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Homepage > Aktivitäten > Mechanik > Bewegung > Ich bin öko-mobil! – Bildung für eine nachhaltige Mobilität > Große Erfindungen > 2: Das Rad > Gewicht, Steigung und Bodenbeschaffenheit

2.2: Welche Rolle spielen Gewicht, Steigung und Bodenbeschaffenheit?

1 2.1: Wie lassen sich schwere Lasten transportieren? 2 2.2: Welche Rolle spielen Gewicht, Steigung und Bodenbeschaffenheit? 3 2.3: Die Erfindung des Rads
Autor/inn/en:
Publikation: 17.3.2015
Lernstufen: 23
Übersicht: Die Schüler suchen und finden Faktoren, die den Lastentransport erschwe­ren. Sie denken sich aus, wie sie die Wirkung dieser Faktoren testen kön­nen und messen jedes Mal die erforderliche Kraft.
Angestrebte Kenntnisse:
  • Um eine Last zu bewegen, muss man eine Kraft aufwenden.
  • Mit einem Federkraftmesser kann diese Kraft gemessen werden.
  • Der Transport des Gegenstands wird erschwert, wenn:
    • der Gegenstand schwer ist (eine große Masse hat),
    • die Steigung groß ist (und man die Last nach oben bewegen möchte),
    • die Reibung am Boden groß ist.
Wortschatz: Reibung, Rauheit, Neigung
Dauer: 1 Stunde
Material: Für jede Gruppe:
  • 1 Federkraftmesser (siehe vorherige Unterrichtseinheit). Falls man kei­nen hat, Gummibänder.
  • ein Behälter (z. B. ein Schuhkarton), in den man eine Last legen und an den man den Kraftmesser befestigen kann.
  • je nach den untersuchten Faktoren: verschiedene Böden (Teppich, Par­kett, Beton, Gras, Plexiglas), verschiedene Gegenstän­de (zum Bei­spiel Bücher), ein größeres Brett als Rampe mit variabler Neigung
  • das Arbeitsblatt 4: "Experimente zur Reibung"
Herkunft: La main à la pâte, Paris

Ausgangsfrage

Zu Beginn der Unterrichtsstunde sollten sich die Schüler kurz ins Gedächtnis zurückrufen, wie der Federkraftmesser verwendet wird. Auch sollten sie nachschauen, ob der Nullpunkt des Instruments richtig eingestellt ist. Dann fragt die Lehrerin: "Wodurch wird der Transport einer schweren Last müh­samer?".

Die Schüler denken ans Gewicht (je schwerer, desto mühsamer), an die Stei­gung (je steiler, desto schwieriger), an die Bodenbeschaffenheit (auf glatter Oberfläche gleitet die Last besser; und/oder eine Last mit glattem Boden glei­tet besser).

Gemeinsam erstellt die Klasse einen Arbeitsplan, um den Einfluss der verschie­denen Faktoren zu testen. Jede Gruppe untersucht mithilfe des Federkraft­messers einen Parameter (siehe weiter unten).

Pädagogische Anmerkung

Diese Unterrichtsstunde ist auch deshalb interessant, weil ein wesentlicher Aspekt des wissenschaftlichen Experimentierens eine Rolle spielt: Man ver­ändert jeweils nur einen Parameter. Man kann die Schüler fragen: "Wel­che Schlussfolgerung kann man aus einem Experiment ziehen, wenn man zum Beispiel gleichzeitig das Gewicht und die Neigung ändert?".

Besonders bei der Veränderung des Gewichts muss man darauf achten, dass weder die Auflagefläche noch die Bodenbeschaffenheit der Last verändert werden. Deshalb ist zum Beispiel ein Schuhkarton besonders günstig: Auf­lagefläche und Boden des Schuhkartons bleiben gleich, lediglich der Inhalt (unterschiedlich viele Bücher zum Beispiel) ändert sich – und damit das Ge­wicht der Last. Um Zeit zu gewinnen, kann man das Arbeitsblatt 4 (Experi­mente zur Reibung) verteilen, in das die Gruppen ihre Messergebnisse ein­tragen können.

Experiment (Gruppenarbeit)

Die Klasse wird in mehrere Gruppen aufgeteilt. Jede Gruppe untersucht einen einzigen Faktor/Parameter (Bodenbeschaffenheit, Neigung, Gewicht, und even­tuell weitere von den Schülern vorgeschlagene Parameter. Die Messergeb­nisse können in das Arbeitsblatt 4 eingetragen werden.

Gruppe "Bodenbeschaffenheit"

Es werden verschiedene Böden untersucht: Teppich, Parkett, Fliesen, Beton, Gras, Plexiglas usw.

Zwei Fotos: Kinder ziehen eine Kiste mit Büchern über Sand bzw. Gras

Abb. 1: Zwei Kinder ziehen eine Kiste mit Büchern über Sand (oben) und Gras (unten) [1].

Es kann sein, dass der 10-Newton-Federkraftmesser manchmal nicht aus­reicht. Man sollte auf das Gewicht der Gegenstände achten. Notfalls muss ein 5-Newton- oder ein 50-Newton-Federkraftmesser eingesetzt werden.

