Informationsblatt 25: Übertragung von Bewegung

Publikation:	26.3.2009
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aus den [französischen] Lehrplänen

Lernstufe 2:

Gegenstände und Materialien

Gegenstände, ihren Gebrauch und ihre Handhabung entdecken; zugehörige Sicherheitsregeln.

Lernstufe 3:

Die von Menschen konstruierte Welt

Mechanische Geräte; Übertragung von Bewegung

Erschwernisse durch den gängigen Sprachgebrauch

Siehe Informationsblatt 24: Hebel und Waagen, besonders den Abschnitt, den Begriff "Kraft" betreffend.

Erschwernisse aufgrund von vorgefassten Meinungen der Schüler/innen

Hier ist nichts Besonderes zu bemerken. Im Gegenteil, die Schüler/innen begreifen mechanische Geräte eher sehr gut: Sie entsprechen ihrer Art des Denkens über Ursache und Wirkung.

Ein paar Klippen an denen Beobachtung und Experiment scheitern könnten

Die Mechanik der Geräte sollte nicht isoliert betrachtet werden, sondern nur im Zusammenhang mit den realen Geräten, deren Nützlichkeit den Schüler/inne/n geläufig ist. Es sollte unbedingt mit gutem Material gearbeitet werden. Das bedeutet, dass die Auswahl der Geräte, die gebaut werden können, von den Ressourcen der Schule abhängt.

Eine quantitative Untersuchung von Getrieben (umgekehrte Proportionalität von Umdrehungszahl und Anzahl der Zähne eines Zahnrads) ist im [französischen] Lehrplan nicht vorgesehen. Eine eventuelle Vertiefung des Unterrichts in dieser Richtung sollte dem qualitativen Interesse an Getrieben nicht abträglich sein.

Kenntnisse

Die folgende Liste soll den Blick der Lehrenden auf die Nützlichkeit der gebräuchlichsten Mechaniken unterstützen.

Mechanik	Funktion	Verwendungsbeispiele
Einfache Rolle	Eine Bewegung so übertragen, dass die Richtung der Anstrengung (der Kraft) verändert wird, nicht aber ihre Intensität. Eine einfache Rolle ist hauptsächlich dazu da, dem/der Arbeiter/in für seine/ihre Tätigkeit eine bequemere Stellung zu ermöglichen.	Hebewerkzeug, Kran
Getriebe (zwei ineinander greifende Zahnräder); Kraftübertragung durch Kettengetriebe	Drehbewegungen übertragen und/oder umwandeln, so dass Anstrengung (Kraft) und Rotationsgeschwindigkeit verändert werden (in einer durch die eingesetzten Teile fest vorgegebenen Weise, siehe Abschnitt "Mehr zum Thema").	Bohrmaschine, Gangschaltung (Fahrrad), Salatschleuder, Kran... Stichsäge, Nähmaschine...
Pleuelstange und Kurbelwelle	Umwandlung einer Drehbewegung in eine linear oszillierende (hin- und hergehende) Bewegung und umgekehrt.	Motorkolben...
Antriebsritzel und Zahnstange	Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung.	Zahnradbahn, Schleusentore, Binokular, Mikroskop...

Mehr zum Thema

Die relevante physikalische Größe bei der Drehbewegung ist das Drehmoment. Es stellt in gewisser Weise "die Anstrengung (Kraft) dar, die eingesetzt werden muss, um etwas zu drehen". Die Lehrenden sind in keiner Weise verpflichtet, sich dieses Wissen anzueignen und es ist auch nicht sinnvoll, die Schüler/innen damit zu belasten.

Alle Mechanismen zur Übertragung von Bewegung übertragen auch Energie. Im Idealfall sind die Reibungsverluste zu vernachlässigen, und die herauskommende Energie ist gleich der hineingesteckten Energie. In Wirklichkeit ist die herauskommende Energie immer etwas kleiner, ein Teil wird durch Reibung in Wärme umgewandelt.

Während die Energie erhalten bleibt, ändern sich die anderen physikalischen Parameter sehr wohl (ausgeübte Kraft, Rotationsgeschwindigkeit). Zum Beispiel hat man im Fall des Getriebes zwei Möglichkeiten: Wenn man das große Zahnrad (Eingangsrad) dreht, um das kleine (Ausgangsrad) zu bewegen, erhöht man die Rotationsgeschwindigkeit und reduziert das Drehmoment. Nimmt man umgekehrt ein kleines Zahnrad als Eingangsrad und ein großes am "Ausgang", so erhält man ein größeres Drehmoment und eine kleinere Drehgeschwindigkeit. Dies lässt sich leicht an der Konstruktion eines Krans zeigen: Wenn man eine große Last heben will, verkleinert man nach Möglichkeit das Eingangszahnrad und vergrößert das Ausgangsrad. Die Hebegeschwindigkeit wird dadurch natürlich kleiner. Es ist grundsätzlich unmöglich, an beiden Fronten zu gewinnen.