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Homepage > Aktivitäten > Mechanik > Bewegung > Ich bin öko-mobil! > Große Erfindungen > 4: Die Eisenbahn > Welche Vorteile bietet die Schiene?

4.1: Welche Vorteile bietet die Schiene?

Autor/inn/en:
Publikation: 26.3.2015
Lernstufe: 3
Übersicht: Die Schüler experimentieren und finden heraus, dass die Schiene sich hervorragend zum Transport schwerer Lasten eignet – sogar auf einem lockeren Untergrund (wie zum Beispiel Sand oder Kies).
Angestrebte Kenntnisse:
  • Seit dem Ende des 18. Jahrhunderts werden Personen und schwere Las­ten auf Schienen befördert.
  • Auf einem lockeren Untergrund erleichtern (bzw. ermöglichen) Schienen den Transport schwerer Lasten.
  • Schienen verhindern das Einsinken der Last im (lockeren) Boden.
  • Schienen führen die Bewegung des Zugs.
Wortschatz: Schiene, lockerer Boden
Dauer: 1 Stunde
Material: Für jede Gruppe:
  • Sand, Kies oder Grieß
  • ein großes Tablett oder ein Backblech
  • Schienen und Wagons einer Modelleisenbahn (je schwerer desto besser)
  • falls nötig, Gewichte zum Beschweren der Waggons
  • optional: ein Federkraftmesser (5 N)
  • Schnur
Herkunft: La main à la pâte, Paris

Ausgangsfrage

Den Schülern wird die folgende Frage gestellt: "Wie kann man eine schwere Last auf lockerem Untergrund transportieren?. Wenn nötig, wird erklärt, was mit lockerem Untergrund gemeint ist: Boden, auf dem man einsinkt. Im Laufe der Diskussion wird festgestellt, dass sich eine schwere Last in einen solchen Boden "eingräbt". Die Frage kann dann auch anders gestellt werden: "Wie verhindert man das Einsinken?".

Experiment (Gruppenarbeit)

Die in Gruppen eingeteilten Schüler überlegen, wie man es anstellen könnte, dass eine schwere Last in einem lockeren Untergrund (zum Beispiel Sand oder Grieß auf einem Tablett) nicht einsinkt, wenn sie bewegt wird. Es werden Vor­schläge kommen wie: "Man müsste die Last auf einer großflächigen Unter­lage transportieren (zum Beispiel auf einem Lineal)". Denjenigen, die keine Ideen haben, kann man auf die Sprünge helfen, indem man sie fragt, wie man sich in hohem Schnee fortbewegen kann, ohne einzusinken: Man nimmt Schneeschu­he oder Skier. Oder man fragt sie, was einfacher ist: einen einzelnen Finger oder eine ganze Hand in den Sand zu drücken.

Foto: Mit und ohne Schiene in Grieß

Abb. 1: Transport mit und ohne "Schiene" auf lockerem Untergrund (Grieß) [1]

Gemeinsame Erörterung

Die Frage des Lastentransports bekommt einen neuen Schwerpunkt: Wie lässt sich vermeiden, dass die Räder sich im Boden eingraben? Im eben durchgeführ­ten Experiment hat sich gezeigt, dass eine vergrößerte Auflagefläche hilfreich sein kann. Die Klasse überlegt, wie man diese Erkenntnis praktisch umsetzen könnte.

Falls die Schüler nicht von selbst an Schienen denken, fragt man zum Bei­spiel: "Kennt ihr ein Verkehrsmittel, bei dem die Räder nicht unmittelbar den Boden berühren, sondern auf einer hinreichend großflächigen Unterlage laufen?".

Experiment (Gruppenarbeit)

Die in Gruppen aufgeteilten Schüler denken sich ein Experiment aus, das zeigt, wie mithilfe von Schienen vermieden werden kann, dass sich beim Transport schwerer Lasten die Räder im lockeren Untergrund eingraben.

Falls die Klasse schon mit Federkraftmessern gearbeitet hat (in der Unter­richtseinheit über das Rad zum Beispiel), werden diese ganz von selbst bei der Planung des Experiments ins Spiel gebracht. Falls nicht, reicht es fürs Erste, wenn der Unterschied ohne/mit Schiene "gefühlt" wird. Wenn die Kinder den Unterschied messen wollen, wird der Kraftmesser eingeführt. Der Lehrer zeigt der Klasse, wie er funktioniert und wie man die aufgewendete Kraft abliest.

Foto: Transport einer Last mit dem Zug

Abb. 2: Links: Der beladene Waggon gräbt sich in den Sand ein, die nötige Zugkraft beträgt 1 N. Rechts: Der beladene Waggon läuft auf Schienen, die Zugkraft beträgt nur noch 0,5 N [1].

Falls die Waggons sehr leicht sind, müssen sie belastet werden, damit sie tiefer in den Sand einsinken. Bei manchen Waggons (mit sehr kleinen Rädern) sollte man vielleicht zuerst das Experiment auf Schienen durchführen, weil der Sand unter Umständen die Räder blockieren könnte.

Die Schüler formulieren, was sie beim Ziehen der Last mit und ohne Schienen gespürt haben. Sie stellen fest, dass die Schienen den Transport erleichtern, weil sich die Räder nicht im lockeren Boden eingraben können. Ein weiterer Vorteil der Schienen ist, dass sie die Bewegung führen.

Zusammenfassung

Die Klasse formuliert gemeinsam eine Schlussfolgerung.

Beispiel: Schienen verteilen die Last besser und ermöglichen auf diese Weise den Transport über einen lockeren Untergrund.

Wissenschaftliche Anmerkungen

  • Ein weiterer Vorzug von Schienen, den man eventuell mit der Klasse un­tersuchen kann, ist die verminderte Reibung (die Reibung eines Metall­rads auf einer Metallschiene ist sehr gering), wodurch der Transport schwerer Lasten noch weiter erleichtert wird. Aus dieser Tatsache folgt, dass beim Eisenbahntransport viel Energie eingespart werden kann. Dank der geringen Reibung können erfahrene Lokomotivführer den Zug bergab schon bei geringem Gefälle "im Leerlauf" laufen lassen. Da­gegen ist die geringe Reibung beim Anfahren und am Berg ein Problem: Die Lokomotive muss ihre Kraft von den Rädern auf die Schienen über­tragen können, damit der Zug in Bewegung kommt (bleibt). Die Lokomo­tiven sind daher mit Sandkästen ausgerüstet, um die Schienen beim Anfahren oder wenn die Räder durchdrehen (bei Nässe oder Vereisung) mit etwas Sand zu bestreuen.
  • Auch beim Bremsen wird die geringe Reibung zum Problem: Ein Hochge­schwindigkeitszug, der mit 300 km/h fährt, kommt bei einer Notbrem­sung erst nach 3 Kilometern zum Stillstand. Man muss wissen, dass die Kontaktfläche der Räder mit den Schienen für den ganzen Zug nicht einmal Postkartengröße erreicht (Beispiel TGV: etwa 1 cm2 pro Rad mal 52 für die Zahl der Räder).

Fußnote

1: Abb. 1: 5. Klasse von Marion Fouret (Le Kremlin-Bicêtre)
Abb. 2: 6. Klasse von Sophie Gouet (Paris)

Letzte Aktualisierung: 27.6.2016

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