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REStARTS:
Das Experimentierbuch
A u t o r e n :
VKI - Patricia Corieri – Philippe Léonard – Michel Riethmuller – Mario Carbonaro
CIRA – Marika Belardo
INCAS – Claudia Dobre
DLR – Tania Kirmse – Judith Kokavecz
P ä d a g o g i s c h e B e r a t e r :
Uleic: Frankie McKeon, Maarten Tas
Ü B E R S E T Z U N G : S C I E N T I X ( w w w . s c i e n t i x . e u )
REStARTS – Die Experimente
2
Das Experimentierbuch
Das Experimentierbuch ................................................................................................ 2
I. Wie fliegt ein Flugzeug? ............................................................................................ 4 0. Flugzeuge und andere Flugobjekte ................................................................................................... 4
Einführendes Experiment: Flugzeuge und andere Flugobjekte ............................................................ 4
1. Physikalischer Kraftbegriff ................................................................................................................ 6
Lernabschnitt 1: Was sind physikalische Kräfte?.................................................................................. 6 Lernabschnitt 2: Physikalische Kräfte selbst erfahren .......................................................................... 8 Lernabschnitt 3: Messung einer physikalischen Kraft ......................................................................... 11 Lernabschnitt 4: Kräftegleichgewicht – Geschwindigkeit = 0 .............................................................. 14
2. Der Druckbegriff ................................................................................................................................ 16
Lernabschnitt 1: ‘Das Nagelbett des Fakirs’ oder der Druck auf einen Festkörper ............................ 16 Lernabschnitt 2: Druck /Festkörper-Flüssigkeit-Gas ........................................................................... 19 Lernabschnitt 3: Druck und Höhe - Experiment 1 ............................................................................... 21 Lernabschnitt 4: Druck und Höhe – Experiment 2 .............................................................................. 24 Lernabschnitt 5: Druck und Dichte ...................................................................................................... 26 Lernabschnitt 6 (optional): Luftdruck bei einem großen Höhenunterschied ....................................... 28 Zielsetzung 1: Demonstrieren, dass der Luftdruck im Verhältnis zur Höhe variiert ........................... 28
3. Der Begriff der Schwerkraft ............................................................................................................. 30
Lernabschnitt 1: Experimente zum Konzept Schwerkraft 1 ................................................................ 30 Lernabschnitt 2: Experimente zum Konzept Schwerkraft 2 ................................................................ 32 Lernabschnitt 3: Aufgabe: Wie schafft man eine der Schwerkraft entgegengesetzte Kraft? ............. 35 Lernabschnitt 4: Das Finden des Schwerpunktes eines Objektes...................................................... 37
4. Der Begriff der Auftriebskraft .......................................................................................................... 39
Lernabschnitt 1: Einführung in den Begriff des Auftriebs .................................................................... 39 Lernabschnitt 2: Auftrieb der Tragfläche des Flugzeuges .................................................................. 42 Lernabschnitt 3: Der Bernoulli-Windbeutel, eine weitere überrraschende Anwendung des Bernoulli-
Theorems ................................................................................................................. 45
5. Der Begriff der Reibungskraft .......................................................................................................... 47
Lernabschnitt 1: Fühlt die Auftriebskraft ............................................................................................. 47 Lernabschnitt 2: Wie wir die Auftriebskraft ändern können – Stufe 1 Aufgabenstellung und
Konzeption der Experimente .................................................................................... 49 Lernabschnitt 3: Wie wir die Auftriebskraft ändern können – Stufe 2 Wissenschaftliche
Vorgehensweise ....................................................................................................... 51
6. Der Begriff der Schubkraft ............................................................................................................... 53
Lernabschnitt 1: Schubkraft und Flugzeugmotor ................................................................................ 53
7. Der Begriff des Kräftegleichgewichts und der Schwerpunkt eines Objekts .............................. 54
Lernabschnitt 1: Finden des Schwerpunktes eines Objektes ............................................................. 54 Lernabschnitt 2: Die Bewegung eines Flugzeuges im dreidimensionalen Raum ............................... 56
REStARTS – Die Experimente
3
Lernabschnitt 3: Papierflugzeuge und Bewegungsrichtung ................................................................ 57
II. Umweltfreundlicherer Luftverkehr ......................................................................... 60 1. Lärm .................................................................................................................................................... 60
