FPGA)</a> zu sprechen.</p> <p>FPGAs sind veränderliche Computerchips, die hervorragend bei der Entwicklung von logischen Schaltkreisen oder spezieller <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Glue_Logic">Glue Logic</a> helfen, und kommen inzwischen auch als Rechenbeschleuniger zum Einsatz. Man kann FPGAs als Vorstufe zu Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) sehen, auf denen Strukturen noch viel feiner, für höhere Taktraten und sparsamer abgebildet werden können, das Design aber um Größenordnungen teurer ist. Und während einem ASIC die Funktion ab Werk einbelichtet ist, können FPGAs nahezu beliebig oft zur Laufzeit umprogrammiert werden.</p> <p>Wie im Podcast zu <a href="http://www.modellansatz.de/digitale-waehrungen/">digitalen Währungen</a> erwähnt, spielen Graphical Process Units (GPUs), FPGAs und ASICs eine große Rolle bei <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Kryptowährung">Kryptowährungen</a>. Hier ist ein einzelner FPGA-Chip beim so genannten Mining meisst nicht schneller als eine GPU, verbrauchen jedoch im Vergleich deutlich weniger Strom. Spezialisierte ASICs hingegen übersteigen in Effizienz und Geschwindigkeit alle anderen Lösungen.</p> <p>FPGAs finden sich aktuell in vielen Consumer-Produkten, wie dem <a href="http://www.techinsights.com/about-techinsights/overview/blog/apple-iphone-7-teardown/">Apple iPhone 7</a>, im <a href="https://www.chipworks.com/ko/node/126">Samsung Galaxy S5</a>, <a href="https://www.bunniestudios.com/blog/?p=243">Smart</a>-<a href="https://electronics360.globalspec.com/article/3395/samsung-ln-t4081f-40-inch-lcd-television-teardown">TVs</a> und selbst auch der <a href="https://www.ifixit.com/Teardown/Pebble+Time+Teardown/42382">Pebble Smartwatch</a>. Ihren besonderen Vorteil spielen FPGAs bei der Verarbeitung von großen Datenmengen wie Videodaten aus, da sie in der Parallelisierung nur durch den verfügbaren Platz beschränkt sind.</p> <p>Die Beschreibung von FPGAs und ASICs, oder deren Programmierung, erfolgt eher strukturell in <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Hardwarebeschreibungssprache">Hardwarebeschreibungssprachen</a> wie <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Verilog">Verilog</a> oder <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Very_High_Speed_Integrated_Circuit_Hardware_Description_Language">VHDL</a>. Diese Beschreibungen unterscheiden sich sehr von <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Imperative_Programmierung">imperativen Programmiersprachen</a>, wie sie oft für CPUs oder GPUs verwendet werden.</p> <p>Es werden in logischen oder kombinatorischen Blöcken Daten verarbeitet, die dann in Taktschritten von und in Datenregister übertragen werden. Die erreichbare Taktfrequenz hängt von der Komplexität der kombinatorischen Blöcke ab. Ein Beispiel für logische Blöcke können <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/IP-Core#IP-Cores_bei_FPGAs">Soft-Cores</a> sein, wo zukünftige oder nicht mehr erhältliche CPU-Designs in FPGAs zur Evaluation oder Rekonstruktion abgebildet werden.</p> <p>Eine Variante ist die Entwicklung in <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/OpenCL">OpenCL</a>, wo verschiedene Architekturen wie GPUs, CPUs und FPGA unterstützt werden. Für die effiziente Umsetzung ist dafür weiterhin großes Hardwarewissen erforderlich, und man kann nicht erwarten, dass Code für FPGAs ebenso auf GPU, oder umgekehrt CPU-Code in FPGAs darstellbar ist.</p> <p>Das Interesse von Dennis Gnad liegt bei den FPGAs darin, deren Daten, Logik oder Inhalte durch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seitenkanalattacke">Seitenkanalangriffe</a> in von den Entwicklern unvorhergesehener Art und Weise auszulesen. Ein Beispiel ist das <a href="https://www.cnet.com/news/researchers-find-smart-meters-could-reveal-favorite-tv-shows/">Erkennen von Fernsehsendungen aus dem Stromverbrauch des Fernsehgeräts</a> wie es auch schon im <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">Podcast zu Smart Metern</a> beschrieben wurde. Ebenso wurden schon <a href="http://www.cs.tau.ac.il/~tromer/acoustic/">Kryptoschlüssel aus Geräuschen einer CPU bestimmt</a>. <a href="http://bastianborn.de/radio-clock-hack">Mit Soundkarten kann man Funkuhren verstellen</a> und auch <a href="https://www.heise.de/security/meldung/Grafikkarte-funkt-Passwoerter-durch-die-Gegend-2438823.html">Grafikkarten können als UKW-Sender</a> verwendet werden. Die elektromagnetische Abstrahlung ist ein sehr klassischer Seitenkanal und ist als <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Van-Eck-Phreaking">Van-Eck-Phreaking</a> seit 1985 bekannt. Gerade wurden die Timing- und <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Speculative_execution">Speculative-Execution</a>-<a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Verdeckter_Kanal">Covered-Channel</a>-Angriffe <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Spectre_(Sicherheitsl%C3%BCcke)">Spectre</a> und <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Meltdown_(Sicherheitsl%C3%BCcke)">Meltdown</a> für einen großteil aktueller CPUs bekannt, die aktiv Seitenkanäle für verdeckten Informationszugriff nutzen.</p> <p>Normalerweise benötigen <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Power_analysis">Power-Side-Angriffe</a>, die den Stromverbrauch auswerten, physischen Zugang zum Gerät oder der Stromversorgung. Überraschenderweise ist es auf FPGAs hingegen möglich den Stromverbrauch anderer Schaltungsbestandteile rein durch Software zu bestimmen. Dazu werden FPGAs an der Grenze der Timing-Parameter betrieben, und statistisch die erfolgreiche Ausführung gemessen. Mit verschieden langen Pfaden können auch gleichzeitig die Zeitschranken verschieden stark belastet werden und damit gleichzeitig für mehrere Spannungsstufen ausgewertet werden. Damit kann der relative Spannungsverlauf kontinuierlich gemessen werden. Im Zuge seiner <a href="https://ieeexplore.ieee.org/document/8410585/">Forschung zu Voltage Fluctuations in FPGAs</a> konnte Dennis Gnad die Qualität der Messungen nachweisen.</p> <p>Für die eigentliche Auswertung der Messungen werden hier die Verfahren der <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Power_analysis#Differential_power_analysis">Differential Power Analysis</a> verwendet, die nicht absolute Messungen, sondern mit relativen Messungen den Verlauf oder Unterschiede in den Verläufen statistisch analysieren. Speziell wurden mit dem <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Korrelationskoeffizient">Pearson Korrelations-Koeffizient</a> verschiedene Schlüssel-Hypothesen mit modellierten Stromverläufen aufgestellt, um den Suchraum für <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Advanced_Encryption_Standard">einen kryptographischen AES-Schlüssel</a> jeweils stückweise einzuschränken. Dafür musste die spezielle AES-Implementation auf dem FPGA bekannt sein, um entsprechende Leakage-Modelle für die Korrelationsauswertung aufstellen zu können. Insgesamt wurde so ein rein software-getriebener Angriff auf FPGAs demonstriert, der ohne sehr aufwändiges <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Review_(Softwaretest)">Code-Review-Verfahren</a>, dessen Umsetzung bei VHDL ohnehin große Fragen aufwirft, kaum zu entdecken ist.</p> <p>Dennis betreibt die Forschung als Doktorand am <a href="http://cdnc.itec.kit.edu/">Chair of Dependable Nano Computing (CDNC)</a> am <a href="https://www.kit.edu/">Karlsruher Institut für Technologie (KIT)</a>, deren Forschung besonders auf die Verlässlichkeit und auch der Sicherheit von Computersystemen abzielt. Die Forschungsarbeiten zu Seitenkanälen über den Stromverbrauch haben ebenso Anwendungen für die Zuverlässigkeit von den Systemen, da ebenso mit der Messung auch eine entsprechende Beeinflussung bis zur Erzeugung von Fehlerzuständen möglich wird, wie es von Dennis durch Fehlerzustände in der Stromversorgung zum Neustart von FPGAs demonstriert werden konnte. Mit <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Stuxnet">Stuxnet</a> wurde bekannt, dass auch Industrieanlagen mit Software zerstört werden konnten, es gab aber auch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Atari_ST">Computermonitore</a>, die kreativ in neue Nutzungszustände gebracht wurden. </p> <h2>Literatur und weiterführende Informationen</h2><ul><li> <a href="https://media.ccc.de/v/gpn18-132-seitenkanal-angriffe-innerhalb-fpga-chips">D. Gnad: Seitenkanal-Angriffe innerhalb FPGA-Chips</a>, Vortrag auf der GPN18, Karlsruhe, 2018.</li><li> <a href="https://eprint.iacr.org/2018/012">F. Schellenberg, D. Gnad, A. Moradi, M. Tahoori: An  Inside  Job:  Remote  Power  Analysis  Attacks  on  FPGAs</a>, Cryptology ePrint Archive: Report 2018/012, Proceedings  of Design, Automation &amp; Test in Europe (DATE), 2018.</li><li> <a href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8056840/">D. Gnad, F. Oboril, M. Tahoori: Voltage Drop-based Fault Attacks on FPGAs using Valid Bitstreams</a>, International Conference on Field-Programmable Logic and Applications (FPL), Belgium, 2017.</li><li> <a href="https://eprint.iacr.org/2014/409">A. Moradi, F.-X. Standaert: Moments-Correlating  DPA</a>, Cryptology ePrint Archive: Report 2014/409, Theory of Implementations workshop, 2016.</li><li> <a href="https://doi.org/10.1007/s13389-011-0006-y">P. Kocher, J. Jaffe, B. Jun, et al: Introduction to differential power analysis</a>, J Cryptogr Eng 1: 5, 2011.</li><li> <a href="https://www.iacr.org/archive/ches2004/31560016/31560016.pdf">E. Brier, C. Clavier, F. Olivier: Correlation power analysis with a leakage model</a>, International workshop on cryptographic hardware and embedded systems. Springer, Berlin, Heidelberg, 2004.</li><li> <a href="https://eprint.iacr.org/search.html">Cryptology ePrint Archive Search Portal</a></li><li> <a href="https://www.emsec.rub.de/research/projects/sclounge/">Side Channel Cryptanalysis Lounge - Ruhr-Universität Bochum</a></li><li> <a href="https://ieeexplore.ieee.org/document/8410585/">D. Gnad, F. Oboril, S. Kiamehr, M. Tahoori: An Experimental Evaluation and Analysis of Transient Voltage Fluctuations in FPGAs</a>, in IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems (TVLSI), 2018.</li><li> F. Schellenberg, D. Gnad, A. Moradi, M. Tahoori: Remote Inter-Chip Power Analysis Side-Channel Attacks at Board-Level], In Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided  Design (ICCAD), USA, 2018. (to appear Nov. '18)</li><li> J. Krautter, D. Gnad, M. Tahoori: FPGAhammer:  Remote Voltage Fault Attacks on Shared FPGAs, suitable for DFA on AES],  in IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems (TCHES), Vol.1, No.3, 2018. (to appear Sept. '18)</li></ul><br /><h1>Podcasts</h1><ul><li> <a href="https://requestforcomments.de/archives/559">A.-L. Baecker, C. Schrimpe: Crypto for the Masses – Grundlagen</a>, Request for Comments, Der RFC Podcast, Folge 15,  2018.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">M. Lösch, S. Ritterbusch: Smart Meter Gateway</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 135, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/digitale-waehrungen">S. Ritterbusch, G. Thäter: Digitale Währungen</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 32, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014.</li><li> <a href="https://cre.fm/cre117-fpga">B. Heinz, T. Pritlove: FPGA</a>, CRE: Technik, Kultur, Gesellschaft, Folge 117, Metaebene Personal Media, 2009.</li></ul><br /><h1>GPN18 Special</h1><ul><li> <a href="http://modellansatz.de/fpga-seitenkanaele">D. Gnad, S. Ritterbusch: FPGA Seitenkanäle</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 177, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.  <a href="http://modellansatz.de/fpga-seitenkanaele">http://modellansatz.de/fpga-seitenkanaele</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/flugunfaelle">B. Sieker, S. Ritterbusch: Flugunfälle</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 175, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/flugunfaelle">http://modellansatz.de/flugunfaelle</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen">A. Rick, S. Ritterbusch: Erdbebensicheres Bauen</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 168, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen">http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen</a></li></ul><br /><h1>GPN17 Special</h1><ul><li> <a href="https://podcast.chaospott.de/2017/05/28/sn004-gpn-17/">Sibyllinische Neuigkeiten: GPN17</a>, Folge 4 im Podcast des CCC Essen, 2017.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">A. Rick, S. Ritterbusch: Bézier Stabwerke</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 141, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">http://modellansatz.de/bezier-stabwerke</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/binary-analyis">F. Magin, S. Ritterbusch: Automated Binary Analysis</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 137, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/binary-analyis">http://modellansatz.de/binary-analyis</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">M. Lösch, S. Ritterbusch: Smart Meter Gateway</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 135, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">http://modellansatz.de/smart-meter</a></li></ul><br /><h1>GPN16 Special</h1><ul><li> <a href="http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer">A. Krause, S. Ritterbusch: Adiabatische Quantencomputer</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast Folge 105, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer">http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/finanzen-damalstm">S. Ajuvo, S. Ritterbusch: Finanzen damalsTM</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 97, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/finanzen-damalstm">http://modellansatz.de/finanzen-damalstm</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/probabilistische-robotik">M. Fürst, S. Ritterbusch: Probabilistische Robotik</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 95, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.  <a href="http://modellansatz.de/probabilistische-robotik">http://modellansatz.de/probabilistische-robotik</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/incredible-proof-machine">J. Breitner, S. Ritterbusch: Incredible Proof Machine</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 78, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/incredible-proof-machine">http://modellansatz.de/incredible-proof-machine</a></li></ul>


