Zugkraft und Reibung

• Beachten Sie die Hinweise im Kapitel „Unterrichtsvorbereitung”.
• Benutzen Sie die folgenden Seiten der Lehrerhandreichung, um sich mit dem Projekt, der Projektplanung, den verschiedenen Inhalten der drei Phasen und der integrierten Lernstandserhebung im Projekt vertraut zu machen.
• Definieren Sie Ihre Erwartungen und die Ihrer Schüler.
• Legen Sie die Ziele des Projekts fest:
Jeder Schüler sollte die Möglichkeit bekommen, zu bauen, zu programmieren und zu dokumentieren.
• Vergewissern Sie sich, dass die Schüler zum Erreichen der Ziele genügend Zeit zur Verfügung haben.

Das einführende Video kann als Grundlage genutzt werden, um mit den Schülern die folgenden Ideen zu diskutieren.

Video
Schon seit langer Zeit versuchen die Menschen, große und schwere Objekte zu bewegen. Bereits in der Antike wurden verschiedene Hilfsmittel eingesetzt, um Gegenstände an andere Orte zu ziehen. Auch heute noch nutzen wir verschiedene Hilfsmittel beim Ziehen von Gegenständen.

1. Wenn man einen Gegenstand nicht in eine bestimmte Richtung ziehen kann, liegt es daran, dass er gleichzeitig mit einer gleich großen oder größeren Kraft in die entgegengesetzte Richtung gezogen wird.
2. Wenn ein Gegenstand beginnt, sich in eine Richtung zu bewegen bedeutet das, dass die Zugkraft aus dieser Richtung größer ist.
3. Auf der Erde spielt auch die Erdanziehungskraft eine entscheidende Rolle.
4. Auf einer glatten Oberfläche ist es einfacher, Gegenstände zu ziehen, als auf einer rauen Oberfläche.

Im 17. Jahrhundert formulierte Isaac Newton die drei Grundgesetze der Bewegung, die auch heute noch als Newtonsche Axiome bekannt sind und das Fundament der klassischen Mechanik bilden.

Fragen für die Diskussion

1. Wie können Objekte bewegt werden?
   Damit sich ein Gegenstand bewegt, muss eine Kraft (z.B. Zugkraft) auf ihn einwirken.
2. Was ist Reibung?
   Reibung ist eine Kraft, die der Bewegung zweier sich berührender Objekte entgegenwirkt, sie hemmt oder verhindert – aber auch der Widerstand, den ein Objekt überwinden muss, um sich trotz Berührung mit einem anderen Objekt bewegen oder drehen zu können.
3. Wodurch wird die Reibung bei Gegenständen beeinflusst?
   Bei diesem Projekt kann die Reibung beispielsweise durch die Anordnung (übereinander gestapelt) oder die Lage der zu ziehenden Reifen (auf dem Rahmen) verringert werden.
4. Was ist Zugkraft?
   Zugkraft ist die Kraft, mit der ein Körper gezogen wird.
5. Wodurch kann die Zugkraft eines Roboters verbessert werden?
   Bei diesem Projekt kann die Zugkraft beispielsweise durch Verwendung anderer Räder (mit größerer Haftreibung) verbessert werden.

Lassen Sie die Schüler die Ergebnisse ihrer Diskussion im Dokumentationstool festhalten.

Zu diesem Zeitpunkt ist es durchaus möglich, dass die Schüler auf die Fragen noch falsche Vermutungen äußern. Im Rahmen des Projekts werden sie jedoch Erkenntnisse zu den Themen Zugkraft und Reibung gewinnen und anschließend die Fragen richtig beantworten können.

Ergänzende Fragen

1. Ist es einfacher, einen Gegenstand auf einem normalen oder auf einem glatten Untergrund zu ziehen?
   Es ist meist einfacher, einen Gegenstand auf einem glatten Untergrund zu ziehen. Je nach Masse des Gegenstandes kann es allerdings auch schwieriger sein, da man auf einem glatten Untergrund selber auch weniger Haftung (Haftreibung) hat.
2. Was passiert, wenn die Zugkraft auf der einen Seite größer ist als auf der anderen?
   Das Objekt bewegt sich in Richtung der größeren Zugkraft.

Einen Zugroboter bauen und programmieren
Anhand der Bauanleitung bauen die Schüler einen Zugroboter. Dieser kann Gegenstände ziehen, die sich in seiner Zugvorrichtung befinden.

1. Den Zugroboter bauen
Das Basismodell „Taumeln”, das bei dem Zugroboter zum Einsatz kommt, basiert auf einem Kegelradgetriebe. Das Kegelradgetriebe ändert die Richtung der Drehbewegung von vertikal auf horizontal und übertr.gt die Bewegung des Motors auf die Räder. Die Zugvorrichtung ist auf speziellen Bausteinen gelagert, um die Reibung zu reduzieren.