Lernabschnitt 1: Lärmerzeugung ........................................................................................................ 60 Lernabschnitt 2: Lärmvisualisierung ................................................................................................... 64 Lernabschnitt 3: Messung des Lärmpegels ........................................................................................ 70 Lernabschnitt 4: Ermittlung der Lärmquelle ........................................................................................ 76 Lernabschnitt 5: Lärmverminderung ................................................................................................... 79 Lernabschnitt 6: Messung des Lärmpegels und des Schallspektrums eines Schallgenerators
(Lautsprecher) .......................................................................................................... 84
2. Strömungswiderstand ..................................................................................................................... 88
Lernabschnitt 1: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand von der Form des Objekts beeinflusst wird ........................................................................................................ 88
Lernabschnitt 2: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand von der Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst wird ........................................................................................................ 91
Lernabschnitt 3: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand von der Glätte oder Rauheit der Oberfläche beeinflusst wird ...................................................................................... 93
Lernabschnitt 4: Messung des Strömungswiderstands verschiedener Formen, verschiedener Rauheitsgrade von Objektoberflächen und bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten ............................................................................................ 95
3. Turbulenz ........................................................................................................................................... 98
Lernabschnitt 1: Veranschaulichung laminarer und turbulenter Strömung auf sehr einfache Weise . 98 Lernabschnitt 2: Veranschaulichung turbulenter Strömung mittels Tinte ......................................... 101 Lernabschnitt 3: Veranschaulichung turbulenter Strömung mittels eines Rauchgenerators ............ 103
III. Wie kann ein Flugzeug sicher fliegen? .............................................................. 107 1. Was ist Sicherheit im Luftverkehr? ............................................................................................... 107
Lernabschnitt 1: Was ist Sicherheit im Luftverkehr? ......................................................................... 107 Lernabschnitt 2: Aktive Sicherheit im Luftverkehr ............................................................................. 109 Lernabschnitt 3: Passive Sicherheit im Luftverkehr .......................................................................... 111
2. Welche Materialien werden für den Bau eines Flugzeugs verwendet? ..................................... 113
Lernabschnitt 1: Materialien für den Flugzeugbau ............................................................................ 113 Lernabschnitt 2: Welche Kräfte wirken auf ein Flugzeug ein? Flugzeugteile und Traglast .............. 117 Lernabschnitt 3: Wie entwirft man sichere aeronautische Strukturen? Was ist die maximale Traglast
einer aeronautischen Struktur? .............................................................................. 120
3. Fliegen in großer Höhe ................................................................................................................... 121
Lernabschnitt 1: Fliegen in großer Höhe ........................................................................................... 121 Lernabschnitt 2: Wie ein drucksicherer Flugzeugrumpf funktioniert ................................................. 122 Lernabschnitt 3: Probleme mit Eis .................................................................................................... 125
4. Kritische Situation bei der Start- oder Landephase .................................................................... 128
Lernabschnitt 1: Kritische Situation bei der Start- oder Landephase ............................................... 128 Lernabschnitt 2: Ausfall eines einzelnen Motors .............................................................................. 130 Zielsetzung 1: Einführung in die wesentlichen Strategien beim Ausfall eines Motors bei der Start-
und Landephase .................................................................................................... 130 Lernabschnitt 3: Seitenwind .............................................................................................................. 132 Lernabschnitt 4: Kollisionssicherheit ................................................................................................. 135
REStARTS – Die Experimente
4
I. Wie fliegt ein Flugzeug?
0. Flugzeuge und andere Flugobjekte
Einführendes Experiment: Flugzeuge und andere Flugobjekte
Zielsetzung 1: Einführender Hinweis, dass alle Experimente, die im Verlauf der nächsten Woche
durchgeführt werden, mit dem Konzept Fliegen verbunden sind.
Zielsetzung 2: Fliegen: Was bedeutet dieses Verb?
Zielsetzung 3: Was ist das Besondere am Flug eines Flugzeuges im Vergleich zu einem Vogel, einem
Ballon, einem Helikopter und anderer Flugobjekte?
