Naturwissenschaft und Technik Set

Die Windmühle

Erkunde die wissenschaftlichen Grundlagen physikalischer Kräfte und Bewegung, erneuerbarer Energie, Energiegewinnung, -speicherung und -nutzung.

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

5-10 Minuten

Jack und Jill haben in der Nähe einer alten Mine eine große, vergrabene Schatztruhe gefunden, die allerdings auch sehr schwer ist. Selbst unter Aufbietung all ihrer Kräfte schaffen es die beiden nicht, die Schatztruhe aus dem Erdloch zu heben.

In der Nähe steht eine alte Windmühle, mit deren Kraft früher Wasser aus der Mine befördert wurde, und die beiden fragen sich, ob sie die Mühlenkraft nicht ausnutzen könnten.

Ihr Hund Zog hat beim Ausgraben der Truhe ganze Arbeit geleistet und ruht sich nun verdientermaßen aus. Er trottet ein paar Meter weiter, um ein ruhiges Plätzchen zu finden; dabei fällt ihm jedoch ein langes Stück Seil auf. Sofort rennt er zurück zu Jack und Jill und möchte mit der neuen ‘Hundeleine’ ausgeführt werden.

Jack denkt unterdessen nach: Er hatte einmal einen Film gesehen, in dem ein Mühle benutzt wurde, um etwas anzuheben. Als er das Seil sieht, kommt ihm plötzlich eine Idee, in die er Jill sogleich einweiht. Nun haben die beiden einen Plan, wie der Schatz aus dem Loch gehoben werden kann!

Kann man mit einer Windmühle und einem Seil eine schwere Last hochheben? Finden wir es heraus!

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2. Aufbau

20-25 Minuten

Baue die Windmühle zusammen
(Alle Schritte in Heft 8A und Heft 8B bis Seite 12, Schritt 17.)

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Drehe die Mühle mit der Hand. Läuft sie leichtgängig? Wenn beim Drehen besondere Widerstände auftreten, löse die Achslager ein wenig und stelle sicher, dass alle anderen Bausteine fest zusammengesetzt sind

Windmühle aufstellen

  • Stelle den Ventilator auf dem Fußboden in der Nähe einer Steckdose auf
  • Platziere das Modell in einem Abstand von ca. 2 m
  • Wähle eine Leistungsstufe und positioniere das Modell in dem Abstand, in dem der Luftstrom AUSREICHT, um den Gewichtsstein langsam hochzuheben.
  • BEHALTE DIESE LEISTUNGSEINSTELLUNG AM VENTILATOR WÄHREND SÄMTLICHER TESTS BEI (es sei denn, du möchtest die Auswirkungen verschiedener Windgeschwindigkeiten testen)
  • Ziehe vor der Windmühle eine lange Linie (z.B. mit Klebeband). Hier ist der sichere Testbereich; hinter der Linie können mehrere Gruppen ihre Windmühlen gleichzeitig testen. Es muss nur dafür gesorgt sein, dass alle Mühlen einen etwa gleichstarken Luftstrom erhalten
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3. Beobachtung

20-25 Minuten

Welche Anzahl an Windmühlenflügeln ist am besten geeignet?
Versuche vorauszusagen, mit welchem Flügelaufbau die Hebung des Schatzes (Gewichtsstein) am schnellsten vorangeht. Kannst du den Grund dafür erklären?

Der Aufbau Nr. 3 funktioniert am besten. Er bietet dem Wind die meiste Fläche. Und: Überraschung – Beispiel Nr. 2 mit dem unausgeglichenen Flügelaufbau liefert normalerweise die schlechtesten Resultate. Dieser Aufbau ist zu schlecht ausbalanciert, um eine gute Leistung abzugeben, obwohl er über einen Flügel mehr als Aufbau 1 verfügt.

Anregung:
Spielt die Flügelform eine Rolle? Wenn du ein bisschen Zeit hast, kannst du verschieden geformte Flügel aus Karton fertigen. Diese sollten jedoch dieselbe Fläche aufweisen wie die Flügel deines Modells.

Hinweis:
Ein Flügel besitzt eine Fläche von ca. 40 Quadratzentimetern.

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Was bewirkt die Sperrklinke, wenn:
Die Last angehoben ist und der Wind plötzlich aufhört?
Die Mühle hält an, aber die Sperrklinke verhindert, dass die schwere Last wieder zu Boden fällt. Eine ausgezeichnete Sicherheitseinrichtung.

