Naturwissenschaft und Technik Set

Die Kehrmaschine

Die wissenschaftlichen Grundlagen von Kegelrädern, Zahnrädern, Rollen, Sicherheitssystemen, Distanz und Reibung erkunden.

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

5-10 Minuten

Auf dem Weg liegen Abfälle und Blätter herum. Das sieht zum einen schlecht aus und kann zum anderen gefährlich sein, weil auf Blättern und Abfällen Ausrutschgefahr besteht! Nun haben Jack und Jill die ehrenvolle Aufgabe, den Gehweg zu säubern, würden aber anstatt der Kehrarbeit viel lieber mit ihrem Schiebeauto spielen.

Ihr Hund Zog versucht, ein bisschen zu helfen, hat dabei jedoch wenig Erfolg.

Plötzlich kommt den Kindern die Idee, den Besen mit dem Schiebeauto zu verbinden, aber sie wissen noch nicht genau, wie diese Kombination aussehen könnte.

Kann man mit einem Schiebewagen den Gehweg kehren? Finden wir es heraus!

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2. Aufbau

20-25 Minuten

Testfläche
Wähle eine ebene Oberfläche auf einem Tisch oder auf den Boden als Testbereich aus und begrenze sie mit der Pappschachtel oder der Kartonwand.

Verteile die zerknüllten Papierschnipsel gleichmäßig auf einen 10 cm breiten und 60 cm langen Bereich des ‘Modellparks’. Dies ist also der mit Abfällen beschmutzte Gehweg.

Lasse zu beiden Seiten des Wegs genügend Platz, damit die Papierschnipsel dorthin fliegen können.

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Aufbau der Kehrmaschine
(Alle Schritte in Heft 1A und Heft 1B bis Seite 8, Schritt 11.)

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Auf Leichtlauf prüfen
Schiebe den Wagen mit geringer Kraft über den Tisch. Die Drehscheibe sollte sich frei drehen und nicht am Wagenrahmen hängen bleiben. Die ‘Kehrblätter’ sollten ausfahren und sich drehen, dabei jedoch nicht den Tisch berühren.

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3. Beobachtung

20-25 Minuten

Wie gut ist die Kehrfunktion?
Schiebe den Kehrwagen den verschmutzten Weg entlang. Wie viele der Papierschnipsel werden zur Seite gefegt? Ein Viertel? Die Hälfte?

Wo liegen die Probleme der Konstruktion? Vergleiche die Menge der weggekehrten Papierschnipsel mit der Menge der liegengebliebenen.

Die Kehrmaschine ist nicht schnell nicht genug und fegt bei Weitem nicht alle Abfälle zur Seite!

Schon gewusst?
Alle Zahnräder mit normalen, geraden Zähnen an der Außenseite (‘Stirn’) werden Stirnräder oder Stirnzahnräder genannt.

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Wie verhält sich das Getriebe der Kehrmaschine?
Schiebe den Kehrwagen so weit an, dass die Wagenräder eine volle Umdrehung ausführen. Wie oft dreht sich dabei die Kehrscheibe? Kannst du den Grund dafür erklären?

Die Kehrscheibe dreht sich einmal. Das Getriebeverhältnis ist also 1:1.
Alle Kegel- und Stirnräder, die ineinander greifen, besitzen jeweils dieselbe Größe. Daher ändert sich die Umdrehungsgeschwindigkeit nicht.

Tipp:
Welche Funktion erfüllen Kegelräder? Sie winkeln die Richtung der Kraftübertragung um 90° ab. So kann die Bewegungsenergie ‘um die Ecke’ übertragen werden!

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Wie erreichen wir, dass sich die Kehrscheibe schneller dreht?
Probiere verschiedene Kombinationen von Antriebszahnrädern aus (Schritt 12, Schritt 13).

Bei Schritt 12 wird die Kehrscheibe viel zu langsam, bei Schritt 13 dagegen wird die Umdrehungsgeschwindigkeit auf das 5-fache erhöht. Beachte: Das große Stirnrad mit 40 Zähnen treibt das kleine mit 8 Zähnen an!

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Jack und Jill wollen den Gehweg so schnell wie möglich säubern, damit niemand auf den Abfällen ausrutschen und sich verletzen kann. Um dies zu erreichen, versuche, weitere ‘Kehrblätter’ an der Kehrscheibe zu befestigen (Schritt 14).