Modellansatz 177

Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im ZKM und in der Hochschule für Gestaltung (HfG) die GPN18 statt. Dort traf sich Sebastian mit Dennis Gnad, um mit ihm über Seitenangriffe auf Field Programmable Gate Arrays (FPGA) zu sprechen. FPGAs sind veränderliche Computerchips, die hervorragend bei der Entwicklung von logischen Schaltkreisen oder spezieller Glue Logic helfen, und kommen inzwischen auch als Rechenbeschleuniger zum Einsatz. Man kann FPGAs als Vorstufe zu Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) sehen, auf denen Strukturen noch viel feiner, für höhere Taktraten und sparsamer abgebildet werden können, das Design aber um Größenordnungen teurer ist. Und während einem ASIC die Funktion ab Werk einbelichtet ist, können FPGAs nahezu beliebig oft zur Laufzeit umprogrammiert werden. Wie im Podcast zu digitalen Währungen erwähnt, spielen Graphical Process Units (GPUs), FPGAs und ASICs eine große Rolle bei Kryptowährungen. Hier ist ein einzelner FPGA-Chip beim so genannten Mining meisst nicht schneller als eine GPU, verbrauchen jedoch im Vergleich deutlich weniger Strom. Spezialisierte ASICs hingegen übersteigen in Effizienz und Geschwindigkeit alle anderen Lösungen. FPGAs finden sich aktuell in vielen Consumer-Produkten, wie dem Apple iPhone 7, im Samsung Galaxy S5, Smart-TVs und selbst auch der Pebble Smartwatch. Ihren besonderen Vorteil spielen FPGAs bei der Verarbeitung von großen Datenmengen wie Videodaten aus, da sie in der Parallelisierung nur durch den verfügbaren Platz beschränkt sind. Die Beschreibung von FPGAs und ASICs, oder deren Programmierung, erfolgt eher strukturell in Hardwarebeschreibungssprachen wie Verilog oder VHDL. Diese Beschreibungen unterscheiden sich sehr von imperativen Programmiersprachen, wie sie oft für CPUs oder GPUs verwendet werden. Es werden in logischen oder kombinatorischen Blöcken Daten verarbeitet, die dann in Taktschritten von und in Datenregister übertragen werden. Die erreichbare Taktfrequenz hängt von der Komplexität der kombinatorischen Blöcke ab. Ein Beispiel für logische Blöcke können Soft-Cores sein, wo zukünftige oder nicht mehr erhältliche CPU-Designs in FPGAs zur Evaluation oder Rekonstruktion abgebildet werden. Eine Variante ist die Entwicklung in OpenCL, wo verschiedene Architekturen wie GPUs, CPUs und FPGA unterstützt werden. Für die effiziente Umsetzung ist dafür weiterhin großes Hardwarewissen erforderlich, und man kann nicht erwarten, dass Code für FPGAs ebenso auf GPU, oder umgekehrt CPU-Code in FPGAs darstellbar ist. Das Interesse von Dennis Gnad liegt bei den FPGAs darin, deren Daten, Logik oder Inhalte durch Seitenkanalangriffe in von den Entwicklern unvorhergesehener Art und Weise auszulesen. Ein Beispiel ist das Erkennen von Fernsehsendungen aus dem Stromverbrauch des Fernsehgeräts wie es auch schon im Podcast zu Smart Metern beschrieben wurde. Ebenso wurden schon Kryptoschlüssel aus Geräuschen einer CPU bestimmt. Mit Soundkarten kann man Funkuhren verstellen (...)

FPGA Seitenkanäle


<p>In the last two semesters Gudrun has taught the courses Advanced Mathematics I and II for Mechanical Engineers. This is a mandatory lecture for the International mechanical engineering students at KIT in their first year of the Bachelor program. This program is organized by the <a href="https://www.carlbenzschool.kit.edu/bachelorprogrammechanicalengineering.php">Carl Benz School of Engineering</a>. Beside the study courses, the school also provides common housing for students coming to Karlsruhe from all over the world.</p> <p>The general structure and topics of the first year in Advanced Mathematics were already discussed in our episode 146 <a href="http://modellansatz.de/advanced-mathematics">Advanced Mathematics</a> with Jonathan Rollin.</p> <p>This time Gudrun invited two students from her course to have the student's perspective, talking about mathematics, life, and everything.<br /> Yueyang Cai grew up mostly in China. In 2015, the work of her mother led Yueyang to Stuttgart. While looking for opportunities to study a technical subject in Germany the English speaking program in Karlsruhe somehow suggested itself. After one year she is sure to have made the right decision. </p> <p>The second student in the conversation is Siddhant Dhanrajani. His family is Indian but lives in Dubai. For that he got his education in Dubai in an Indian community follwowing the Indian educational system (CBSE). He had never heard of the Engineering program in Karlsruhe but found it through thourough research. He is really amazed at how such an excellent study program and such an excellent university as the KIT are not better known for their value in the world.</p> <p>In the conversation both students talk about their education in their respective countries, their hopes and plans for the study course mechanical engineering and their experiences in the first year here in Karlsruhe. It is very interesting to see how the different ways to teach mathematics, namely, either as a toolbox full of recipes (which the students get well-trained in) or secondly as a way to approach problems in a context of a mathematical education contribute to an experience to be well-equipped to work creative and with a lot of potential as an engineer.</p> <p>Though the students finished only the first year in a three years course they already work towards applications and necessary certificates for their possible master program after finishing the course in Karlsruhe.</p> <h2>Related Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/advanced-mathematics">G. Thäter, J. Rollin: Advanced Mathematics</a>, Conversation in the Modellansatz Podcast, Episode 146, Department of Mathematics, Karlsruhe Institute for Technology (KIT), 2017. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/hoehere-mathematik">F. Hettlich, G. Thäter: Höhere Mathematik</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 34, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014.</li></ul>


Modellansatz 176

In the last two semesters Gudrun has taught the courses Advanced Mathematics I and II for Mechanical Engineers. This is a mandatory lecture for the International mechanical engineering students at KIT in their first year of the Bachelor program. This program is organized by the Carl Benz School of Engineering. Beside the study courses, the school also provides common housing for students coming to Karlsruhe from all over the world. The general structure and topics of the first year in Advanced Mathematics were already discussed in our episode 146 Advanced Mathematics with Jonathan Rollin. This time Gudrun invited two students from her course to have the student's perspective, talking about mathematics, life, and everything.  Yueyang Cai grew up mostly in China. In 2015, the work of her mother led Yueyang to Stuttgart. While looking for opportunities to study a technical subject in Germany the English speaking program in Karlsruhe somehow suggested itself. After one year she is sure to have made the right decision. The second student in the conversation is Siddhant Dhanrajani. His family is Indian but lives in Dubai. For that he got his education in Dubai in an Indian community follwowing the Indian educational system (CBSE). He had never heard of the Engineering program in Karlsruhe but found it through thourough research. He is really amazed at how such an excellent study program and such an excellent university as the KIT are not better known for their value in the world. In the conversation both students talk about their education in their respective countries, their hopes and plans for the study course mechanical engineering and their experiences in the first year here in Karlsruhe. It is very interesting to see how the different ways to teach mathematics, namely, either as a toolbox full of recipes (which the students get well-trained in) or secondly as a way to approach problems in a context of a mathematical education contribute to an experience to be well-equipped to work creative and with a lot of potential as an engineer. Though the students finished only the first year in a three years course they already work towards applications and necessary certificates for their possible master program after finishing the course in Karlsruhe.

