Naturwissenschaft und Technik Set

Der Flywheeler

Erkunde die wissenschaftlichen Grundlagen der mechanischen Übersetzung, Abstandsmessung, physikalischen Kräfte, Bewegungsenergie, Reibung und Luft.

45-90 Min.
Fortgeschrittene
Klassen 5–8
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1. Themaeinführung

(5-10 Minuten)

Jack und Jill haben sich gestritten und sollen ihr Temperament nun an der frischen Luft ein wenig abkühlen. Jill lässt sich von ihrem Hund Zog auf dem Wagen ziehen, aber es geht sehr langsam voran.

Währenddessen spielt Jack mit seinen Kreiseln. Diese drehen sich zwar ganz hübsch, aber er fände es doch besser, wieder mit Jill zu spielen. Jill denkt ganz genauso: Es ist schöner wenn sie sich vertragen, und im Grunde haben beide gerade nicht viel Spaß und finden ihre Spiele langweilig.

Sie schauen sich an und Jill hat eine Idee: Wie wäre es, wenn wir unsere Spiele kombinieren – können wir den Wagen und den Kreisel nicht irgendwie zusammenbauen?

Könnte ein drehender Kreisel nicht ein Auto antreiben, das mit dieser Energie einen gewissen Weg zurücklegt? Finden wir es heraus!

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2. Aufbau

(20-25 Minuten)

Zuerst muss die Teststrecke abgesteckt werden:
Markiere eine 50 cm lange Anlaufstrecke. Diese Strecke liegt vor der Startlinie. Hinter der Startlinie gibst du die Strecke mit einem 2 m langen Kreppbandstreifen vor, den du in 10 cm-Abschnitten markierst. Jetzt kann es an den Aufbau des Modells gehen!

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Baue den Flywheeler zusammen
(Alle Schritte in Heft 10A und Heft 10B bis Seite 10, Schritt 20).

  • Wenn der Wagen angeschoben wird, sollte er nur langsam anhalten
  • Wenn der Wagen sehr schnell anhält, kontrolliere die Achslager auf lockeren Sitz, den korrekten Eingriff der Zahnräder und die feste Verbindung der übrigen Komponenten
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3. Beobachtung

(20-25 Minuten)

Feste Bedingungen für vergleichbare Testresultate
Der Anlauf sollte innerhalb von 2 Sekunden auf einer 50 cm langen Strecke erfolgen, d.h. die Freigabe des Fahrzeugs an der Startlinie sollte stets in derselben Geschwindigkeit geschehen. Dazu braucht es ein bisschen Übung! Um ein sicheres Ergebnis zu erreichen, sollte jedes Modell mindestens 3 mal getestet werden.

Schon gewusst?
Die besten Schwungräder (mit optimaler Energiespeicherung) werden in luftdichte Gehäuse eingebaut, aus denen die Luft entfernt wird (Vakuum) – damit fällt der Luftwiderstand weg.

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Was macht ein gutes Schwungrad aus?
Je besser das Schwungrad, desto weiter und zeitlich länger fährt der Wagen – beim stets gleichen Anlauf! Teste alle Kombination, z.B. ganz ohne Schwungrad! Probiere das große Rad ohne Reifen aus – oder erfinde deine eigenen Schwungrad-Varianten.

Schwerere Schwungräder funktionieren besser als leichtere, benötigen jedoch auch eine höhere Anschubkraft, d.h. die Menge an kinetischer Energie (Bewegungsenergie), die im Schwungrad gespeichert wird, hängt von seinem Gewicht und von seiner Drehgeschwindigkeit ab.

Wie weit rollt der Flywheeler (engl.: Flywheel = Schwungrad) und wie viele Sekunden?
Messe die Weite, die der Wagen mit verschiedenen Schwungrädern erreicht. Noch aussagekräftiger (hier als freiwillige Zusatzaufgabe) ist die Messung der Zeit, die der Wagen rollt!

Führe die Bauschritte bis auf Seite 12, Schritt 22 aus. Teste den Wagen und mache deine Messungen.

Führe die Bauschritte bis auf Seite 14, Schritt 24 aus. Teste den Wagen und mache deine Messungen.

Die Schwungrad-Wagen fahren sehr langsam. Je größer das Schwungrad, desto langsamer fahren häufig die Wagen – aber auch umso weiter und länger.

Schon gewusst?
Wir benutzen ein 8er und ein 24er Zahnrad, um eine Übersetzung herzustellen. Die Übersetzung erfolgt in zwei Schritten mit jeweils 3:1, d.h. eine Umdrehung des Rades auf dem Boden erzeugt 9 Umdrehungen am Schwungrad.