E r k l ä r u n g :
Das einführende Experiment wird die SchülerInnen dafür vorbereiten, über das Fliegen von Flugzeugen
zu lernen. Die erste Frage, mit der sie sich beschäftigen sollten, ist “Wie fliegt ein Flugzeug?”
Was ist eigentlich Fliegen?
Gibt es verschiedene Arten zu fliegen?
Gibt es einen Unterschied zwischen Fliegen und Fallen?
All diese Fragen sind ebenfalls mit der Geschichte des Fliegens verbunden.
Die SchülerInnen lernen zu verstehen, was fliegen ist (und was nicht) und es kann darüber entschieden
werden, welche Art von Fliegen innerhalb dieses Themengebiets behandelt wird.
M a t e r i a l :
Setzt alle eure Fantasie ein und gibt alle Materialien an, die benutzt werden können, um ein Flugobjekt zu
bauen:
Tischtennisball
Haarföhn
Feder
Papier
ein Strohhalm
Luftballon
leichte Plastiktüten
….
Bilder von Flugzeugen, der Raumfähre, Vögeln, Helikopter, Ballons, Autos, Busse, Insekten,
Segelflugzeuge, Fallschirme...
REStARTS – Die Experimente
5
M a x i m a l e D a u e r :
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist Fliegen?
Fliegt ein Flugzeug?
Fliegt ein fallender Stein?
Fliegt ein Fallschirm?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Geben Sie diese Objekte SchülerInnen, die allein oder in Gruppen arbeiten, und geben Sie ihnen die
Anweisung, ein Flugobjekt zu bauen. Die Kinder können auch zunächst ein Flugobjekt zeichnen, bevor
sie es bauen.
Testphase: Sie können das Objekt im Klassenzimmer fliegen lassen, doch die SchülerInnen werden es
sicherlich vorziehen, sie vom oberen Teil eines Treppengangs herunterzuwerfen.
Besprechen Sie mit den SchülerInnen, welche dieser Objekte fliegt und welche nicht. Fragen Sie sie, was
das Besondere am Flug eines Flugzeuges ist.
Bereiten Sie mit ihnen ein großes Poster vor, welches die Annahmen der SchülerInnen, was fliegen ist,
auflistet. Während der ganzen Dauer des Moduls für aeronautische Experimente können Sie auf das
Poster zurückkommen und mit den SchülerInnen das Konzept präzisieren sowie deren neue
Entdeckungen dort hinzufügen.
REStARTS – Die Experimente
6
1. Physikalischer Kraftbegriff
Lernabschnitt 1: Was sind physikalische Kräfte?
Bevor Sie mit der Untersuchung des physikalischen Kraftbegriffs beginnen, wird dieser Lernabschnitt
Ihnen dabei helfen, die mentale Vorstellung von Kräften ihrer Lernenden zu erfassen.
Junge französisch sprechende Kinder benutzten für die Begriffe Kraft und Stärke dasselbe Wort. Dies
impliziert bereits eine “vorgeprägte” Vorstellung!
Z i e l s e t z u n g e n
Experimente zu konzipieren, die aufzeigen, was eine physikalische Kraft ist.
Besprechen und zeigen, dass die Wirkungen von physikalischen Kräften sind.
M a t e r i a l
Alle möglichen Gegenstände, zum Beispiel:
schwere Gewichte
Spielzeugautos mit Rädern
Haarföhn
Stroh
ein Tischtennisball
ein schwererer Ball
Seile
ein Wasserbehälter
kleine Spielzeugflugzeuge
leichte Plastikbeutel
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was denkt Ihr, was eine Kraft ist?
Wie wisst Ihr, dass eine Kraft vorhanden ist?
Welche Kräfte sind eurer Meinung nach nötig, damit ein Flugzeug fliegen kann?
Wie könnt Ihr das herausfinden?
REStARTS – Die Experimente
7
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die Lehrkraft zeigt ein Bild, oder einen Film, eines fliegenden Flugzeugs und sagt, dass alle zusammen
für die Dauer einiger Unterrichtstunden, untersuchen werden, wie ein Flugzeug fliegt und sich mit den
physikalischen Grundlagen beschäftigen werden, die mit dem Fliegen verbunden sind.