Mit 3 Blättern tritt eine Unwucht auf, so dass die Kehrmaschine jetzt eventuell noch schlechter funktioniert als mit 2 Blättern. Mit 4 Blättern befindet sich die Kehrscheibe wieder im Gleichgewicht und erzielt bessere Ergebnisse.

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Vorsicht!
Schiebe den Kehrwagen an und halte dabei die Kehrscheibe fest. Was passiert und welche Probleme können sich aus einer solchen Blockierung ergeben?

Die Wagenräder können blockieren und evtl. ‘springen’ die Zahnräder. Bei einer echten Kehrmaschine würde die Blockierung eines beweglichen Teils die Maschine überlasten und eventuell zum Bruch der Zahnräder führen.

4. Ausbau und Verbesserung

25-30 Minuten

Kehrantrieb mit Sicherheitsplus
Baue das Modell auf Riemenantrieb um. Probiere Riemenräder in verschiedenen Größen aus. Versuche vorauszusagen, wie schnell sich die Kehrscheibe drehen und wie gut die Kehrfunktion sein wird. Überprüfe deine Annahmen im Test.

Die Kehrscheibe dreht sich normalerweise schneller als die Wagenräder. Je größer das Antriebsrad gewählt wird, desto schneller dreht sich die Kehrscheibe. Der Wagen lässt sich dann jedoch schwerer schieben, weil an den Achsen mehr Reibung auftritt.

Schiebe nun wieder den Kehrwagen an und halte dabei die Kehrscheibe fest. Was passiert? Wo liegen die Vor- und Nachteile dieser Konstruktion?

Der Antriebsriemen rutscht durch (Schlupf).

Vorteile: Die Kehrmaschine kann problemlos anhalten, wenn ein Antriebselement blockiert ist. Dies wäre bei einer echten Kehrmaschine auch für den Fahrer sicherer.

Nachteile: Der Kehrwagen muss mit mehr Kraft angeschoben werden.

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Auffangvorrichtung
Könntest du dir eine Weiterentwicklung der Kehrmaschine vorstellen, bei der der Abfall nicht nur zur Seite gekehrt sondern auch aufgefangen wird?

Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler werden die folgenden Konzepte untersuchen:

Konstruktion und Technik
• Einsatz von mechanischen Komponenten – Kegelräder, Übersetzungen,
Riemenräder
• Tests und Verbesserungen
• Sicherheitssysteme

Wissenschaft
• Distanzen messen
• Reibung
• Wissenschaftliche Untersuchungen

9686 Naturwissenschaft und Technik Set (ein Set pro Zweiergruppe empfohlen)
Eine große Pappschachtel oder ein aufgestellter Kartonstreifen, um die herumfliegenden ‘Abfälle’ aufzuhalten. Eine Fläche von ca. 60 x 40 cm eignet sich optimal.
Als ‘Abfall’ können zusammengeknüllte Papierschnipsel, LEGO® Verbindungsstücke, Lager, zusammengeknüllte Pflanzenblätter oder ähnliches verwendet werden.

NwT / NT
• naturwissenschaftlicher Erkenntnisweg
• technische Arbeitsmethoden
• Produkt konstruieren und ggf. zeichnerisch darstellen
• Kräfte (Gewichtskraft, Reibungskraft)
• Übersetzungen (Getriebe)
• Tabellen
• bewerten und ggf. optimieren

Technik
• technischen Gegenstand konstruieren
• Zahnräder
• Getriebe
• Messwerte erfassen
• Konstruktion zeichnerisch darstellen
• beurteilen und verbessern

AWT / AL
• Kraftübertragung in einem Getriebe

BNT
• mehrteiliges Objekt herstellen
• Antrieb nutzen
• Herstellungsprozess eines Produktes beschreiben
• vergleichen und optimieren
• Experimente durchführen

Physik
• einfache Maschinen (Zahnradgetriebe, Hebel, Flaschenzug)
• Experimente durchführen
• Beobachtung und Erklärung unterscheiden
• Kräfte
• Kraftwandlern
• Reibung
• sprachliche und grafische Darstellungsformen nutzen
• Messgrößen

Materialien für Schülerinnen und Schüler

Schülerarbeitsblatt

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