Mechanical Engineering


<p>Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im <a href="https://www.zkm.de/">ZKM</a> und in der <a href="http://www.hfg-karlsruhe.de/">Hochschule für Gestaltung (HfG)</a> die <a href="https://entropia.de/GPN18">GPN18</a> statt. Dort traf Sebastian auf Bernd Sieker und sprach mit ihm um Unfälle mit Autopiloten mit Flugzeugen und Automobilen.</p> <p>Der <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flugunfall#Verkehrssterblichkeit_und_Unfallhäufigkeit">Flugreiseverkehr ist inzwischen sehr sicher</a>, es verbleibt aber ein Restrisiko, das man an den sehr seltenen <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flugunfall">Flugunfällen</a> erkennen kann. Bernd <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flugunfall#Flugunfalluntersuchung">untersucht nun die wenigen Abstürze</a> großer Airliner, die es noch gab, und fragt sich, <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flugunfall#Meistgenannte_Unfallfaktoren_in_der_Luftfahrt_2002–2011">wie es zu diesen Katastrophen kommen konnte</a>.</p> <p>Beispiele für Unfallursachen können beispielsweise Ausfälle scheinbar weniger relevanter Systeme sein, wo von der Crew Entscheidungen getroffen werden, die sie für sinnvoll halten, sich aber später als problematisch herausstellen. Technische Schäden, die unmittelbar zum Absturz führen, sind inzwischen sehr selten. Und selbst scheinbare kritische Ausfälle wie Triebwerksausfälle werden geübt und es gibt Prozeduren, wie man in diesen Fällen das Flugzeug möglichst sicher landen können sollte.</p> <p>Im <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Segelflug">Segelflug</a> gehört eine <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Außenlandung">Außenlandung</a> auf freiem Feld zum Normalbetrieb, wobei man natürlich für am Boden etwaig entstandenen Schaden aufkommen muss, falls der Landwirt darauf besteht. Eine entsprechende nicht genehmigte <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Landung#Sicherheitslandung">Sicherheits-</a> oder <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Landung#Notlandung">Notlandung</a> führt bei Motorflugzeugen zur Auskunfts- oder Meldepflicht mit entsprechenden Auflagen zum Abtransport oder Erlaubnis zum Wiederstart.</p> <p>Bei der Untersuchung von Unglücksfällen geht der erste Blick auf offizielle Berichte oder Untersuchungen. So auch beim <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Air-France-Flug_447">Air-France Flug 447</a> von 2009, wo ein <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Airbus_A330">Airbus A330-203</a> mitten über dem Atlantik plötzlich verschwand. Erste Indizien auf das Unglück wurden durch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/ACARS">ACARS-System</a> über Satellit empfangen, unter anderem über den Ausfall von <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Pitotrohr">Staurohren</a>, mit denen die Geschwindigkeit des Flugzeugs gemessen wird. Das ist ein dramatischer Ausfall an Information, mit dem die Piloten aber umgehen können müssten und der eigentlich nicht zu einem Absturz führen sollte, denn die Geschwindigkeit ist noch mittels anderer Sensoren erkennbar. Erste gefundene Wrackteile deuteten darauf hin, dass das Flugzeug fast senkrecht in horizontaler Lage auf das Wasser aufgeschlagen sein musste. Dies führte auf die Vermutung, dass das Flugzeug <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Überziehen">überzogen</a> wurde, bis es zum <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Strömungsabriss">Strömungsabriss</a> kam, und es daraufhin einfach herunterfiel.</p> <p>Nach Bergung des <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flugschreiber">Flugschreibers</a> bestätigte sich der vermutete Ablauf. Er wurde durch einen überraschend kurzen Zeitraum von wenigen Minuten zwischen Fehlermeldung und Absturz aus Reiseflughöhe belegt. Die Piloten müssen in der widersprüchlichen Situation gewesen sein, dass ihnen der Sink"flug" angezeigt wurde, während die Nase des Flugzeugs nach oben zeigte, was laut Training normalerweise in diesem Flugzustand nicht möglich ist. Bei dem eingesetzten <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Fly-by-wire">Fly-by-wire</a> System wäre eigentlich auch kein Strömungsabriss möglich gewesen. Nach Ausfall der Staurohre führte nun die Verkettung zwischen unvorhersehbarem Flugzeugzustand und der dramatischen Fehlinterpretation durch die Piloten zum Absturz.</p> <p>In der Ursachenanalyse ist sowohl zu beachten, dass die Warnmeldungen zum Strömungsabriss von den Piloten womöglich wegen einer Vielzahl von Warnmeldungen nicht mehr erfasst werden konnte. Ebenso wurden widersprüchliche Angaben zur Fluggeschwindigkeit und Anstellwinkeln von den Systemen des Flugzeugs irgendwann als ungültig abgewiesen und entsprechende Warnungen abgeschaltet oder nur noch widersprüchlich wiedergegeben.</p> <p>Dies führt zur Betrachtung solcher Systeme unter dem Aspekt, dass sie <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Soziotechnisches_System">sozio-technisch</a> sind, mit der Einsicht, dass gerade bei der Übertragung von Aufgaben des Menschen an Technik und zurück ein besonderes und schwer vorhersehbares Fehlerpotenzial besteht. Insbesondere <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Autopilot">Autopiloten</a> haben eine besondere Bedeutung, da sie direkt in die Aufgaben der steuernden Menschen eingreifen. Klassisch steuern Autopiloten nur in sehr engen Parametern wie einzuhaltende Richtung, Höhe, Querneigung der Sink-/Steiggeschwindigkeit. Im Auto sind schon Geschwindigkeits- und Abstandsautomatik üblich. Jedoch sind auch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Autopilot#Landung_mit_Autopilot">Landungen mit Autopilot</a> möglich, die aber ein besonderes Training und Überprüfung von Mensch und Maschine und Verbesserung der Algorithmen und redundante Sensoren erfordern. Dies zeigt schon, wie kritisch Autopiloten im Automobil zu sehen sind, da hier bisher kein besonderes Training für die Verwendung von Autopiloten erfolgt. Eine Überraschung ist dabei, dass eine besondere Gefahr daraus entsteht, wenn Autopiloten so zuverlässig werden dass sich Menschen zu sehr auf sie verlassen. Überraschende Situationen kann aber der Mensch meist besser bewältigen.</p> <p>Bei der Untersuchung von Flugunfällen stellt sich besonders die Frage, welche Ereignisse die eigentliche Ursache also für das Unglück verantwortlich sind. Wie ist hier <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Kausalität">Kausalität</a> zu definieren? An der <a href="http://www.uni-bielefeld.de">Uni Bielefeld</a> wurde in der <a href="https://rvs-bi.de">Arbeitsgruppe von Prof. Ladkin</a> dazu die <a href="https://rvs-bi.de/research/WBA/">Why-Because-Analysis (WBA)</a> entwickelt, wo die <a href="https://plato.stanford.edu/entries/causation-counterfactual/#Lew197CouAna">Counterfactual Test Theory von David Lewis</a> zum Einsatz kommt. Aus der Überprüfung, ob ein Ereignis notwendig und die Menge der gefunden Ereignisse hinreichend für die Entstehung eines Ereignisses war, entsteht ein kausaler "Why-Because"-Graph (WBG), der genau nur die Ereignisse zusammenfasst, die notwendig zum Unglück führten.</p> <p>Ein interessantes philosophisches Konstrukt ist hier die <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Possible_world">Nearest-Possible-World-Theory</a>, die ein Szenario konstruiert, das dem Unglück möglichst stark ähnelt, für das aber es nicht zum Unglück gekommen wäre. Was war hier anders? Was können wir daraus lernen?</p> <p>Durch Vergleich mit vorherigen dokumentierten Ereignissen können Teile des WBG auch quantitativ bewertet werden, obgleich die Datenbasis oft sehr gering ist. Dennoch können Schlüsse gezogen werden, welche Ereignisse bisher ignoriert wurden und ob dies gerechtfertigt ist.</p> <p>Das <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/National_Transportation_Safety_Board">National Transportation Safety Board (NTSB)</a> befasst sich in den USA wie die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Bundesstelle_für_Flugunfalluntersuchung">Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung (BFU)</a> in Deutschland typischerweise mit der Aufarbeitung von Unglücksfällen, und wie diesen in Zukunft entgegengewirkt werden kann. Darüber hinaus haben ebenso Versicherungen von Fluggesellschaften ein großes Interesse an einer Aufarbeitung, da die Fluggesellschaften in vielen Bereichen für Unglücke haftbar sind, soweit sie nicht nachweisen können, dass die Hersteller verantwortlich zu machen sind.</p> <p>Während des <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Asiana-Airlines-Flug_214">Asiana Airlines Flug 214</a> kam es in einer <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Boeing_777">Boeing 777</a> im Anflug auf San Francisco 2013 im Landeanflug zu einer "Mode Confusion" beim Autopilot: Die erwartete Schubregulierung blieb aus, und es kam zu einem Absturz. Im Fall des <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Turkish-Airlines-Flug_1951">Turkish Airlines Flug 1951</a> mit einer <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Boeing_737#Boeing_737-800">Boeing 737</a> nach Amsterdam gab es im Anflug einen Fehler im Radarhöhenmessgerät, wodurch der Autopilot in Erwartung der Landung aktiv den Schub zurückregelte. Die Korrektur der Piloten schlug fehl, da sie sich nicht über die genauen Abläufe im Klaren waren.</p> <p>Dies deutet schon deutlich darauf, dass Schwierigkeiten beim Einsatz von Autopiloten im automobilen Umfeld zu erwarten sind. Darüber hinaus sind die erforderlichen menschlichen Reaktionszeiten im Auto deutlich kürzer, so dass Missverständnisse oder das An- oder Abschalten von Autopilot-Funktionen deutlich leichter zu Unglücken führen können. Eine wichtige Einstufung sind hier die erreichten <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Autonomes_Fahren#Autonomiestufen_(Level)">SAE Autonomiestufen</a>, die beschreiben, wie weit das Fahrzeug Aufgaben des Fahrens übernehmen kann. Besonders problematisch ist Autonomiestufe 3: Hier darf der Fahrer sich während der Fahrt anderen Dingen als der Fahrzeugführung zuwenden, muss aber nach einer gewisse Vorwarnzeit wieder die Führung wieder übernnehmen können. Selbst bei wenigen Sekunden wird dies  bei höheren Geschwindigkeiten sehr schwer zu erfüllen sein. Bei Stufe 4 muss das Fahrzeug auch ohne Fahrerintervention sicher bleiben, notfalls durch Anhalten, Stufe 5 ist vollständig autonom von Tür zu Tür.</p> <p>Ein weiterer Gesichtspunkt ist die vorhandene Sensoraustattung und deren Ausfallsicherheit oder die Interpretation der Sensormessungen. Im Fall des Unfalls eines <a href="https://www.heise.de/tp/features/Der-Unfall-von-Uber-in-Arizona-4059282.html">Uber-Autos am 18. März 2018 in Arizona</a> wurde eine Fußgängerin von den Sensoren zwar erfasst, jedoch wurden die Detektion durch die Software als Fehler zurückgewiesen und es kam zum Unfall. Die hier verwendete Software war und wird weit weniger getestet und formal geprüft als Software im Luftfahrtumfeld, da dies auch im Bezug auf neuronale Bilderkennungsverfahren schwer umzusetzen sein wird. </p> <p>Ein weiterer Aspekt ist, dass selbst wenn ein sozio-technisches System sicherer als Menschen fährt, die Akzeptanz nur sehr schwer zu erreichen sein und viele rechtliche und ethische Fragen zunächst zu klären wären.</p> <p>Vielen Dank an Markus Völter für die Unterstützung in dieser Folge.</p> <br /><h1>Literatur und weiterführende Informationen</h1> <ul><li> <a href="https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-009-9117-0_3">D. Lewis: Counterfactuals and comparative possibility</a>, Springer, Dordrecht, 57-85, 1973.</li><li> <a href="https://link.springer.com/chapter/10.1007/3-540-40891-6_30">P. Ladkin: Causal reasoning about aircraft accidents</a>, International Conference on Computer Safety, Reliability, and Security. Springer, Berlin, Heidelberg, 2000.</li><li> <a href="https://rvs-bi.de/publications/Diplom/sieker.pdf">B. Sieker: Visualisation Concepts and Improved Software Tools for Causal System Analysis</a>, Diplomarbeit an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld, 2004.</li><li> <a href="https://rvs-bi.de/publications/Theses/Dissertation_Bernd_Sieker.pdf">B. Sieker: Systemanforderungsanalyse von Bahnbetriebsverfahren mit Hilfe der Ontological Hazard Analysis am Beispiel des Zugleitbetriebs nach FV-NE</a>, Dissertation an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld, 2010.</li><li> <a href="http://www.causalis.com">Causalis Limited</a></li><li> <a href="https://rvsbi.de">Research Group Networks, System Safety, Embedded and Distributed Systems</a></li><li> <a href="https://media.ccc.de/v/gpn18-108-hold-steering-wheel-autopilots-and-autonomous-driving-">B. Sieker: Hold Steering Wheel! Autopilots and Autonomous Driving.</a> Presentation at the Gulaschprogrammiernacht 18, ZKM/HfG, Karlsruhe, 2018.</li><li> <a href="https://media.ccc.de/v/33c3-8033-what_s_it_doing_now">B. Sieker: What's It Doing Now? The Role of Automation Dependency in Aviation Accidents.</a> Presentation at the Chaos Communication Congress 33C3, 2016.</li></ul> <br /> <h1>Podcasts</h1> <ul><li> <a href="http://omegataupodcast.net/58-komplexe-systeme-4/">H. Butz, M. Völter: Komplexe Systeme</a>, Folge 058 im omega tau Podcast, Markus Völter und Nora Ludewig, 2011.</li><li> <a href="http://omegataupodcast.net/100-system-health-mgt/">S. B. Johnson, M. Völter: System Health Management</a>, Episode 100 in the omega tau Podcast, Markus Völter and Nora Ludewig, 2012.</li><li> <a href="http://omegataupodcast.net/138-fly-by-wire-im-a320/">R. Reichel, M. Völter: Fly by Wire im A320</a>, Folge 138 im omega tau Podcast, Markus Völter und Nora Ludewig, 2014.</li><li> <a href="http://omegataupodcast.net/262-mit-lufthansas-a380-nach-hkg-teil-1/">S., J., C., A., M. Völter: Mit Lufthansas A380 nach Hong Kong Teil 1</a>, Folge 262 im omega tau Podcast, Markus Völter und Nora Ludewig, 2017.</li><li> <a href="http://omegataupodcast.net/263-mit-lufthansas-a380-nach-hkg-teil-2/">S., J., C., A., M. Völter: Mit Lufthansas A380 nach Hong Kong Teil 2</a>, Folge 263 im omega tau Podcast, Markus Völter und Nora Ludewig, 2017.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/lilium">P. Nathen, G. Thäter: Lilium</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 145, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.</li></ul> <br /> <br /> <h1>GPN18 Special</h1> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/flugunfaelle">B. Sieker, S. Ritterbusch: Flugunfälle</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 175, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/flugunfaelle">http://modellansatz.de/flugunfaelle</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen">A. Rick, S. Ritterbusch: Erdbebensicheres Bauen</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 168, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. <a href="http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen">http://modellansatz.de/erdbebensicheres-bauen</a></li></ul> <br /> <h1>GPN17 Special</h1> <ul><li> <a href="https://podcast.chaospott.de/2017/05/28/sn004-gpn-17/">Sibyllinische Neuigkeiten: GPN17</a>, Folge 4 im Podcast des CCC Essen, 2017.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">A. Rick, S. Ritterbusch: Bézier Stabwerke</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 141, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">http://modellansatz.de/bezier-stabwerke</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/binary-analyis">F. Magin, S. Ritterbusch: Automated Binary Analysis</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 137, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/binary-analyis">http://modellansatz.de/binary-analyis</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">M. Lösch, S. Ritterbusch: Smart Meter Gateway</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 135, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/smart-meter">http://modellansatz.de/smart-meter</a></li></ul> <br /> <h1>GPN16 Special</h1></a> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer">A. Krause, S. Ritterbusch: Adiabatische Quantencomputer</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast Folge 105, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer">http://modellansatz.de/adiabatische-quantencomputer</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/finanzen-damalstm">S. Ajuvo, S. Ritterbusch: Finanzen damalsTM</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 97, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/finanzen-damalstm">http://modellansatz.de/finanzen-damalstm</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/probabilistische-robotik">M. Fürst, S. Ritterbusch: Probabilistische Robotik</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 95, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.  <a href="http://modellansatz.de/probabilistische-robotik">http://modellansatz.de/probabilistische-robotik</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/incredible-proof-machine">J. Breitner, S. Ritterbusch: Incredible Proof Machine</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 78, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. <a href="http://modellansatz.de/incredible-proof-machine">http://modellansatz.de/incredible-proof-machine</a></li></ul>


Modellansatz 175

Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im ZKM und in der Hochschule für Gestaltung (HfG) die GPN18 statt. Dort traf Sebastian auf Bernd Sieker und sprach mit ihm um Unfälle mit Autopiloten mit Flugzeugen und Automobilen. Der Flugreiseverkehr ist inzwischen sehr sicher, es verbleibt aber ein Restrisiko, das man an den sehr seltenen Flugunfällen erkennen kann. Bernd untersucht nun die wenigen Abstürze großer Airliner, die es noch gab, und fragt sich, wie es zu diesen Katastrophen kommen konnte. Beispiele für Unfallursachen können beispielsweise Ausfälle scheinbar weniger relevanter Systeme sein, wo von der Crew Entscheidungen getroffen werden, die sie für sinnvoll halten, sich aber später als problematisch herausstellen. Technische Schäden, die unmittelbar zum Absturz führen, sind inzwischen sehr selten. Und selbst scheinbare kritische Ausfälle wie Triebwerksausfälle werden geübt und es gibt Prozeduren, wie man in diesen Fällen das Flugzeug möglichst sicher landen können sollte. Im Segelflug gehört eine Außenlandung auf freiem Feld zum Normalbetrieb, wobei man natürlich für am Boden etwaig entstandenen Schaden aufkommen muss, falls der Landwirt darauf besteht. Eine entsprechende nicht genehmigte Sicherheits- oder Notlandung führt bei Motorflugzeugen zur Auskunfts- oder Meldepflicht mit entsprechenden Auflagen zum Abtransport oder Erlaubnis zum Wiederstart. Bei der Untersuchung von Unglücksfällen geht der erste Blick auf offizielle Berichte oder Untersuchungen. So auch beim Air-France Flug 447 von 2009, wo ein Airbus A330-203 mitten über dem Atlantik plötzlich verschwand. Erste Indizien auf das Unglück wurden durch ACARS-System über Satellit empfangen, unter anderem über den Ausfall von Staurohren, mit denen die Geschwindigkeit des Flugzeugs gemessen wird. Das ist ein dramatischer Ausfall an Information, mit dem die Piloten aber umgehen können müssten und der eigentlich nicht zu einem Absturz führen sollte, denn die Geschwindigkeit ist noch mittels anderer Sensoren erkennbar. Erste gefundene Wrackteile deuteten darauf hin, dass das Flugzeug fast senkrecht in horizontaler Lage auf das Wasser aufgeschlagen sein musste. Dies führte auf die Vermutung, dass das Flugzeug überzogen wurde, bis es zum Strömungsabriss kam, und es daraufhin einfach herunterfiel. Nach Bergung des Flugschreibers bestätigte sich der vermutete Ablauf. Er wurde durch einen überraschend kurzen Zeitraum von wenigen Minuten zwischen Fehlermeldung und Absturz aus Reiseflughöhe belegt. Die Piloten müssen in der widersprüchlichen Situation gewesen sein, dass ihnen der Sink"flug" angezeigt wurde, während die Nase des Flugzeugs nach oben zeigte, was laut Training normalerweise in diesem Flugzustand nicht möglich ist. Bei dem eingesetzten Fly-by-wire System wäre eigentlich auch kein Strömungsabriss möglich gewesen. Nach Ausfall der Staurohre führte nun die Verkettung zwischen unvorhersehbarem Flugzeugzustand und der dramatischen Fehlinterpretation durch die Piloten zum Absturz. (...)