Versuchsprotokoll zum Einfluss der Bodenbeschaffenheit

Abb. 2: Versuchsprotokoll zum Einfluss der Bodenbeschaffenheit [1]

Gruppe "Neigung"

Mithilfe eines größeren Bretts lassen sich verschiedene Steigungen realisieren. Es wird für jedes Gefälle die Kraft gemessen, die aufgebracht werden muss, um die Last den "Berg" hoch zu ziehen.

Foto: Mappe mit Inhalt wird entlang eines
schrägen Tischs nach oben gezogen

Abb. 3: Eine mit Heften gefüllte Plastikmappe wird entlang eines schrägen Tischs nach oben gezogen. Ein Kind misst mit einem Federkraftmesser die erforderliche Kraft [1].

Versuchsprotokoll zum Einfluss der Neigung

Abb. 4: Versuchsprotokoll zum Einfluss der Neigung [1]

Gruppe "Last"

Um zu überprüfen, wie sich die Last (das Gewicht) auf die aufzubringende Kraft auswirkt, nimmt man am besten einen Schuhkarton oder Ähnliches und befüllt ihn mit einer unterschiedlichen Anzahl von Büchern. So bleiben die an­deren Parameter wie Form, Auflagefläche und Rauheit der Auflagefläche gleich. Diese Gruppe ist möglicherweise schneller fertig als die anderen. Gege­benen­falls kann sie noch einen anderen Parameter untersuchen.

Foto: Messung der Kraft zum Ziehen einer Bücherkiste

Abb. 5: Ein Junge misst die Kraft, die aufgewendet werden muss, um die Kiste mit Büchern zu ziehen [1].

Anordnung Kraft in N
ohne Bücher 0,25
3 Bücher 2,5
6 Bücher 8
8 Bücher 10

Gemeinsame Erörterung

Ein Schüler jeder Gruppe stellt die jeweiligen Messungen und Ergebnisse an der Tafel vor. Die Schüler tragen die Messungen in das Arbeitsblatt 4 ein. Sie dis­kutieren über den Einfluss der verschiedenen Faktoren.

Zusammenfassung

Die Klasse formuliert gemeinsam eine Schlussfolgerung.

Beispiel: Bestimmte Faktoren erschweren den Transport eines Gegen­stands: die Bodenreibung, das Gewicht des Gegenstands, das Gefälle (einer Steigung).

Diese Schlussfolgerung lässt sich durch eine Diskussion ergänzen über die Art und Weise, wie die Ergebnisse experimentell gewonnen wurden. Ein wissen­schaftliches Experiment muss mehreren Kriterien genügen: In erster Linie muss das Ergebnis wiederholbar sein (Reproduzierbarkeit: Wenn mehrere Gruppen das gleiche Experiment machen, sollten die Ergebnisse miteinander vereinbar sein), zweitens müssen die Parameter sich trennen lassen (ein eindeutiges Ergebnis erhält man nur, wenn nicht mehr als ein Parameter gleichzeitig verän­dert wird). So wird diese Unterrichtsstunde zu einer guten Einführung ins Nach­denken über wissenschaftliches Arbeiten und über das, was "wissen­schaftlich" ist.

Mögliche Erweiterung

Im Mathematikunterricht kann man mit den Ergebnissen dieser Unterrichts­stunde das Erstellen von Diagrammen üben.

Wissenschaftliche Anmerkung

Wird ein Gegenstand bewegt (wenn jemand ihn anschiebt zum Beispiel), so wirkt die Bodenreibung bremsend. Man muss diese Reibung gering halten, wenn man den Transport einer Last erleichtern will.

Falls sich etwas jedoch "selbst antreibt" (ein Auto oder ein Fußgänger zum Beispiel), ist die Reibung von entscheidender Bedeutung: Nur durch die Reibung wird die bewegende Kraft auf den Boden übertragen. Ohne Reibung oder bei zu geringer Reibung (etwa bei Glatteis) kommt weder das Auto in Bewegung noch kann man "normal" gehen.

Es gibt Haft-, Gleit- und Rollreibung. Die Haftreibung muss überwunden wer­den, wenn man etwas in Bewegung versetzen möchte (wenn man also zum Beispiel eine zuvor ruhende Bücherkiste anschiebt). Die Gleitreibung ist die Reibung, die wirkt, wenn etwas schon in Bewegung ist. Sie ist kleiner als die Haftreibung (wenn man die Bücherkiste erstmal angeschoben hat, fällt das weitere Schieben leichter – aber auch nur, wenn für den Schiebenden die Haftreibung zwischen Schuhsohle und Boden groß genug ist). Die Rollreibung ist noch kleiner als die Gleitreibung. Das ist die Reibung, die Autos, Fahrrä­der und alles, was Rollen oder Räder hat, überhaupt erst ermöglicht voran­zukommen.


Fußnote

1: Abb. 1 und 5: 4. und 5. Klasse von Sylvie Rebet (Megève)
Abb. 2: Klassen 1 bis 5 von Marion Olivier und Marie Mellet (Paris)
Abb. 3 und 4: 5. Klasse von Anne-Marie Lebrun (Bourg-la-Reine)

Letzte Aktualisierung: 18.1.2017

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