Doch zuvor werden sie Erfahrungen mit verschiedenen Konzepten wie physikalische Kräfte, Druck,
Schwerkraft machen…
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die SchülerInnen sollen jeweils zu zweit arbeiten
Sie sollen Gegenstände auswählen und diese dazu benutzen, um ihre Vorstellung von Kräften zu
veranschaulichen
Jede Gruppe kommt nach vorne und zeigt der Klasse ihre Vorstellung von physikalischer Kraft.
Sie können wahlweise ihre Auffassung von Kraft verbal äußern oder mimisch darstellen.
Ihre Beispiele werden veranschaulichen, dass Kräfte sehr verschieden sein können (drücken,
ziehen, rollen…)
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Kräfte werden von den Lernenden mit ihren Wirkungen in Beziehung gebracht: drücken, ziehen,
fallen, fliegen, rollen…
REStARTS – Die Experimente
8
Lernabschnitt 2: Physikalische Kräfte selbst erfahren
Bei dieser Altersgruppe (Grundschule) möchten wir, dass die Lernenden
selbst mit ihren Körpern erfahren, dass die Wirkung physikalischer Kräfte
gerichtet ist, in Intensität verschieden sein kann (und auf einen Punkt wirkt).
Zielsetzung 1: Die Wirkung von Kräften erfahren, indem verschiedene Winkel genutzt werden
Zielsetzung 2: Erklären, dass Kräfte in verschiedene Richtungen wirken können
M a t e r i a l
3 starke Seile und/oder 3 Gymnastikbänder
ein schwerer Eimer (z.B. mit 15 kg Sand)
Kreide
Kompass
Geodreieck
Handschuhe (um die Seile zu ziehen)
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Denkt Ihr, dass Kräfte eine Richtung haben?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Geben Sie ihren SchülerInnen ein Seil. Sie sollen sich in zwei Gruppen teilen, die jeweils an
einem Ende des Seils ziehen.
Besprechen Sie anschließend mit den Lernenden, was dann passierte
Wiederholen Sie das Experiment mit 3 Gruppen und 3 Seilen,
die in der Mitte miteinander befestigt sind. Was ist der
Unterschied?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Optionale mathematische Experimente: Wie können drei um einen Eimer herum befestigte Seile in drei
verschiedene Richtungen ausgerichtet werden?
Einige Ideen für Experimente sind untenstehend angegeben, doch vielleicht haben Sie noch andere
Ideen:
REStARTS – Die Experimente
9
A . F ü r j ü n g e r e K i n d e r :
Der Begriff "Winkel" wird im Curriculum für Ihre Gruppe nicht
behandelt.
Für 120º messen Sie den Perimeter mit einem Seil ab, dividieren ihn
durch drei und teilen das Seil in drei gleiche Teile oder fragen die
Lernenden, wenn möglich, wie man das Seil in drei Teile teilen kann.
Für 180º und zwei Mal 90º können Sie ein Seil benutzen, das den
Mittelpunkt des Eimers kreuzt, und dann ein Geodreieck nehmen, um einen
rechten Winkel zu bilden.
B . F ü r ä l t e r e K i n d e r :
Der Begriff "Winkel" ist bekannt:
Dafür gibt es viele verschiedene Methoden. Eine davon ist, ist einen
Kreis auf den Boden zu zeichnen, und anhand des Kreises den
Winkel zu bestimmen… Dazu kann ein Seil verwendet werden, wie
bei den Experimenten mit den jüngeren Kindern.
Sie können selbst die Zeitdauer bestimmen, die Sie für diese parallele Aktivität aufwenden möchten und
festlegen, im welchen Maße Sie bei dieser Aktivität auf die einschlägigen mathematischen Aspekte
eingehen wollen. Wir schlagen hier einige Ideen für den Anfang vor, doch gibt es viele andere
Vorgehensweisen, die sie vielleicht gern mit Ihrer Klasse erproben möchten.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Schneeball: Die Lernenden sollen eines der Dinge aufschreiben, die sie über physikalische Kräfte gelernt
haben (geben Sie Ihnen dafür 30 Sekunden), anschließend sollen die Lernenden Zweiergruppen bilden
und drei Dinge aufschreiben, die sie über physikalische Kräfte gelernt haben (geben Sie Ihnen dafür 1
Minute). Danach sollen sich die Lernenden in Vierergruppen zusammensetzen und sechs Dinge
aufschreiben, die sie über physikalische Kräfte gelernt haben (geben Sie Ihnen dafür 2 Minuten). Zum
Schluss teilt jede der Vierergruppe dem Rest der Klasse ihre Ergebnisse mit.