Flugunfälle


<p>In dieser Folge unterhält sich Gudrun gleich mit vier Personen. Im Gespräch geht es um ein ganz besonderes Angebot für Schülerinnen und Schüler: die <a href="https://blog.rwth-aachen.de/cammp/angebote/#week">CAMMP-week</a>. Die Abkürzung <a href="http://www.scc.kit.edu/forschung/CAMMP.php">CAMMP</a> steht hier für "Computational and Mathematical Modeling Program" (deutsch: "Computergestütztes Mathematisches  Modellierungsprogramm"). Das Programm wurde in der Arbeitsgruppe von <a href="http://www.scc.kit.edu/personen/martin.frank.php">Martin Frank</a> während seiner Tätigkeit an der RWTH in Aachen entwickelt. Mit seinem Wechsel ans KIT in Karlsruhe gibt es nun seit Januar 2018 auch ein Standbein am KIT. Mit <a href="https://www.scc.kit.edu/personen/11460.php">Kirsten Wohak</a> hatte Gudrun schon über das Konzept, die Idee und konkrete Beispiele für <a href="http://modellansatz.de/cammp">CAMMP</a> gesprochen. Dabei entstand der Wunsch, unbedingt auch Schülerinnen und Schüler zu Wort kommen zu lassen, die an einer CAMMP-Veranstaltung teilgenommen haben.</p> <p>Elly Bastian und Christian Beitzinger haben vom 24.-29. Juni 2018 an der diesjährigen CAMMP week in der Jugendherberge in Voeren (Belgien) teilgenommen und hatten Lust, im Podcast über ihre Erfahrungen zu berichten. Elly ist derzeit noch Schülerin der 10. Klasse am <a href="https://goethe-gymnasium-gaggenau.de/">Goethe-Gymnasium in Gaggenau</a> und Christian ist in der K1 im <a href="http://www.lehrer.uni-karlsruhe.de/~za184/">Tulla-Gymnasium in Rastatt</a>. </p> <p>Zwei Programmgestalterinnen waren ebenfalls mit in der Podcast-Gesprächsrunde, nämlich <a href="https://www.scc.kit.edu/personen/11460.php">Kirsten Wohak</a> und  <a href="https://www.scc.kit.edu/personen/11349.php">Maren Hattebuhr</a>. Sie gehören am <a href="https://www.kit.edu/">KIT</a> zur Arbeitsgruppe von Martin Frank  <a href="http://www.scc.kit.edu/ueberuns/rg-csmm.php">Computational Science and Mathematical Methods</a>. Diese Gruppe schlägt eine Brücke zwischen dem <a href="http://www.scc.kit.edu/index.php">Steinbuch Center for Computing</a> und der <a href="http://www.math.kit.edu/">KIT-Fakultät für Mathematik</a>.</p> <p>Das Angebot  der CAMMP week richtet sich an Schüler und Schülerinnen der Oberstufe, die an Mathematik interessiert sind, an Mathematiklehrpersonen sowie Personen im Referendariat oder Lehramtsstudium und findet jährlich in der Jugendherberge in Voeren in Belgien statt. In Karlsruhe wird zusätzlich noch eine zweite Modellierungswoche in Zusammenarbeit mit dem <a href="http://www.scc.kit.edu/forschung/11521.php">MINT-EC</a> angeboten, an welcher Schülerinnen und Schüler von Schulen, die Teil des MINT-Schulnetzwerks sind, teilnehmen können. In beiden Wochen werden die Teilnehmenden in Gruppen aufgeteilt, die  jeweils aus sechs Schülerinnen und Schülern und zwei (angehenden) Lehrkräften bestehen. Bei den zu lösenden Problemen handelt es sich um reale Fragestellungen aus der Forschung von Firmen oder Universitätsinstituten.</p> <p>Jede Gruppe erhält eine individuelle Aufgabenstellung, an der sie innerhalb der fünf Tage forscht. Dabei wird sie auch wissenschaftlich betreut. Die Schülerteams präsentieren ihre Ergebnisse den Firmen am Ende der Woche im Rahmen einer repräsentativen Abschlussveranstaltung. Hier sind auch die Familien und die Schulen dabei. </p> <p>Welche Wege führen junge Menschen nun in die CAMMP week? </p> <p>Elly hatte Anfang 2018 die Arbeit der Gruppe um Martin Frank im Rahmen ihres <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Berufs-_und_Studienorientierung_an_Gymnasien">BOGY-Praktikums</a> kennen gelernt und dabei Lust bekommen, noch mehr praktische Mathematik zu machen. Obwohl sie keine andere Person kannte, die auch nach Belgien fahren würde, war ihre Lust so groß, dass sie sich auf das Abenteuer einlassen wollte. Christian wurde von seinem Mathelehrer auf die Möglichkeit hingewiesen und hatte sich mit Mitschülern abgesprochen. Beide berichteten darüber, dass sie in der jeweiligen Gruppe mit viel Enthusiasmus arbeiten konnten, viele Ideen geboren und wieder verworfen wurden und am Ende auch in schwierigen Phasen ein Ausweg gefunden wurde. </p> <p>Es war eine interessante Erfahrungen, mit anderen Schülerinnen und Schülern zusammen zu sein, die auch Begeisterung für Mathematik empfinden. Beide haben nun ein neues Bild von Mathematik und den Möglichkeiten einer späteren Berufstätigkeit mit einer mathematischen Vorbildung und würden auch gern wieder an einer CAMMP week teilnehmen.</p> <h2>Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/schuelerlabor">E. Dittrich: Schülerlabor</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 103, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.</li><li> <a href="http://modellansatz.de/kinetische-theorie">M. Frank: Kinetische Theorie</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 152, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/meisterklasse">B. Böttcher: Meisterklasse</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 158, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/cammp">G. Thäter, K. Wohak: CAMMP</a>, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 165, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018. </li></ul><br /> <br /> <h2>10 Jahre Omega Tau Podcast</h2> <p><a href="https://omegataupodcast.net/ot10" target="blank"><img src="http://omegataupodcast.net/wp-content/uploads/2018/06/ot10-lang.jpg" width="100%" alt="10 Jahre Omega Tau Podcast" title="10 Jahre Omega Tau Podcast"/></a></p>


Modellansatz 174

In dieser Folge unterhält sich Gudrun gleich mit vier Personen. Im Gespräch geht es um ein ganz besonderes Angebot für Schülerinnen und Schüler: die CAMMP-week. Die Abkürzung CAMMP steht hier für "Computational and Mathematical Modeling Program" (deutsch: "Computergestütztes Mathematisches Modellierungsprogramm"). Das Programm wurde in der Arbeitsgruppe von Martin Frank während seiner Tätigkeit an der RWTH in Aachen entwickelt. Mit seinem Wechsel ans KIT in Karlsruhe gibt es nun seit Januar 2018 auch ein Standbein am KIT. Mit Kirsten Wohak hatte Gudrun schon über das Konzept, die Idee und konkrete Beispiele für CAMMP gesprochen. Dabei entstand der Wunsch, unbedingt auch Schülerinnen und Schüler zu Wort kommen zu lassen, die an einer CAMMP-Veranstaltung teilgenommen haben. Elly Bastian und Christian Beitzinger haben vom 24.-29. Juni 2018 an der diesjährigen CAMMP week in der Jugendherberge in Voeren (Belgien) teilgenommen und hatten Lust, im Podcast über ihre Erfahrungen zu berichten. Elly ist derzeit noch Schülerin der 10. Klasse am Goethe-Gymnasium in Gaggenau und Christian ist in der K1 im Tulla-Gymnasium in Rastatt. Zwei Programmgestalterinnen waren ebenfalls mit in der Podcast-Gesprächsrunde, nämlich Kirsten Wohak und Maren Hattebuhr. Sie gehören am KIT zur Arbeitsgruppe von Martin Frank Computational Science and Mathematical Methods. Diese Gruppe schlägt eine Brücke zwischen dem Steinbuch Center for Computing und der KIT-Fakultät für Mathematik. Das Angebot der CAMMP week richtet sich an Schüler und Schülerinnen der Oberstufe, die an Mathematik interessiert sind, an Mathematiklehrpersonen sowie Personen im Referendariat oder Lehramtsstudium und findet jährlich in der Jugendherberge in Voeren in Belgien statt. In Karlsruhe wird zusätzlich noch eine zweite Modellierungswoche in Zusammenarbeit mit dem MINT-EC angeboten, an welcher Schülerinnen und Schüler von Schulen, die Teil des MINT-Schulnetzwerks sind, teilnehmen können. In beiden Wochen werden die Teilnehmenden in Gruppen aufgeteilt, die jeweils aus sechs Schülerinnen und Schülern und zwei (angehenden) Lehrkräften bestehen. Bei den zu lösenden Problemen handelt es sich um reale Fragestellungen aus der Forschung von Firmen oder Universitätsinstituten. Jede Gruppe erhält eine individuelle Aufgabenstellung, an der sie innerhalb der fünf Tage forscht. Dabei wird sie auch wissenschaftlich betreut. Die Schülerteams präsentieren ihre Ergebnisse den Firmen am Ende der Woche im Rahmen einer repräsentativen Abschlussveranstaltung. Hier sind auch die Familien und die Schulen dabei. Welche Wege führen junge Menschen nun in die CAMMP week? Elly hatte Anfang 2018 die Arbeit der Gruppe um Martin Frank im Rahmen ihres BOGY-Praktikums kennen gelernt und dabei Lust bekommen, noch mehr praktische Mathematik zu machen. Obwohl sie keine andere Person kannte, die auch nach Belgien fahren würde, war ihre Lust so groß, dass sie sich auf das Abenteuer einlassen wollte. (...)

CAMMP Week


<p>Gudrun met the USA-based mathematician <a href="https://www.bsu.edu/academics/collegesanddepartments/math/facultyandstaff/tenuretrackfaculty/aceskaroza">Roza Aceska</a> from Macedonia in Turin at the Conference <a href="http://www.mltf18.unito.it/">MicroLocal and Time-Frequency Analysis 2018</a>. </p> <p><img class="imgcenter" src="http://www.math.kit.edu/ianm4/seite/ma-dynamical-sampling/media/turin-480x321.jpg" alt="Mathematical Department, University of Turin, Photo: G.Thäter" title="Mathematical Department, University of Turin, Photo: G.Thäter" /> </p> <p>The topic of the recorded conversation is dynamical sampling. The situation which Roza and other mathematician study is: There is a process which develops over time which in principle is well understood. In mathematical terms this means we know the equation which governs our model of the process or in other words we know the family of evolution operators. Often this is a partial differential equation which accounts for changes in time and in 1, 2 or 3 spatial variables. This means, if we know the initial situation (i.e. the initial conditions in mathematical terms), we can numerically calculate good approximations for the instances the process will have at all places and at all times in the future.</p> <p>But in general when observing a process life is not that well sorted. Instead we might know the principal equation but only through (maybe only a few) measurements we can find information about the initial condition or material constants for the process. This leads to two questions: How many measurements are necessary in order to obtain the full information (i.e. to have exact knowledge)? Are there possibilities to choose the time and the spatial situation of a measurement so clever as to gain as much as possible new information from any measurement? These are mathematical questions which are answered through studying the equations.</p> <p>The science of sampling started in the 1940s with <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon">Claude Shannon</a> who found fundamental limits of <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Signal_processing">signal processing</a>. He developed a precise framework - the so-called <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Information_theory">information theory</a>. Sampling and reconstruction theory is important because it serves as a bridge between the modern digital world and the analog world of continuous functions.  It is surprising to see how many applications rely on taking samples in order to understand processes. A few examples in our everyday life are: Audio signal processing (electrical signals representing sound of speech or music), image processing, and wireless communication. But also seismology or genomics can only develop models by taking very intelligent sample measurements, or, in other words, by making the most scientific sense out of available measurements. </p> <p>The new development in dynamical sampling is, that in following a process over time it might by possible to find good options to gain valuable information about the process at different time instances, as well as different spatial locations. In practice, increasing the number of spatially used sensors  is more expensive (or even impossible) than increasing the temporal sampling density. These issues are overcome by a  spatio-temporal sampling framework in evolution processes. The idea is to use a reduced number of sensors with each being activated more frequently.  Roza refers to a paper by <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Enrique_Zuazua">Enrique Zuazua</a> in which he and his co-author study the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_equation">heat equation</a> and construct a series of later-time measurements at a single location throughout the underlying process. The heat equation is prototypical and one can  use similar ideas in a more general setting. This is one topic on which Roza and her co-workers succeeded and want to proceed further.</p> <p>After Roza graduated with a Ph.D. in Mathematics at the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/University_of_Vienna">University of Vienna</a> she worked as Assistant Professor at the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ss._Cyril_and_Methodius_University_of_Skopje">University Ss Cyril and Methodius</a> in Skopje (Macedonia), and after that at the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Vanderbilt_University">Vanderbilt University</a> in Nashville (Tennessee). Nowadays she is a faculty member of <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_State_University">Ball State University</a> in Muncie (Indiana).</p> <h2>References</h2> <ul><li> <b>Overview</b> on sampling theory and applications:  <a href="https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=843002">M. Unser:  Sampling-50 years after Shannon</a> Proceedings of the IEEE 88 (4) 569 - 587, 2000.</li><li> <b>Dynamical sampling in shift-invariant spaces</b>: <a href="https://as.vanderbilt.edu/math/bio/docs/roza-aceska/DynSampSIS.pdf">R. Aceska e.a.: Dynamical Sampling in Shift-Invariant Spaces</a> 2014 (Version at <a href="https://arxiv.org/abs/1409.8333">Archive</a>}</li><li> <b>Dynamical sampling</b>: <a href="https://ieeexplore.ieee.org/document/7148929/">R. Aceska, A. Petrosyan, S. Tang: Dynamical sampling of two-dimensional temporally-varying signals</a> International Conference on Sampling Theory and Applications (SampTA), DOI:10.1109/SAMPTA.2015.7148929, 2015.</li><li> <a href="https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0218202514500262">DeVore, Ronald, and Enrique Zuazua: Recovery of an initial temperature from discrete sampling</a>, Mathematical Models and Methods in Applied Sciences 24.12 (2014): 2487-2501, 2014.</li><li> <b>Evolution operators</b> involved in dynamical sampling: <a href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10444-016-9497-5"> S. Tang: System identification in dynamical sampling</a>, Advances in Computational Mathematics 43 (3) 555–580, 2017.</li><li> On <b>Bessel systems, bases and frames</b> in the dynamical sampling setup: <a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022123616303536">A.Aldroubi e.a.:lterative actions of normal operators</a>  Journal of Functional Analysis 272 (3), 1121-1146, 2017.</li></ul> <h2>Related Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/waves">G. Thäter, E. Zuazua: Waves</a>, Conversation in Modellansatz Podcast Episode 054, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015. </li></ul> 