2. Den Zugroboter programmieren
Das Programm zeigt die Zahlen 3, 2, 1 auf der Anzeige auf der Programmierfläche des Geräts an und startet dann den Motor mit der Motorenleistung 10 für 2 Sekunden.

Vorschlag
Damit die Schüler das Programm richtig verstehen, geben Sie ihnen ausreichend Zeit, ein wenig mit den verschiedenen Programmeinstellungen zu experimentieren.

Den Zugroboter testen
Mithilfe des Zugroboters sollten die Schüler in der Lage sein, eigene
Untersuchungen zur Zugkraft und Reibung durchzuführen.

1. Wie viele kleine Reifen kann der Roboter gleichzeitig ziehen?
Ab einem Gewicht von ca. 300 g ist der Roboter nicht mehr in der Lage, Gegenstände zu bewegen.

2. Kann der Roboter mehr Reifen gleichzeitig ziehen, wenn ihr
• die Reifen im Rahmen aufeinanderstapelt?
• die Reifen auf den Rahmen legt?
Durch das Aufeinanderstapeln der Reifen verringert sich die Haftreibung. Der Roboter kann so mehr Reifen gleichzeitig ziehen. Werden die Reifen auf den Rahmen gelegt, reduziert sich die Haftreibung erneut, so dass der Roboter noch mehr Reifen gleichzeitig ziehen kann.

3. Wie kann die Zugkraft des Roboters verbessert werden?
Die Zugkraft des Roboters lässt sich beispielsweise durch eine andere Bereifung oder auch durch ein höheres Gewicht verbessern.

4. Kann der Roboter mehr Gewicht ziehen, wenn er Räder mit Gummireifen hat?
Durch die Gummireifen vergrößert sich die Haftreibung des Roboters und somit auch seine Zugkraft.

Wichtig
Achten Sie darauf, dass die Schüler immer zuerst ihre Vermutungen notieren, dann die Versuche durchführen und zum Schluss ihre Ergebnisse dokumentieren.

Vorschlag
Die Versuche können zusätzlich noch auf verschiedenen Untergründen (z.B. Holz, Stein, Teppich) durchgeführt werden.

Wenn Sie möchten, können Sie die Schüler noch den Expertenauftrag bearbeiten lassen. Beachten Sie, dass der Expertenauftrag auf den bereits durchgeführten Teilen des Projekts Zugkraft und Reibung aufbaut und als Ergänzung für ältere oder erfahrenere Schüler konzipiert wurde.

Expertenauftrag
Der Zugroboter, mit dem die Schüler die ersten Versuche durchgeführt haben, nutzt ein Kegelradgetriebe, um die Drehrichtung zu verändern. Das Kegelradgetriebe wirkt sich negativ auf die Zugkraft des Roboters aus.

1. Wie müssen der Roboter und der Rahmen gebaut sein, damit am meisten Gewicht gezogen werden kann? Schaut euch eure Versuchsergebnisse an. Baut euer Modell entsprechend um.

Lassen Sie die Schüler neue Robotermodelle bauen. Lassen Sie sie diese neuen Modelle testen und die Ergebnisse mit denen der ersten Untersuchungen vergleichen. Machen Sie die Schüler darauf aufmerksam, dass sie der Konstruktionsbibliothek weitere Anregungen entnehmen können.

Vorschlag Zusammenarbeit
Veranstalten Sie ein Roboter-Tauziehen.
• Bilden Sie Teams mit jeweils zwei Robotern.
• Binden Sie die Roboter mit der LEGO^® Kette „Rücken an Rücken” aneinander.
• Lassen Sie die Schüler die Motoren der Roboter auf ein bestimmtes Signal hin gleichzeitig starten. Welcher Roboter ist der stärkste der Klasse?

Die Dokumentation überarbeiten
Projekte können auf unterschiedliche Weise dokumentiert werden:
• Stellen Sie sicher, dass die Schüler die Ergebnisse ihrer Tests im Dokumentationstool festhalten.
• Lassen Sie die Schüler einander die Ergebnisse ihrer Untersuchungen vorstellen.
• Lassen Sie die Schüler mit eigenen Worten beschreiben, wodurch die Reibung bei Gegenständen und die Zugkraft von Robotern beeinflusst
werden kann.
• Lassen Sie die Schüler ihre Präsentationen mithilfe des Dokumentationstools fertigstellen. Dabei können sie noch wichtige Informationen, Bilder, Videos oder Bildschirmfotos ergänzen.

Vorschlag
Die Schüler können die Ergebnisse ihrer Versuche in einer Tabelle oder einer Grafik festhalten. Sie können auch ein Dokumentationsvideo aufnehmen, in dem sie ihr Projekt der Klasse vorstellen.