Der Wind bläst und du die Sperrklinke in diese Position stellst?
Die Mühle wird blockiert. Die ‘Kräfte wirken nun einander entgegen’.

Wenn die Last hochgezogen ist, der Wind aufhört und du die Sperrklinke in diese Position stellst?
Die Mühle wird zum Ventilator umfunktioniert – der Antrieb erfolgt aus der gespeicherten Energie der fallenden Last. Du bekommst den Wind praktisch zurück!

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Gummiband als Kraftmesser
Befestige ein Gummiband oder eine Federwaage am Hebeseil, damit du die Hebekraft der Mühle messen kannst. Du kannst die Kraft anhand der Streckung messen. Die Kraft der Mühle ist mitunter wirklich erstaunlich!

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4. Ausbau und Verbesserung

25-30 Minuten

Jetzt geht’s rund!
Können wir Energie speichern und zu einem späteren Zeitpunkt nutzen?

Bei dieser Übung kurbeln wir das Gewicht einfach mit der Hand nach oben. Du kannst das Gewicht natürlich auf mit Windkraft anheben, wenn du anschließend vor der Kreiselfreigabe die Flügel abbaust.

Entferne das Getriebe entsprechend der Anleitung auf Seite 14, Schritt 1 und baue 3 verschiedene Kreisel zusammen wie auf Seite 14, Schritt 16 gezeigt.

Schon gewusst?
Das Gewicht der verschiedenen Kreisel beträgt etwa:
2 g
8 g
16 g

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  • Kurble das Gewicht nach oben (Energiezufuhr) und stelle die Sperrklinke so, dass das Gewicht oben gehalten wird (Energiespeicherung)
  • Bringe eine Kreisel an der Mühle an
  • Positioniere das Gewicht so, dass es neben der Tischkante nach unten fallen kann
  • Stelle die Sperrklinke um, damit der Gewichtsstein seine Lageenergie freigeben und den Kreisel antreiben kann
  • Hebe die Mühle hoch, um den Kreisel freizugeben
  • Diese Handgriffe sind ein wenig kompliziert – also unternehme ein paar Übungsversuche
  • Welcher Kreisel dreht sich am längsten? Warum? Sage voraus, welcher Kreisel sich am längsten dreht und führe dann
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Noch mehr Kreisel
Erfinde weitere Kreisel, mit denen du vielleicht noch höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten und längere Kreiselzeiten erzielen kannst.

Entwerfe dein eigenes Kreiselspiel mit speziellem Punktesystem.

Unterstützung für Lehrkräfte

Die Schülerinnen und Schüler werden die folgenden Konzepte untersuchen:

  • Mechanismen - Getriebe auf und ab
  • Ratschen
  • Sicherheits- und Kontrollsysteme
  • Kräfte und Bewegung
  • Erneuerbare Energie
  • Gewicht messen
  • Messzeit
  • Macht
  • Faires Testen
  • Energieerfassung, -speicherung und -nutzung
  • Wissenschaftliche Untersuchung
  • 9686 Naturwissenschaft und Technik Set (ein Set pro Zweiergruppe empfohlen)
  • Natürlicher Wind oder Ventilator
  • Messinggewichte oder Knet
  • Stoppuhr oder eine andere Uhr mit Sekundenzeiger
  • Optional: Karton und Schere zur Anfertigung eigener Windmühlenflügel

NwT / NT

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

Technik

  • Zukunftsorientierte Antriebssysteme und regenerative Energien
  • Energiewandlung
  • Messwerte erfassen
  • technischen Gegenstand konstruieren
  • Zahnräder
  • Konstruktion zeichnerisch darstellen
  • beurteilen und
  • verbessern

AWT / AL

  • alternative Antriebssysteme

BNT

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

Physik

  • einfache Maschinen (Zahnradgetriebe, Hebel, Flaschenzug)
  • Experimente durchführen
  • Beobachtung und Erklärung unterscheiden
  • Kräfte
  • Kraftwandlern
  • Reibung
  • Lageenergie, Bewegungsenergie
  • Energieumwandlungen
  • Arbeit
  • Leistung
  • sprachliche und grafische Darstellungsformen nutzen
  • Messgrößen

Materialien für Schülerinnen und Schüler

Schülerarbeitsblatt

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