Modellansatz 173

Gudrun met the USA-based mathematician Roza Aceska from Macedonia in Turin at the Conference MicroLocal and Time-Frequency Analysis 2018. The topic of the recorded conversation is dynamical sampling. The situation which Roza and other mathematician study is: There is a process which develops over time which in principle is well understood. In mathematical terms this means we know the equation which governs our model of the process or in other words we know the family of evolution operators. Often this is a partial differential equation which accounts for changes in time and in 1, 2 or 3 spatial variables. This means, if we know the initial situation (i.e. the initial conditions in mathematical terms), we can numerically calculate good approximations for the instances the process will have at all places and at all times in the future. But in general when observing a process life is not that well sorted. Instead we might know the principal equation but only through (maybe only a few) measurements we can find information about the initial condition or material constants for the process. This leads to two questions: How many measurements are necessary in order to obtain the full information (i.e. to have exact knowledge)? Are there possibilities to choose the time and the spatial situation of a measurement so clever as to gain as much as possible new information from any measurement? These are mathematical questions which are answered through studying the equations. The science of sampling started in the 1940s with Claude Shannon who found fundamental limits of signal processing. He developed a precise framework - the so-called information theory. Sampling and reconstruction theory is important because it serves as a bridge between the modern digital world and the analog world of continuous functions. It is surprising to see how many applications rely on taking samples in order to understand processes. A few examples in our everyday life are: Audio signal processing (electrical signals representing sound of speech or music), image processing, and wireless communication. But also seismology or genomics can only develop models by taking very intelligent sample measurements, or, in other words, by making the most scientific sense out of available measurements. The new development in dynamical sampling is, that in following a process over time it might by possible to find good options to gain valuable information about the process at different time instances, as well as different spatial locations. In practice, increasing the number of spatially used sensors is more expensive (or even impossible) than increasing the temporal sampling density. These issues are overcome by a spatio-temporal sampling framework in evolution processes. The idea is to use a reduced number of sensors with each being activated more frequently. Roza refers to a paper by Enrique Zuazua (...)

Dynamical Sampling


<p>Am Rande des <a href="http://hgs.iwr.uni-heidelberg.de/events/ewm/german-chapter-conference2018/programme">Treffens</a> des German Chapters of <a href="http://www.europeanwomeninmaths.org/">European Women in Mathematics</a> sprach Gudrun mit <a href="http://www.math.uni-tuebingen.de/arbeitsbereiche/gadr/personen/dr-carla-cederbaum-1/dr-carla-cederbaum">Carla Cederbaum</a>. Das Treffen der Mathematikerinnen fand am 3. und 4. Mai 2018 im <a href="https://mathematikon.de/">Mathematikon</a> in Heidelberg statt. Carla hielt einen der Hauptvorträge und gab einen Einblick in ihre Forschung unter dem Titel "Where is the center of mass of a star -- and what does this have to do with Mathematics?"</p> <p>Die Ideen der Vorlesung dienten als Einstieg in das Gespräch zum Arbeitsgebiet von Carla: Mathematische <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Relativit%C3%A4tstheorie">Relativitätstheorie</a>. Dieses Thema schlägt eine Brücke zwischen Physik und Mathematik. Carla hat sich schon immer sehr für Mathematik und Physik interessiert und sich zunächst für ein Physikstudium entschieden.</p> <p>Später hat die Mathematik sich als attraktiver erwiesen, aber die physikalische Anwendungen liegen ihr weiterhin am Herzen.  Nun benutzt sie mathematische Methoden der geometrischen <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Analysis">Analysis</a> und <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Differentialgeometrie">Differentialgeometrie</a> gemeinsamen mit ihren grundlegenden Vorstellungen von Physik für ihre Forschung.</p> <p>Im Zentrum des Vortrages stand, welche Schritte es möglich gemacht haben, das klassische Konzept <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Massenmittelpunkt">Schwerpunkt</a> auf die Situation zu übertragen, dass sich Objekte so wie Sterne oder Galaxien so schwer sind bzw. sich so schnell bewegen, dass sie den Gesetzmäßigkeiten der Relativitätstheorie unterliegen. Der Schwerpunkt eines physikalischen Systems ist eines der ältesten und grundlegendsten Konzepte der mathematischen Physik und Geometrie. Das Verstehen der Position und Bewegung des Massenschwerpunktes eines Systems ist oft der erste Schritt zum Verständnis der Gesamtdynamik des Systems. Geht man jedoch über die klassische Mechanik hinaus, wird der Begriff immer komplizierter und muss neu definiert werden. Beispielsweise hängt der Schwerpunkt einer Massenverteilung in besonderer Weise vom gewählten Beobachter ab und er muss sich für Objekte wie schwarzes Löcher eignen. Hier kann er nicht als "Ereignis" (Punkt) in der Raumzeit beschrieben werden. Jede Vorstellung vom Massenschwerpunkt muss also notwendigerweise abstrakter sein.</p> <p>In ihrer Doktorarbeit untersuchte Carla sogenannte geometrostatische Systeme, d.h. asymptotisch flache statische Lösungen der Einstein-Gleichungen im Vakuum. Anders ausgedrückt sind das statisch isolierte relativistische Systeme, deren Materie kompakten Träger hat.  Ihr Ziel war es, ein tieferes Verständnis ihrer Asymptotik zu erlangen und mehr Einblick in ihre physikalische Interpretation (z.B. Masse und Schwerpunkt) zu gewinnen. Des weiteren war es spannend, inwieweit klassische und solche relativistischen Begriffe ineinander übergehen im Grenzwert kleiner Geschwindigkeiten. </p> <p>Der Vortrag zeigte, worin die Herausforderungen bestehen und zeigte welche Techniken von ihr erfolgreich angewendet worden waren. Als erstes grundlegendes Problem für nicht statische Systeme erweist sich, dass die Beschreibung vom Beobachter abhängen muss. Eine grundlegende Idee ist es, die Lage des Schwerpunktes als Zentrum einer unendlichen Schar von ineinander liegenden Sphären zu beschreiben. Je größer diese Kugeloberflächen werden, desto weniger sind sie gekrümmt. Wenn man die Krümmung in der Geometrie des zu beschreibenden Raumes beherrscht, kann man als den Grenzwert dieser ineinander geschachtelten Sphären den Schwerpunkt fassen.</p> <p>Zur Beschreibungen von Krümmungen braucht man die zweiten Ableitungen auf den eingebetteten Oberflächen in alle Richtungen, weshalb dies auf eine partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung führt.</p> <p>Carla ist Juniorprofessorin am Fachbereich Mathematik der Universität Tübingen und Kollegiatin der <a href="https://www.hadw-bw.de/">Heidelberger Akademie der Wissenschaften</a>. Sie hat schon sehr früh ihre Forschung allgemeinverständlich dargestellt, z.B. 2009 mit der  <a href="http://www.math.uni-tuebingen.de/arbeitsbereiche/gadr/personen/dr-carla-cederbaum-1/Faltblatt_110609_Final.pdf">interaktiven Ausstellung Von Newton zu Einstein: Eine Reise durch Raum und Zeit</a>. Sie macht das sehr erfolgreich und brennt für das Thema<br /> </p> <h2>Literatur und weiterführende Informationen</h2> <ul><li> <a href="http://www.math.uni-tuebingen.de/arbeitsbereiche/gadr/personen/dr-carla-cederbaum-1/copy2_of_owrCederbaum.pdf">C. Cederbaum, A geometric boundary value problem related to the static equations in General Relativity</a> Oberwolfach report, 2017.</li><li> <a href="http://www.math.uni-tuebingen.de/arbeitsbereiche/gadr/personen/dr-carla-cederbaum-1/copy_of_main.pdf">C. Cederbaum, J. Cortier, A. Sakovich, On the center of mass of asymptotically hyperbolic initial data sets</a> (preprint, accepted in Ann. Henri Poincaré), 2015.</li><li> <a href="http://www.math.uni-tuebingen.de/arbeitsbereiche/gadr/personen/dr-carla-cederbaum-1/EmissaryFall2013.pdf">MSRI Emissary General Relativity</a>, 2013.</li><li> <a href="http://www.mfo.de/occasion/1231/www_view">Carla Cederbaum,The Geometry of Static Spacetimes: Geometrostatics,</a> Oberwolfach report, 2012.</li><li> <a href="http://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000023871">Carla Cederbaum, The Newtonian Limit of Geometrostatics</a>, PhD thesis, 2011.</li></ul>


Modellansatz 172

Am Rande des Treffens des German Chapters of European Women in Mathematics sprach Gudrun mit Carla Cederbaum. Das Treffen der Mathematikerinnen fand am 3. und 4. Mai 2018 im Mathematikon in Heidelberg statt. Carla hielt einen der Hauptvorträge und gab einen Einblick in ihre Forschung unter dem Titel "Where is the center of mass of a star -- and what does this have to do with Mathematics?" Die Ideen der Vorlesung dienten als Einstieg in das Gespräch zum Arbeitsgebiet von Carla: Mathematische Relativitätstheorie. Dieses Thema schlägt eine Brücke zwischen Physik und Mathematik. Carla hat sich schon immer sehr für Mathematik und Physik interessiert und sich zunächst für ein Physikstudium entschieden. Später hat die Mathematik sich als attraktiver erwiesen, aber die physikalische Anwendungen liegen ihr weiterhin am Herzen. Nun benutzt sie mathematische Methoden der geometrischen Analysis und Differentialgeometrie gemeinsamen mit ihren grundlegenden Vorstellungen von Physik für ihre Forschung. Im Zentrum des Vortrages stand, welche Schritte es möglich gemacht haben, das klassische Konzept Schwerpunkt auf die Situation zu übertragen, dass sich Objekte so wie Sterne oder Galaxien so schwer sind bzw. sich so schnell bewegen, dass sie den Gesetzmäßigkeiten der Relativitätstheorie unterliegen. Der Schwerpunkt eines physikalischen Systems ist eines der ältesten und grundlegendsten Konzepte der mathematischen Physik und Geometrie. Das Verstehen der Position und Bewegung des Massenschwerpunktes eines Systems ist oft der erste Schritt zum Verständnis der Gesamtdynamik des Systems. Geht man jedoch über die klassische Mechanik hinaus, wird der Begriff immer komplizierter und muss neu definiert werden. Beispielsweise hängt der Schwerpunkt einer Massenverteilung in besonderer Weise vom gewählten Beobachter ab und er muss sich für Objekte wie schwarzes Löcher eignen. Hier kann er nicht als "Ereignis" (Punkt) in der Raumzeit beschrieben werden. Jede Vorstellung vom Massenschwerpunkt muss also notwendigerweise abstrakter sein. In ihrer Doktorarbeit untersuchte Carla sogenannte geometrostatische Systeme, d.h. asymptotisch flache statische Lösungen der Einstein-Gleichungen im Vakuum. Anders ausgedrückt sind das statisch isolierte relativistische Systeme, deren Materie kompakten Träger hat. Ihr Ziel war es, ein tieferes Verständnis ihrer Asymptotik zu erlangen und mehr Einblick in ihre physikalische Interpretation (z.B. Masse und Schwerpunkt) zu gewinnen. Des weiteren war es spannend, inwieweit klassische und solche relativistischen Begriffe ineinander übergehen im Grenzwert kleiner Geschwindigkeiten. Der Vortrag zeigte, worin die Herausforderungen bestehen und zeigte welche Techniken von ihr erfolgreich angewendet worden waren. Als erstes grundlegendes Problem für nicht statische Systeme erweist sich, dass die Beschreibung vom Beobachter abhängen muss. Eine grundlegende Idee ist es, die Lage des Schwerpunktes als Zentrum einer unendlichen Schar von ineinander liegenden Sphären zu beschreiben. Je größer diese Kugeloberflächen werden, (...)