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4. Ausbau und Verbesserung

(25-30 Minuten)

Wer schüttelt, bremst: der Shakey Brakey!
Führe die weiteren Schritte in Heft 10B bis Seite 17, Schritt 3 aus; das Schwungrad wird dabei AUSMITTIG montiert. Versuche zuerst, das Verhalten des Wagens vorauszusagen und führe anschließend den Test durch.

Das Fahrzeug hält sehr schnell an! Schwungräder müssen in der Drehbewegung DYNAMISCH ausbalanciert sein, sonst entstehen große Kräfte in verschiedenen Richtungen. Diese erzeugen eine Schüttelbewegung und erhöhen die REIBUNG an den Achsen deutlich.

Lasse den Shakey Brakey eine Rampe herunterrollen. Was passiert? Vergleiche das Ergebnis mit einem Modell mit ausbalanciertem Schwungrad.

Der Wagen rollt langsam und wird nicht schneller. Die dynamische Unwucht nimmt mit geringer Geschwindigkeitserhöhung deutlich zu. Bei sehr geringer Geschwindigkeit sind die Kräfte der Unwucht noch klein genug; daher verbleibt das Fahrzeug bei dieser Geschwindigkeit.

Schon gewusst?
In echten Maschinen und Fahrzeugen, kann ein unwuchtiges Schwungrad sogar explodieren!

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Bergrennen
Baue eine Rampe als Auffahrt für die Fahrzeuge. Sage voraus, wie ein Wagen mit Schwungrad und ein anderer ohne Schwungrad vergleichsweise abschneiden, wenn sie gleich schnell angeschoben werden (eine mitunter schwer einzuhaltende Anforderung). Vielleicht kannst du bei dieser Aufgabe mit anderen Teams zusammenarbeiten.

Der Schwungradwagen kommt auf der Bergaufstrecke weiter voran. Er hat mehr¨kinetische Energie gespeichert.

Fertige eine kleine Hügelkette als Hindernisparcours für die Fahrzeuge. Dazu kannst du eine dünne Kartonfläche auf den Boden kleben, die über Schuhe oder andere Gegenstände führt.

Der Schwungradwagen fährt die Hügel langsam hoch und wieder herunter. Das Schwungrad wirkt praktisch als ‘regulierende Einheit’ und hält den Wagen bei den Auf- und Abfahrten auf einer gleichmäßigen Geschwindigkeit.

Schweres Bergrennen
Leere einen großen Haufen an LEGO® Steinen auf den Boden oder auf den Tisch und finde heraus, welcher Schwungradwagen den LEGO Berg meistert.

Der Schwungradwagen mit den großen Rädern bewältigt den schweren, ‘bergigen’ Kurs am besten.

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Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler werden die folgenden Konzepte untersuchen:

  • Mechanismen nutzen - aufrichten
  • Komponenten zusammenbauen
  • Abstand messen
  • Messzeit
  • Kräfte
  • Energie bewegen
  • Reibung und Luft
  • Widerstand
  • Wissenschaftliche Untersuchung
  • 9686 Naturwissenschaft und Technik Set (ein Set pro Zweiergruppe empfohlen)
  • Ebener Boden auf einer Länge von 3 Metern
  • Kreppklebeband
  • Maßstab oder Maßband
  • Stoppuhr

NwT / NT

  • naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg
  • technische Arbeitsmethoden
  • Objekt mit Antrieb konstruieren und ggf. zeichnerisch darstellen
  • Kräfte
  • Geschwindigkeit und Bewegungen
  • Bewegungsenergie, Lageenergie
  • Nutzbarmachung von Energie (Windenergie)
  • Trägheit
  • Tabellen
  • bewerten und ggf. optimieren

Technik

  • technischen Gegenstand konstruieren
  • Schwungrad
  • Energiewandlung
  • Messwerte erfassen
  • Konstruktion zeichnerisch darstellen
  • beurteilen und verbessern

BNT

  • mehrteiliges Objekt herstellen
  • Antrieb nutzen
  • Herstellungsprozess eines Produktes beschreiben
  • vergleichen und optimieren
  • Experimente durchführen
  • Messwerte erfassen
  • Energie

Physik

  • Experimente durchführen
  • Beobachtung und Erklärung unterscheiden
  • Kräfte
  • Kraftwandler
  • Trägheit
  • Lageenergie, Bewegungsenergie
  • Energieumwandlungen
  • Reibung
  • sprachliche und grafische Darstellungsformen nutzen
  • Messgrößen

Materialien für Schülerinnen und Schüler

Schülerarbeitsblatt

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