Präsentation
Lassen Sie die Schüler am Ende des Projekts ihre Ergebnisse präsentieren.

Vorschlag
Um die Präsentationen der Schüler noch zu verbessern, können Sie darauf achten, dass sie
• Begriffe wie Kraft, Zugkraft und Reibung richtig benutzen
• Pfeile einzeichnen, um die Kraft darzustellen
• Situationen in ihrem Alltag beschreiben, in denen Zugkraft und/oder Reibung auf Gegenstände oder Körper wirken.

Projekttyp: Forschung
In den drei Projektphasen werden Ihre Schüler verschiedene Arten von Fertigkeiten,
Fähigkeiten und Kompetenzen anwenden und weiterentwickeln. Im Folgenden finden
Sie einige Anregungen für die Erhebung des Lernstandes und Lernfortschritts Ihrer
Schüler, ausgerichtet auf die Thematik des Projektes und gegliedert nach den drei
Phasen.

Erforschungsphase
Die Schüler können

1. Ideen und Vorschläge für mögliche Antworten auf die Fragen zum Thema Zugkraft und Reibung erarbeiten.
2. aktiv zur Zusammenarbeit mit Mitschülern im Team beitragen und engagiert an
   der Beantwortung der Fragen mitarbeiten.
3. Vermutungen zum Verständnis von Zugkraft und Reibung äußern und mit eigenen Worten beschreiben. (Zu diesem Zeitpunkt können ihre Vorstellungen und Erklärungen teilweise noch unzureichend sein, etwa in puncto Genauigkeit oder Verwendung der richtigen Fachausdrücke.)

Entwicklungsphase
Die Schüler können

1. einen Zugroboter konstruieren, der ihnen helfen kann, ihre Ideen und Lösungsvorschläge (ihre Hypothesen) anhand der gesammelten Testergebnisse
   zu überprüfen.
2. in Teams zusammenarbeiten und aktiv zum Verständnis des Zusammenhangs
   zwischen Zugkraft und Reibung bei sich bewegenden Objekten beitragen.
3. die verschiedenen praktischen Aspekte des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses anwenden.
   4.verstehen, weshalb sie den wissenschaftlichen Prozess in diesem Zusammenhang verwenden, um Antworten auf ihre Fragen zu erhalten.

Ergebnisphase
Die Schüler können

1. ihre Präsentationsfähigkeiten in Zusammenarbeit mit ihrem Team entwickeln
2. die erarbeiteten Ergebnisse präsentieren und ihre Lösungsvorschläge und Ideen
   durch relevante Beispiele untermauern
3. während der Präsentation und in ihrem fertigen Dokument Zugkraft und Reibung
   adäquat erklären
4. erläutern, ob und inwiefern ihre ersten Vorstellungen und ihr anfängliches Verständnis von Zugkraft und Reibung richtig waren.

Erwägen Sie ggf. andere Arten der Präsentation für das nächste Projekt. So können Sie gezielt daran arbeiten, das Selbstvertrauen von Schülern, denen die Präsentation besonders schwergefallen ist, zu stärken.

Es wird empfohlen, mit diesem Projekt zu beginnen.

Um den Lernerfolg Ihrer Schüler sicherzustellen, geben Sie ihnen ggf. mehr Hilfestellungen beim Konstruieren, Programmieren und Dokumentieren:
• Erklären Sie die Verwendung des Motors
• Erklären Sie einfache Programme
• Zeigen Sie den Schülern, wie man eine Untersuchung durchführt
• Definieren Sie inhaltliche Schwerpunkte, wie etwa Zugkraft und Reibung.

Geben Sie genau vor, wie die Schüler ihre Projekte und Ergebnisse präsentieren sollen.

Weiterführende Forschung
Als zusätzliche Herausforderung können die Schüler eigenständig weiterführende Untersuchungen mit ihren Modellen durchführen. Sie können ihre Modelle auch umgestalten und erneut untersuchen oder umprogrammieren. So können sie sich ergänzende und weiterführende Erkenntnisse aneignen.

Schülervorstellungen
Schüler glauben häufig, dass auf Gegenstände, die sich nicht bewegen, auch keine Kräfte wirken. Ein gutes Beispiel ist ein Auto, das mit angezogenen Bremsen auf einer abschüssigen Straße steht. Die Schüler denken, dass auf dieses Auto keine Kräfte wirken (können), da es sich nicht bewegt. Diese Annahme ist wissenschaftlich nicht korrekt.

Die Schülervorstellungen bieten eine hervorragende Lernmöglichkeit. Sie können diese im Unterricht aktiv aufgreifen und hinterfragen. Dies kann Ihren Schülern beim Verstehen der Konzepte und Verwenden der korrekten Fachbegriffe helfen.