Sternenschwerpunkt


<p>Gudrun spent an afternoon at the <a href="https://www.mis.mpg.de/">Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences (MPI MSI)</a> in Leipzig. There she met the Colombian mathematician <a href="https://www.mis.mpg.de/de/nlalg/mitarbeiter/eliana-maria-duarte-gelvez.html">Eliana Maria Duarte Gelvez</a>. Eliana is a PostDoc at the MPI MSI in the <a href="https://www.mis.mpg.de/nlalg/research.html">Research group in Nonlinear Algebra</a>. Its head is  <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Bernd_Sturmfels">Bernd Sturmfels</a>.</p> <p>They started the conversation with the question: What is <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Algebraic_geometry">algebraic geometry</a>? It is a generalisation of what one learns in linear algebra insofar as it studies properties of <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Polynomial">polynomials</a> such as its <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Properties_of_polynomial_roots">roots</a>. But it considers systems of polynomial equations in several variables so-called <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Polynomial#Multivariate_polynomial">multivariate polynomials</a>. There are diverse applications in engineering, biology, statistics and topological data analysis. Among them Eliana is mostly interested in questions from computer graphics and statistics. </p> <p>In any animated movie or computer game all objects have to be represented by the computer. Often the surface of the geometric objects is parametrized by polynomials. The image of the parametrization can as well be defined by an equation. For calculating interactions it can be necessary to know what is the corresponding equation in the three usual space variables. One example, which comes up in school and in the introductory courses at university is the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Circle">circle</a>. Its representation in different <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate_system">coordinate systems</a> or as a parametrized curve lends itself to interesting problems to solve for the students.</p> <p>Even more interesting and often difficult to answer is the simple question after the curve of the intersection of surfaces in the computer representation if these are parametrized objects. Moreover real time graphics for computer games need fast and reliable algorithms for that question. Specialists in computer graphics experience that not all curves and surfaces can be parametrized. It was a puzzling question until they talked to people working in algebraic geometry. They knew that the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Genus_(mathematics)">genus</a> of the curve tells you about the possible vs. impossible parametrization.</p> <p>For the practical work <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_algebra_system">symbolic algebra packages</a> help. They are based on the concept of the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Gr%C3%B6bner_basis">Gröbner basis</a>. Gröbner basis help to translate between representations of surfaces and curves as parametrized objects and graphs of functions. Nevertheless, often very long polynomials with many terms (like 500) are the result and not so straightforward to analyse. </p> <p>A second research topic of Eliana is <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Algebraic_statistics">algebraic statistics</a>. It is a very recent field and evolved only in the last 20-30 years. In the typical problems one studies discrete or polynomial equations using symbolic computations with combinatorics on top. Often numerical algebraic tools are necessary. It is algebraic in the sense that many popular statistical models are parametrized by polynomials. The points in the image of the parameterization are the <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Probability_distribution">probability distributions</a> in the statistical model. The interest of the research is to study properties of statistical models using algebraic geometry, for instance describe the implicit equations of the model.</p> <p>Eliana already liked mathematics at school but was not always very good in it. When she decided to take a Bachelor course in mathematics she liked the very friendly environment at her faculty in the Universidad de los Andes, Bogotá. She was introduced to her research field through a course in Combinatorial commutative algebra there. She was encouraged to apply for a Master's program in the US and to work on elliptic curves at Binghamton University (State University of New York) After her Master in 2011 she stayed in the US to better  understand <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Hilbert%27s_syzygy_theorem#Syzygies_(relations)">syzygies</a> within her work on a PhD at the <a href="http://www.math.uiuc.edu/">University of Illinois at Urbana-Champaign</a>. Since 2018 she has been a postdoc at the MPI MSI in Leipzig and likes the very applied focus especially on algebraic statistics. </p> <p>In her experience Mathematics is a good topic to work on in different places and it is important to have role models in your field.</p> <br /> <h2>References</h2> <ul><li> <a href="https://arxiv.org/abs/1802.04511">E. Duarte, Ch. Görgen: Equations defining probability tree models</a></li><li> <a href="https://arxiv.org/abs/1610.03820">E. Duarte: Implicitization of tensor product surface in the presence of a generic set of basepoints</a>. 2016. Journal of Algebra and Applications(to appear).</li><li> <a href="http://emduart2.github.io/framework-rigidity/">Rigidity of Quasicrystal Frameworks - webpage</a></li><li> <a href="http://new.math.uiuc.edu/quasistable/DuarteFrancisSeville1may13.pdf">E. M. Duarte, G. K. Francis: Stability of Quasicrystal Frameworks in 2D and 3D</a> Proceedings of the First Conference Transformables 2013.In the Honor of Emilio Perez Piñero 18th-20th September 2013, Seville, Spain</li><li> <a href="https://ozdebayer.wixsite.com/non-linear-algebra">Portraits of people working in Nonlinear Algebra</a></li></ul> <br /> <h2>Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/metrische-geometrie">P. Schwer: Metrische Geometrie</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 102, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. </li></ul>


Modellansatz 171

Gudrun spent an afternoon at the Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences (MPI MSI) in Leipzig. There she met the Colombian mathematician Eliana Maria Duarte Gelvez. Eliana is a PostDoc at the MPI MSI in the Research group in Nonlinear Algebra. Its head is Bernd Sturmfels. They started the conversation with the question: What is algebraic geometry? It is a generalisation of what one learns in linear algebra insofar as it studies properties of polynomials such as its roots. But it considers systems of polynomial equations in several variables so-called multivariate polynomials. There are diverse applications in engineering, biology, statistics and topological data analysis. Among them Eliana is mostly interested in questions from computer graphics and statistics. In any animated movie or computer game all objects have to be represented by the computer. Often the surface of the geometric objects is parametrized by polynomials. The image of the parametrization can as well be defined by an equation. For calculating interactions it can be necessary to know what is the corresponding equation in the three usual space variables. One example, which comes up in school and in the introductory courses at university is the circle. Its representation in different coordinate systems or as a parametrized curve lends itself to interesting problems to solve for the students. Even more interesting and often difficult to answer is the simple question after the curve of the intersection of surfaces in the computer representation if these are parametrized objects. Moreover real time graphics for computer games need fast and reliable algorithms for that question. Specialists in computer graphics experience that not all curves and surfaces can be parametrized. It was a puzzling question until they talked to people working in algebraic geometry. They knew that the genus of the curve tells you about the possible vs. impossible parametrization. For the practical work symbolic algebra packages help. They are based on the concept of the Gröbner basis. Gröbner basis help to translate between representations of surfaces and curves as parametrized objects and graphs of functions. Nevertheless, often very long polynomials with many terms (like 500) are the result and not so straightforward to analyse. A second research topic of Eliana is algebraic statistics. It is a very recent field and evolved only in the last 20-30 years. In the typical problems one studies discrete or polynomial equations using symbolic computations with combinatorics on top. Often numerical algebraic tools are necessary. It is algebraic in the sense that many popular statistical models are parametrized by polynomials. The points in the image of the parameterization are the probability distributions in the statistical model. The interest of the research is to study properties of statistical models using algebraic geometry, for instance describe the implicit equations of the model. (...)

Algebraic Geometry


<p>Am 6. Juni 2018 hat <a href="https://people.utwente.nl/d.gallistl">Dietmar Gallistl</a> seine Antrittsvorlesung gehalten. Dies ist der traditionelle Abschluss jedes Habilitationsverfahrens an der <a href="https://www.math.edu">KIT-Fakultät für Mathematik</a>. Der Titel des Vortrags lautete: Die Stabilitätskonstante des Divergenzoperators und ihre numerische Bestimmung.</p> <p>Im Zentrum des Vortrags und des Gespräches mit <a href="http://www.math.kit.edu/ianm2/~thaeter">Gudrun</a> stand die Inf-sup-Bedingung, die u.a. in der <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Navier-Stokes-Gleichungen">Strömungsrechnung</a> eine zentrale Rolle spielt. Das lineare Strömungsproblem (<a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Navier-Stokes-Gleichungen#Stokes-Gleichung">Stokesproblem</a>) besteht aus einer elliptischen Vektor-Differentialgleichung für das Geschwindigkeitsfeld und den Gradienten des Drucks und einer zweiten Gleichung. Diese entsteht unter der Annahme, dass es zu keiner Volumenänderung im Fluid unter Druck kommt (sogenannte Inkompressibilität) aus der Masseerhaltung. Mathematisch ist es die Bedingung, dass die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Divergenz_eines_Vektorfeldes">Divergenz</a> des Geschwindigkeitsfeldes Null ist. Physikalisch ist es eine Nebenbedingung. In der Behandlung des Problems sowohl in der Analysis als auch in der Numerik wird häufig ein Lösungsraum gewählt, in dem diese Bedingung automatisch erfüllt ist. Damit verschwindet der Term mit dem Druck aus der Gleichung. Für das Geschwindigkeitsfeld ist dann mit Hilfe des <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Lemma_von_Lax-Milgram">Lax-Milgram Satzes</a> eine eindeutige Lösung garantiert. Allerdings nicht für den Druck.</p> <p>Genau genommen entsteht nämlich ein <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Sattelpunktproblem">Sattelpunktproblem</a> sobald man den Druck nicht ausblendet. Dieses ist nicht wohlgestellt, weil man keine natürlichen Schranken hat. Unter einer zusätzlichen Bedingung ist es aber möglich, hier auch die Existenz des Druckes zu sichern (und zwar sowohl analytisch als auch später im numerischen Verfahren solange der endliche Raum ein Unterraum des analytischen Raumes ist). Diese heißt entweder inf-sup Bedingung oder aber nach den vielen Müttern und Vätern: Ladyzhenska-Babushka-Brezzi-Bedingung.</p> <p>Die Konstante in der Bedingung geht direkt in verschiedene Abschätzungen ein und es wäre deshalb schön, sie genau zu kennen. Ein Hilfsmittel bei der geschickten numerischen Approximation ist die Helmholtzzerlegung des L2. Diese besagt, dass sich jedes Feld eindeutig in zwei Teile zerlegen läßt, von der eines ein Gradient ist und der andere schwach divergenzfrei. Es lassen sich dann beide Teile getrennt betrachten. Man konstruiert den gemischten Finite Elemente Raum so, dass im Druck stückweise polynomielle  Funktionen (mit Mittelwert 0) auftreten und und für den Raum der Geschwindigkeitsgradienten das orthogonale kompelemt der schwach divergenzfreien Raviart-Thomas-Elemente gewählt ist.</p> <p>Dietmar Gallistl hat in Freiburg und Berlin Mathematik studiert und promovierte 2014 an der Humboldt-Universität zu Berlin. Nach Karlsruhe kam er als Nachwuchsgruppenleiter im SFB Wellenphänome - nahm aber schon kurz darauf in Heidelberg die Vertretung einer Professur wahr. Zur Zeit ist er als Assistant Professor an der Universität Twente tätig.</p> <br /> <h2>Literatur und weiterführende Informationen</h2> <ul><li> <a href="https://www.waves.kit.edu/downloads/CRC1173_Preprint_2017-15.pdf">D. Gallistl. Rayleigh-Ritz approximation of the inf-sup constant for the divergence</a>. Math. Comp. (2018) Published online, <a href="https://doi.org/10.1090/mcom/3327">https://doi.org/10.1090/mcom/3327</a>  </li><li> <a href="https://epubs.siam.org/doi/10.1137/15M1044989">Ch. Bernardi, M. Costabel, M. Dauge, and V. Girault, Continuity properties of the inf-sup constant for the divergence</a>, SIAM J. Math. Anal. 48 (2016), no. 2, 1250–1271. <a href="https://doi.org/10.1137/15M1044989">https://doi.org/10.1137/15M1044989</a></li><li> <a href="https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00205-015-0845-2">M. Costabel and M. Dauge, On the inequalities of Babuška-Aziz, Friedrichs and Horgan-Payne</a>, Arch. Ration. Mech. Anal. 217 (2015), no. 3, 873–898. <a href="https://doi.org/10.1007/s00205-015-0845-2">https://doi.org/10.1007/s00205-015-0845-2</a></li><li> <a href="https://www.springer.com/de/book/9783642365188">D. Boffi, F. Brezzi, and M. Fortin, Mixed finite element methods and applications</a>, Springer Series in Computational Mathematics, vol. 44, Springer, Heidelberg, 2013. </li></ul> <br /> <h2>Podcasts</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/helmholtzzerlegung">J. Babutzka: Helmholtzzerlegung</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 85, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. </li><li> <a href="http://modellansatz.de/regulaere-stroemungen">M. Steinhauer: Reguläre Strömungen</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 113, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016</li></ul>


Modellansatz 170

Am 6. Juni 2018 hat Dietmar Gallistl seine Antrittsvorlesung gehalten. Dies ist der traditionelle Abschluss jedes Habilitationsverfahrens an der KIT-Fakultät für Mathematik. Der Titel des Vortrags lautete: Die Stabilitätskonstante des Divergenzoperators und ihre numerische Bestimmung. Im Zentrum des Vortrags und des Gespräches mit Gudrun stand die Inf-sup-Bedingung, die u.a. in der Strömungsrechnung eine zentrale Rolle spielt. Das lineare Strömungsproblem (Stokesproblem) besteht aus einer elliptischen Vektor-Differentialgleichung für das Geschwindigkeitsfeld und den Gradienten des Drucks und einer zweiten Gleichung. Diese entsteht unter der Annahme, dass es zu keiner Volumenänderung im Fluid unter Druck kommt (sogenannte Inkompressibilität) aus der Masseerhaltung. Mathematisch ist es die Bedingung, dass die Divergenz des Geschwindigkeitsfeldes Null ist. Physikalisch ist es eine Nebenbedingung. In der Behandlung des Problems sowohl in der Analysis als auch in der Numerik wird häufig ein Lösungsraum gewählt, in dem diese Bedingung automatisch erfüllt ist. Damit verschwindet der Term mit dem Druck aus der Gleichung. Für das Geschwindigkeitsfeld ist dann mit Hilfe des Lax-Milgram Satzes eine eindeutige Lösung garantiert. Allerdings nicht für den Druck. Genau genommen entsteht nämlich ein Sattelpunktproblem sobald man den Druck nicht ausblendet. Dieses ist nicht wohlgestellt, weil man keine natürlichen Schranken hat. Unter einer zusätzlichen Bedingung ist es aber möglich, hier auch die Existenz des Druckes zu sichern (und zwar sowohl analytisch als auch später im numerischen Verfahren solange der endliche Raum ein Unterraum des analytischen Raumes ist). Diese heißt entweder inf-sup Bedingung oder aber nach den vielen Müttern und Vätern: Ladyzhenska-Babushka-Brezzi-Bedingung. Die Konstante in der Bedingung geht direkt in verschiedene Abschätzungen ein und es wäre deshalb schön, sie genau zu kennen. Ein Hilfsmittel bei der geschickten numerischen Approximation ist die Helmholtzzerlegung des L2. Diese besagt, dass sich jedes Feld eindeutig in zwei Teile zerlegen läßt, von der eines ein Gradient ist und der andere schwach divergenzfrei. Es lassen sich dann beide Teile getrennt betrachten. Man konstruiert den gemischten Finite Elemente Raum so, dass im Druck stückweise polynomielle Funktionen (mit Mittelwert 0) auftreten und und für den Raum der Geschwindigkeitsgradienten das orthogonale kompelemt der schwach divergenzfreien Raviart-Thomas-Elemente gewählt ist. Dietmar Gallistl hat in Freiburg und Berlin Mathematik studiert und promovierte 2014 an der Humboldt-Universität zu Berlin. Nach Karlsruhe kam er als Nachwuchsgruppenleiter im SFB Wellenphänome - nahm aber schon kurz darauf in Heidelberg die Vertretung einer Professur wahr. Zur Zeit ist er als Assistant Professor an der Universität Twente tätig.

