Informationsblatt 25: Übertragung von Bewegung
Publikation: | 26.3.2009 |
Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Aus den 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
Hier ist nichts Besonderes zu bemerken. Im Gegenteil, die Schüler 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 Schülern 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) geht über die Lehrpläne für die Grundschule hinaus. 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 Lehrer 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 Arbeiter für seine Tätigkeit eine bequemere Stellung zu ermöglichen. | Hebewerkzeug, Kran |
Getriebe (zwei ineinandergreifende 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, ... |
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 Lehrer sind in keiner Weise verpflichtet, sich dieses Wissen anzueignen, und es ist auch nicht sinnvoll, die Schüler 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.
Einsatz der Kenntnisse in anderen Zusammenhängen, verwandte Begriffe
Letzte Aktualisierung: 29.11.2023