REStARTS – Die Experimente
10
Sie können selbst die Zeitdauer bestimmen, die Sie für diese parallele Aktivität aufwenden möchten und
festlegen, im welchen Maße Sie bei dieser Aktivität auf die einschlägigen mathematischen Aspekte
eingehen wollen. Wir schlagen hier einige Ideen für den Anfang vor, doch gibt es viele andere
Vorgehensweisen, die sie vielleicht gern mit Ihrer Klasse erproben möchten.
A . K o n s t a n t e K r ä f t e i n v e r s c h i e d e n e R i c h t u n g e n w i r k e n l a s s e n
Teilen Sie die SchülerInnen in drei Gruppen auf. Stellen Sie den Eimer mit den drei an ihm in
einem Winkel von 120º befestigten Seilen in den Raum. Danach weisen sie die Lernenden an, an
den einzelnen Seilen zu ziehen, in der Art dass der Eimer in einer stabilen Lage bleibt. Sie sollen
anschließend ihre Vorstellung von physikalischen Kräften mit Kreide auf den Fußboden zeichnen.
Wiederholen Sie das Experiment mit zwei Seilen, die einen Winkel von 180º bilden und dem
dritten Seil, das einen Winkel von 90º bildet. Sie sollen anschließend ihre Vorstellung von
physikalischen Kräften mit einer andersfarbigen Kreide auf den Fußboden zeichnen.
Wiederholen Sie das Experiment, doch dieses Mal sollen die Gruppen eng aneinander stehen.
Sie sollen anschließend ihre Vorstellung von physikalischen Kräften mit Kreide in einer dritten
Farbe auf den Fußboden zeichnen. Besprechen Sie mit ihren SchülerInnen deren Ergebnisse.
B . D a s A n w e n d e n v e r s c h i e d e n e r K r ä f t e i n v e r s c h i e d e n e n
R i c h t u n g e n
Ein einzelner Lernende soll an zwei der Seile ziehen, alle anderen SchülerInnen sollen am
anderen Ende der Seile ziehen.
Gehen Sie in derselben Weise vor, wie auf den oberen Bildern angegeben.
Besprechen Sie mit Ihren SchülerInnen, was der Unterschied ist
REStARTS – Die Experimente
11
Lernabschnitt 3: Messung einer physikalischen Kraft
Zielsetzung 1: Einführung in die Quantifizierung einer physikalischen Kraft
Zielsetzung 2: Auf experimentelle Weise die Beziehung von Kraft und Masse aufzeigen
E r k l ä r u n g
Nach den qualitativen Experimenten zu physikalischen Kräften werden wir nun mit quantitativen
Experimenten beginnen, indem wir einige physikalische Kräfte messen.
M a t e r i a l
eine Waage
Dynamometer mit verschiedenen Messbereichen
Gegenstände verschiedenen Gewichts
leere Beutel, die mit Gegenständen gefüllt werden sollen
M a x i m a l e D a u e r
90’
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was denkt Ihr, was eine physikalische Kraft ist? Wie wisst Ihr, dass eine physikalische Kraft
vorhanden ist?
Wie viel Gewicht könnt Ihr heben? Wie könnt Ihr eine physikalische Kraft messen?
Was ist der Unterschied zwischen einer Masse und einer Kraft?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Fragen Sie die Kinder, ob sie sich die physikalischen Kräfte vorstellen können, die sie im Verlauf des
Lernabschnitts 2 der Experimente auf die Seile angewendet haben.
Diese Frage ist vielleicht etwas zu komplex für die Kinder. In dieser Phase geht es nur darum, die
Erklärungen und die Vorstellung der Kinder zu erfassen.
Fragen Sie sie anschließend, wie viel Gewicht die Kinder heben können.
Dann können Sie die beiden Kräfte in Beziehung setzen: die auf die Seile angewandte Zugkraft und das
Heben schwerer Gewichte. (Zeigen Sie ein Bild dieser Versuchsanordnung).