InfSup-Bedingung


<p>Gudrun sprach mit Gabriel Thäter. Er ist der langjährigen Hörerschaft schon bekannt, denn er hat im Februar 2015 als Schüler über sein <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Berufs-_und_Studienorientierung_an_Gymnasien">BOGY-Praktikum</a> am <a href="http://www.math.kit.edu/ianm/">Institut für angewandte und numerische Mathematik</a> berichtet. Heute ist er <a href="https://www.mach.kit.edu/1978.php">Maschinenbau-Student am KIT</a> und absolviert gerade sein viertes Semester.  Damit hat Gabriel die drei Semester, in denen Mathematik zum Studienplan für Maschinenbauer gehört - die sogenannte Höhere Mathematik (HM) I-III - erfolgreich abgeschlossen. Außerdem arbeitet er schon das zweite Semester als Tutor in der HM-Ausbildung für das Studienjahr, das nach ihm das Studium aufgenommen hat. Gudrun wollte im Gespräch aus erster Hand erfahren, wie die Mathe-Ausbildung bei ihm angekommen ist. </p> <p>Der Ausgang war, mit welchen Wünschen und Erwartungen Gabriel sich für ein Studium im Maschinenbau entschieden hat. Tatsächlich war Maschinenbau nicht sein erster Wunsch, sondern er hatte sich zunächst für ein Duales Studium in Luft- und Raumfahrttechnik beworben. Das Duale Studium vereinigt Praxisphasen in einem Unternehmen mit Studienphasen an einer Fachhochschule und führt zum Abschluss Bachelor. Während der Studienzeit zahlt das Unternehmen ein Gehalt. Diese Studiensituation ist ist so attraktiv, dass der Wettbewerb um die wenigen Studienplätze immer sehr stark ist - auch wenn es nicht die ideale Ausgangssituation für eine Forschungstätigkeit später ist, da die theoretische Ausbildung nicht so breit aufgestellt sein kann wie im Bachelor an einer Universität.</p> <p>Ein Studium des Maschinenbaus kam Gabriels Wunschbild Raumfahrttechnik am nächsten, zumal mit einem Studium in Karlsruhe für ihn auch kein Wohnort-Wechsel nötig wurde. Inzwischen ist Gabriel mit der "zweiten Wahl" sehr zufrieden, denn sein Studium erweist sich für ihn sehr vielseitig und bereitet ihn auf unterschiedliche Spezialisierungsmöglichkeiten vor. Im Moment plant er, sich in der Richtung <a href="http://www.its.kit.edu/">Thermische Strömungsmaschinen</a> zu vertiefen.</p> <p>Gabriel war darauf gefasst, dass Mathematik an der Uni etwas mehr Zeit und Mühe kosten wird als in der Schule. Es hat ihn aber doch etwas überrascht, wie sehr sich Stoffdichte und Unterrichtstempo von der Schule unterscheiden. Trotzdem hat er seinen Ehrgeiz darin gesetzt, die Übungsaufgaben möglichst richtig und vollständig zum gegegebnen Termin einzureichen.</p> <p>Um für die schriftliche Prüfung am Ende des Semester zugelassen zu werden, muss man in der Summe der Übungsblätter 1-10 eine gewisse Mindestpunktzahl erreichen. Für Gabriel hat sich die Arbeit in einer Gruppe bewährt. Für die Prüfungsvorbereitung hat er auch alte Klausuren aus der Fachschaft herangezogen. Die Aufteilung des Lernens in der Vorlesung, der zentralen Übung und in den Tutorium hat ihm gut gefallen. Jede Veranstaltung hat ihren Platz und ihren eigenen Nutzen für ihn gezeigt.</p> <p>Als Tutor sieht er nun die Lehre auch ein wenig von der anderen Seite. Er unterrichtet selbst pro Woche eine Stunde, in der die Studierenden Fragen zu den aktuellen Aufgaben stellen und in Gruppen Aufgaben lösen, die den Übungsaufgaben zuarbeiten. Außerdem korrigiert er die Hausaufgaben seiner Tutoriengruppe. Dabei fällt ihm negativ auf, wenn zur Lösung kein logischer Rahmen gegeben wird, sondern einfach "wild losgerechnet" wird. Dann fällt es oft schwer, zu verstehen, was die Studierenden eigentlich mit den Rechnungen finden möchten und ob das sinnvoll ist oder falsch. Gabriel sagt, dass er durch die Vorbereitung der Tutorien oft noch viel besser verstanden hat, was er eigentlich im ersten und zweiten Semester gelernt hat.</p> <br /><h2>Podcasts und weiterführende Informationen</h2> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/wasserraketen">G. Thäter: Wasserraketen</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast Folge 49, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015. <a href="http://modellansatz.de/wasserraketen">http://modellansatz.de/wasserraketen</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/hoehere-mathematik">F. Hettlich: Höhere Mathematik</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 34, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. <a href="http://modellansatz.de/hoehere-mathematik">http://modellansatz.de/hoehere-mathematik</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/advanced-mathematics">G. Thäter, J. Rollin: Advanced Mathematics</a>, conversation in the Modellansatz Podcast, episode 146, Department of Mathematics, Karlsruhe Institute for Technology (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/advanced-mathematics">http://modellansatz.de/advanced-mathematics</a></li><li> <a href="http://www.math.kit.edu/ianmip/seite/lehrehm/de">Informationen zur Höheren Mathematik im Maschinenbau am KIT</a></li></ul>


Modellansatz 169

Gudrun sprach mit Gabriel Thäter. Er ist der langjährigen Hörerschaft schon bekannt, denn er hat im Februar 2015 als Schüler über sein BOGY-Praktikum am Institut für angewandte und numerische Mathematik berichtet. Heute ist er Maschinenbau-Student am KIT und absolviert gerade sein viertes Semester. Damit hat Gabriel die drei Semester, in denen Mathematik zum Studienplan für Maschinenbauer gehört - die sogenannte Höhere Mathematik (HM) I-III - erfolgreich abgeschlossen. Außerdem arbeitet er schon das zweite Semester als Tutor in der HM-Ausbildung für das Studienjahr, das nach ihm das Studium aufgenommen hat. Gudrun wollte im Gespräch aus erster Hand erfahren, wie die Mathe-Ausbildung bei ihm angekommen ist. Der Ausgang war, mit welchen Wünschen und Erwartungen Gabriel sich für ein Studium im Maschinenbau entschieden hat. Tatsächlich war Maschinenbau nicht sein erster Wunsch, sondern er hatte sich zunächst für ein Duales Studium in Luft- und Raumfahrttechnik beworben. Das Duale Studium vereinigt Praxisphasen in einem Unternehmen mit Studienphasen an einer Fachhochschule und führt zum Abschluss Bachelor. Während der Studienzeit zahlt das Unternehmen ein Gehalt. Diese Studiensituation ist ist so attraktiv, dass der Wettbewerb um die wenigen Studienplätze immer sehr stark ist - auch wenn es nicht die ideale Ausgangssituation für eine Forschungstätigkeit später ist, da die theoretische Ausbildung nicht so breit aufgestellt sein kann wie im Bachelor an einer Universität. Ein Studium des Maschinenbaus kam Gabriels Wunschbild Raumfahrttechnik am nächsten, zumal mit einem Studium in Karlsruhe für ihn auch kein Wohnort-Wechsel nötig wurde. Inzwischen ist Gabriel mit der "zweiten Wahl" sehr zufrieden, denn sein Studium erweist sich für ihn sehr vielseitig und bereitet ihn auf unterschiedliche Spezialisierungsmöglichkeiten vor. Im Moment plant er, sich in der Richtung Thermische Strömungsmaschinen zu vertiefen. Gabriel war darauf gefasst, dass Mathematik an der Uni etwas mehr Zeit und Mühe kosten wird als in der Schule. Es hat ihn aber doch etwas überrascht, wie sehr sich Stoffdichte und Unterrichtstempo von der Schule unterscheiden. Trotzdem hat er seinen Ehrgeiz darin gesetzt, die Übungsaufgaben möglichst richtig und vollständig zum gegegebnen Termin einzureichen. Um für die schriftliche Prüfung am Ende des Semester zugelassen zu werden, muss man in der Summe der Übungsblätter 1-10 eine gewisse Mindestpunktzahl erreichen. Für Gabriel hat sich die Arbeit in einer Gruppe bewährt. Für die Prüfungsvorbereitung hat er auch alte Klausuren aus der Fachschaft herangezogen. Die Aufteilung des Lernens in der Vorlesung, der zentralen Übung und in den Tutorium hat ihm gut gefallen. Jede Veranstaltung hat ihren Platz und ihren eigenen Nutzen für ihn gezeigt. Als Tutor sieht er nun die Lehre auch ein wenig von der anderen Seite. Er unterrichtet selbst pro Woche eine Stunde, in der die Studierenden Fragen zu den aktuellen Aufgaben stellen (...)

Maschinenbau HM


<p>Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im <a href="https://zkm.de/">ZKM</a> und in der <a href="https://hfg-karlsruhe.de/">Hochschule für Gestaltung (HfG)</a> die <a href="https://entropia.de/GPN18">GPN18</a> statt. Dort traf Sebastian auf <a href="https://twitter.com/couchsofa">Arne Rick</a> und sie unterhielten sich über die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/DIN-Norm">DIN-Norm</a> 4149 zu <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbebensicheres_Bauen">Erdbebensicherem Bauen</a>.</p> <p>Die DIN4149 legt fest, nach welchen Auslegungszahlen man planen, und welchen Verfahren man Gebäude bauen darf, um sie "erdbebensicher" gemäß der Norm nennen zu dürfen. <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbeben">Erdbeben</a> sind in Deutschland allgemein nicht sehr häufig, aber es gibt Gebiete in denen ein deutlich höheres Erbebenrisiko besteht, wie beispielsweise in <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbebengebiet_Kölner_Bucht">Aachen und dem Erdbebengebiet Kölner Bucht</a> (<a href="http://www.seismo.uni-koeln.de/events/index.htm">aktuelle Erdbeben</a>) in der <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbebenzone">Erdbebenzone</a> 3. Mit der Erdbebenzone 1 für Karlsruhe sind wir auch in einem gefährdeten Bereich (<a href="https://ka.stadtwiki.net/Erdbeben">Erdbeben in Karlsruhe</a>), wenn auch nicht im gleichen Maße. Südlich von <a href="https://www.tuepedia.de/wiki/Erdbeben">Tübingen gibt es eine weitere Erbebenzone 3</a> (<a href="http://www.lgrb-bw.de/led_pool/led_2_1.htm">aktuelle Erdbeben</a>).</p> <p><img class="imgcenter" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Erdbebenzonen.png/406px-Erdbebenzonen.png" alt="Erdbebenzonen in Deutschland. CC-BY 2.0: Störfix" title="Erdbebenzonen in Deutschland. CC-BY 2.0: Störfix" /><br /> Erdbebenzonen in Deutschland. CC-BY 2.0 Störfix</p> <p>In der Auslegung werden Erdbeben als ein Katastrophen-<a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Lastfall">Lastfall</a> angenommen, und die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Bemessungskriterien_(Erdbeben)">Bemessung</a> richtet sich auf die schwersten Erdbeben, die statistisch alle 475 Jahre auftreten können. Die <a href="https://zkm.de/de/von-der-munitionsfabrik-zur-kulturfabrik">ehemalige Munitionsfabrik</a>, die nun u.a. das ZKM, die HfG und gerade die GPN18 beinhaltet, steht schon seit über 100 Jahren, und wird auch noch länger stehen, so ist dies eine für Gebäude realistische Zeitskala.</p> <p>In der Auslegung spielt das Gewicht der Gebäude eine große Rolle, denn die zu verarbeitende <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsches_Gravitationsgesetz">Kraft bestimmt sich nach Newton aus der Masse und Beschleunigung</a>. In Karlsruhe muss mit einer <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Spitzenbodenbeschleunigung">Spitzenbodenbeschleunigung</a> von bis zu 0.4g bzw. 3.9m/s^2 rechnen. Wie unterschiedlich dabei die Bewegung ausfallen kann, ist an verschiedenen <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seismogramm">Seismogrammen</a> ersichtlich, die den Verlauf des Bebens mit einem Stift auf einem durchlaufenden Blatt darstellen.</p> <p>Die Modellierung von Erdbeben beginnt mit dem <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Hypozentrum">Erdbebenherd</a>, über dem sich auf der Erdoberfläche das <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Epizentrum">Epizentrum</a> befindet. Idealisiert bewegen sich <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seismische_Wellen">seismische Wellen</a> vom Epizentrum aus als <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seismische_Wellen#Raumwellen">Raumwellen</a> kugelförmig aus, zusätzlich gibt es aber auch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seismische_Wellen#Oberflächenwellen">Oberflächenwellen wie Rayleigh- oder Love-Wellen</a>, die sich idealisiert kreisförmig um das Epizentrum ausbreiten. Da die horizontale Beschleunigung die stärkste Wirkung auf Gebäude hat, vereinfacht die Norm den Einfluss von Erdbeben auf Horizontalbeschleunigungen und Bodeneinflüsse.</p> <p>Während Erdbeben für Gebäude ein Problem darstellen können, so sind sie für die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Seismische_Tomographie">Seismische Tomographie</a> die Informationsquelle, um Einblicke in die Erde zu erhalten. Mit optimaler Versuchsplanung kann man dafür auch die Aufstellorte optimieren, um ein möglichst optimales Bild zu erhalten, wie wir aus <a href="http://modellansatz.de/erdbeben">Modell012: Erdbeben und Optimale Versuchsplanung</a> schon wissen.</p> <p>Natürlich müssen alle relevanten <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Lastfall">Lastfälle</a> berücksichtigt werden, so kann in Karlsruhe die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Windlast">Windlast</a> sich als <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flächenlast">Flächenlast</a> teilweise stärker als der Lastfall durch Erdbeben auswirken. Das Haus wird dabei oft als <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenfrequenz#Einmassenschwinger_(SDOF)">Einmassenschwinger</a> gesehen, bei aufwendigeren Geometrien aber auch als <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenfrequenz#Mehrere_Freiheitsgrade_(MDOF)">Mehrmassenschwinger</a>, und die unterschiedlichen Belastungen in der maximalen Auslenkung in maximale statische horizontale Ersatzkräfte umgerechnet und damit vergleichbar gemacht.</p> <p>Ein wichtiger Startpunkt ist die Auswahl der <a href="https://baustatik-wiki.fiw.hs-wismar.de/mediawiki/index.php/Bemessungssituationen_(Grundbau)">Bemessungssituation</a> und das <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Semiprobabilistisches_Teilsicherheitskonzept">Semiprobabilistische Teilsicherheitssystem</a>, als Weiterentwicklung des <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Sicherheitsfaktor">Sicherheitsfaktors</a>, bzw. der Aufteilung in verschiedene <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Eurocode">Eurocodes</a>, die auch noch eine national unterschiedliche Behandlung ermöglichen. Bei der Lastbestimmung berücksichtigt man ständige Lasten, eine hauptsächliche nicht-ständige Last, die Haupteinwirkung, und weitere nicht-ständige Lasten, die aber durch einen probabilistischen Faktor abgemindert werden, da nicht alle nicht-ständige Lasten gleichzeitig auftreten. Aus der Festigkeit des Baumaterials wird nun die maximale Spannung berechnet, die es aufnehmen kann, und diese muss den Einwirkungen bestehen können.</p> <p>Eigentlich ist die DIN4149 durch den deutlich umfangreicheren <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbebensicheres_Bauen">Eurocode 8</a> abgelöst, doch ist aktuell noch die DIN4149 anzuwenden, da der Eurocode 8 zum Zeitpunkt der Aufnahme noch nicht in die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Listen_der_Technischen_Baubestimmungen">technischen Baubestimmungen</a> aufgenommen wurden.</p> <p>Eine Besonderheit der Bemessungssituation für erdbebensicheres Bauen ist, dass hier ein <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Katastrophe">Katastrophenlastfall</a> angenommen wird, und es daher keine allgemeinen Sicherheitsfaktoren mehr gibt. Es geht dabei nicht um den Erhalt des Gebäudes, sondern nur um die Möglichkeit Menschenleben schützen zu können. Ein <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Bemessungskriterien_(Erdbeben)#Bedeutung_des_Gebäudes">Bedeutungsbeiwert</a> beschreibt die Bedeutung des Gebäudes für Katastrophenfälle, beispielsweise haben hier landwirtschaftliche Gebäude einen Wert von 0,8 während Krankenhäuser den Wert 1,4 haben. </p> <p>Weiterhin wird die Nutzung durch einen Nutzungsbeiwert beschrieben, die die Belastung des Gebäudes durch die Nutzung beschreiben- diese können ständig, wie im Fall von Bibliotheken sein, oder sich häufig ändernd, wie durch Menschen, die das Gebäude besuchen.  </p> <p>Aus dem anzusetzenden Gewicht und der Beschleunigung durch die Erdmase kann man mit dem Modell des Einmassenschwingers die modellierte Schwingung des Gebäudes simulieren. Aus dieser Simulation erhält man das <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Antwortspektrum">Antwortspektrum des Gebäudes</a> für unterschiedliche Erdbeben. Bildet man hier die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Einhüllende">einhüllende Kurve</a> bzw. <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Hüllkurve">Hüllkurve</a>, die in der Synthesizer-Musik auch über das <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/ADSR">ADSR-Modell</a> beschrieben werden kann. Die Nachschwingzeiten von sehr hohen Gebäuden können so lange sein, dass es förmlich zu <a href="https://www.youtube.com/watch?v=sX3AjZi8cJs">tanzenden Hochhäusern</a> kommen kann.</p> <p>Der wichtige Wert der Schwingzeit wird durch eine vereinfachte Gebäudegeometrie berechnet. Da das Gebäude aber mehrere <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenfrequenz">Resonanzfrequenzen beziehungsweise Eigenwerte</a> der Steifigkeitsmatrix besitzt, gibt es zu jedem Mode eine eigene Schwingzeit. Die verschiedenen Schwingungen in den Teilmodellen überlagern sich in der <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Modalanalyse">Multimoden-Modell</a> dann im vollen Modell. </p> <p>Diese vereinfachenden Verfahren ermöglichen meisst schon mit wenig Rechenaufwand sehr gute Ergebnisse, jedoch stößt das Vorgehen bei sehr verwinkelten und komplexen Baustrukturen an Grenzen- eine Verwendung des Ein- oder Mehrschwingermodells ist bei einem Gebäude wie dem <a href="http://www.kadawittfeldarchitektur.de/projekte/projekt-aktion/show/projekt-titel/aachenmuenchener-direktionsgebaeude.html">Aachenmünchener Direktionsgebäude</a> nicht denkbar.</p> <p>Bei der weiteren Betrachtung hat die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Erdbebenzone#Untergrundklassen,_Baugrundklassen">Baugrundklasse</a> einen wichtigen Einfluss, da diese beispielsweise bei kiesigem Untergrund die Erdbeschleunigung erheblich abschwächen kann. Der Dämpfungsbeiwert beschreibt die durch Prozesse wie Reibung dissipierte Energie. Weiterhin beschreibt der Verhaltensbeiwert die <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Plastizit%C3%A4t_(Physik)">Plastitzität von Werkstoffen</a> in Gebäuden, durch die ebenso die Schwingungsenergie verbraucht wird. Speziell werden Gebäude dazu in <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Duktilit%C3%A4t">Duktulitätsklassen</a> eingeteilt.</p> <p>Eine besondere Rolle spielen hier die Zustandsklassen, beispielsweise beim <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Beton">Beton</a> und <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Stahlbeton">Stahlbeton</a>: Man geht davon aus, dass der Beton im normalen Zustand von kleinen <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Bruchmechanik">Rissen</a> durchzogen ist, und damit in Zustandsklasse 2 liegt. In der Alterung, aber auch durch Einwirkung von äußeren Kräften wie Erdbeben, kommt es zu einem <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Risswachstum">Risswachstum</a>. Risse können mathematisch durch <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Bifurkation_(Mathematik)">Bifurkationen</a> beschrieben werden, und erzeugen sehr schnell äußerst komplexe Problemstellungen. Im Katastrophenfall erlauben wir für Stahlbeton die Zustandsklasse 3, wo der Beton gerissen sein kann und der Stahl beginnt sich zu verbiegen. Auch wenn das Gebäude danach dringenden Reparaturbedarf besitzt, so wird so viel von der Erdbebenenergie durch die Materialien verbraucht.</p> <p>Ein großes Problem sind dabei aber die Verbindungen, da <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/H%C3%A4rten_(Eisenwerkstoff)">gehärtete</a> Schrauben spröde reißen. Ebenso haben Schweißnähte immer kleine <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Schwei%C3%9Fnahtfehler">Nahtfehler</a>, die versagen können. Ein Ausweg sind hier so groß ausgelegte Verbindungen, so dass diese im Extremfall die Rotationsfähigkeit erhaltende <a href="https://de.wikipedia.org/wiki/Flie%C3%9Fgelenk">Fließgelenke</a> ausbilden und somit ein Versagen möglichst nicht in der Verbindung auftritt. </p> <p>An der <a href="https://www.hs-karlsruhe.de/">Hochschule Karlsruhe</a> besucht Arne eine Vorlesung von <a href="https://www.hs-karlsruhe.de/fk-ab/ueber-uns/personen/bauingenieurwesen/professorinnen/jan-akkermann/">Prof. Dr. Jan Akkermann</a> und hat sich im Zuge seines Master-Studiums mit dem <a href="https://www.hs-karlsruhe.de/bim/projekte/">Projekt</a> beschäftigt, einem Gebäude der Hochschule ein neues Geschoss zu planen.</p> <br /> <br /> <h1>Literatur und weiterführende Informationen</h1> <ul><li> <a href="https://www.bauwesen.tu-dortmund.de/tk/Medienpool/Bilder/Forschung/Die_neue_Erdbebennorm_DIN_4149_1.pdf">A. Ötes: Die neue Erdbebennorm DIN 4149</a>, Universität Dortmund.</li><li> <a href="https://media.ccc.de/v/gpn18-9-the-basics-of-audio-compressors">A. Rick: The Basics of Audio compressors</a>, Gulaschprogrammiernacht, 2018.</li></ul><br /><br /><h1>Seismische Sonifikationen</h1> <ul><li> <a href="http://geophysics.eas.gatech.edu/people/zpeng/EQ_Music/">Z. Peng: Earthquake Music</a></li><li> <a href="http://crack.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/sounds/index.html">J. N. Louie, The Sound of Seismic</a>, 2015</li><li> <a href="http://sos.allshookup.org/">D. V. Rogers: Sounds of Seismic - Earth System Soundscape</a>, 2013.</li></ul><br /> <p>  </p> <h1>Podcasts</h1> <ul><li> <a href="http://modellansatz.de/erdbeben">S. Wollherr: Erdbeben und Optimale Versuchsplanung</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 12, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. <a href="http://modellansatz.de/erdbeben">http://modellansatz.de/erdbeben</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/extremereignisse">S. Wollherr: Bruchzonen</a>, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 136, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/bruchzonen">http://modellansatz.de/bruchzonen</a></li><li> <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">A. Rick: Bézier Stabwerke</a>, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 141, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. <a href="http://modellansatz.de/bezier-stabwerke">http://modellansatz.de/bezier-stabwerke</a></li></ul>


Modellansatz 168

Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im ZKM und in der Hochschule für Gestaltung (HfG) die GPN18 statt. Dort traf Sebastian auf Arne Rick und sie unterhielten sich über die DIN-Norm 4149 zu Erdbebensicherem Bauen. Die DIN4149 legt fest, nach welchen Auslegungszahlen man planen, und welchen Verfahren man Gebäude bauen darf, um sie "erdbebensicher" gemäß der Norm nennen zu dürfen. Erdbeben sind in Deutschland allgemein nicht sehr häufig, aber es gibt Gebiete in denen ein deutlich höheres Erbebenrisiko besteht, wie beispielsweise in Aachen und dem Erdbebengebiet Kölner Bucht (aktuelle Erdbeben) in der Erdbebenzone 3. Mit der Erdbebenzone 1 für Karlsruhe sind wir auch in einem gefährdeten Bereich (Erdbeben in Karlsruhe), wenn auch nicht im gleichen Maße. Südlich von Tübingen gibt es eine weitere Erbebenzone 3 (aktuelle Erdbeben). In der Auslegung werden Erdbeben als ein Katastrophen-Lastfall angenommen, und die Bemessung richtet sich auf die schwersten Erdbeben, die statistisch alle 475 Jahre auftreten können. Die ehemalige Munitionsfabrik, die nun u.a. das ZKM, die HfG und gerade die GPN18 beinhaltet, steht schon seit über 100 Jahren, und wird auch noch länger stehen, so ist dies eine für Gebäude realistische Zeitskala. In der Auslegung spielt das Gewicht der Gebäude eine große Rolle, denn die zu verarbeitende Kraft bestimmt sich nach Newton aus der Masse und Beschleunigung. In Karlsruhe muss mit einer Spitzenbodenbeschleunigung von bis zu 0.4g bzw. 3.9m/s^2 rechnen. Wie unterschiedlich dabei die Bewegung ausfallen kann, ist an verschiedenen Seismogrammen ersichtlich, die den Verlauf des Bebens mit einem Stift auf einem durchlaufenden Blatt darstellen. Die Modellierung von Erdbeben beginnt mit dem Erdbebenherd, über dem sich auf der Erdoberfläche das Epizentrum befindet. Idealisiert bewegen sich seismische Wellen vom Epizentrum aus als Raumwellen kugelförmig aus, zusätzlich gibt es aber auch Oberflächenwellen wie Rayleigh- oder Love-Wellen, die sich idealisiert kreisförmig um das Epizentrum ausbreiten. Da die horizontale Beschleunigung die stärkste Wirkung auf Gebäude hat, vereinfacht die Norm den Einfluss von Erdbeben auf Horizontalbeschleunigungen und Bodeneinflüsse. Während Erdbeben für Gebäude ein Problem darstellen können, so sind sie für die Seismische Tomographie die Informationsquelle, um Einblicke in die Erde zu erhalten. Mit optimaler Versuchsplanung kann man dafür auch die Aufstellorte optimieren, um ein möglichst optimales Bild zu erhalten, wie wir aus Modell012: Erdbeben und Optimale Versuchsplanung schon wissen. Natürlich müssen alle relevanten Lastfälle berücksichtigt werden, so kann in Karlsruhe die Windlast sich als Flächenlast teilweise stärker als der Lastfall durch Erdbeben auswirken. Das Haus wird dabei oft als Einmassenschwinger gesehen, bei aufwendigeren Geometrien aber auch als Mehrmassenschwinger (...)

Erdbebensicheres Bauen

Bei genauem Hinsehen finden wir die Naturwissenschaft und besonders Mathematik überall in unserem Leben, vom Wasserhahn über die automatischen Temporegelungen an Autobahnen, in der Medizintechnik bis hin zum Mobiltelefon. Woran die Forscher, Absolventen und Lehrenden in Karlsruhe gerade tüfteln, erfahren wir hier aus erster Hand.

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