Die Hauptaktivität wird in der Messung der physikalischen Kräfte bestehen.
REStARTS – Die Experimente
12
H a u p t a k t i v i t ä t e n
A . M e s s u n g d e s G e w i c h t s , d a s w i r a n h e b e n k ö n n e n
Der leere Beutel wird nacheinander mit verschiedenen Gegenständen verschiedenen Gewichts
gefüllt werden.
Geben Sie jeder Gruppe eine Waage. Die Kinder sollen das Gewicht des Beutels wiegen, der die
Gegenstände enthält.
Schließlich sollen die Kinder das schwerste Gewicht wiegen, das sie heben können.
B . M e s s u n g d e r K r a f t , d i e w i r a u f w e n d e n , w e n n w i r e t w a s
z i e h e n
Beziehen Sie sich auf den Lernabschnitt 2 der Experimente, in dem die Kinder an den Seilen
zogen, und fragen Sie die Kinder, ob sie sich vorstellen können, wie die Zugkraft gemessen
werden kann.
Geben Sie anschließend den Kindern den Dynamometer und lassen Sie sie das Gewicht
derselben Gegenstände auswiegen, die sie bereits mit der Waage im Teil A gewogen haben.
Dynamometer sind gewöhnlich in Newton (Einheit) skaliert. Die SchülerInnen sollen das
Verhältnis zwischen dem mit der Waage gewogenen Gewicht und die mit dem Dynamometer
gemessene Kraft berechnen. Die Zielsetzung ist, den Faktor zwischen Masse (kg) und Kraft
(Newton) zu belegen. Dieser Faktor ist eine Konstante (Schwerkraft).
Optionale mathematische Aufgabe: Sie können auch die Ergebnisse dieses letzten Experiments
in einer Graphik darstellen.
Binden Sie ein Seil an eine Wand oder an etwas anderes sehr Stabiles und befestigen den
Dynamometer daran, der dem Kräftebereich des schwersten von den Kindern hebbaren
Gewichts entspricht.
Die Kinder sollen daran ziehen und die Kraft messen, die sie beim Ziehen aufwenden.
C . Z u s ä t z l i c h e o p t i o n a l e E x p e r i m e n t e : D a s B a u e n e i n e s
e i n f a c h e n I n s t r u m e n t e s , u m d i e K r a f t z u m e s s e n
Wiederholen Sie genau das gleiche Experiment und befestigen Sie dieses Mal das elastische
Band und den Dynamometer. Die SchülerInnen sollen nun an dem elastischen Band mit
unterschiedlicher körperlicher Kraft ziehen.
Die Lernenden werden die Dehnungsweite des elastischen Bands ausmessen, die je nach der
angewendeten körperlichen Kraft verschieden sein wird und die entsprechend wirkende
physikalische Kraft mit dem Dynamometer messen.
Falls die Lernenden genügend fortgeschritten sind, sollen sie ihre Ergebnisse in einer Graphik
darstellen.
REStARTS – Die Experimente
13
Sie können das elastische Band als ein neues Instrument einsetzen, um physikalische Kräfte zu
messen.
Dasselbe kann mit kleineren elastischen Bändern für physikalische Kräfte geringerer Stärke
durchgeführt werden.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e Die Lernenden werden in die Methoden der Messung/Quantifizierung einer physikalische Kraft eingeführt.
Diese Experimente bringen die Quantifizierung der physikalischen Kraft "Gewicht", welche die Lernenden
am Besten kennen, in Beziehung zur Zugkraft.
Ein weiteres Instrument, der Dynamometer, wurde vorgestellt.
Abhängig vom Alter der Lernenden kann die Erdbeschleunigung g vorgestellt und gemessen werden. Die
SchülerInnen sollen einige Zeilen zu ihrem Verständnis von Gewicht, Masse und Schwerkraft, und wie
man diese messen könnte, aufschreiben (Die kann als Hausaufgabe oder am Ende der Unterrichtsstunde
gemacht werden).
REStARTS – Die Experimente
14
Lernabschnitt 4: Kräftegleichgewicht – Geschwindigkeit = 0
Zielsetzung 1: Aufzeigen, dass ein statischer Gegenstand (Geschwindigkeit = 0) physikalischen Kräften
unterliegt, die im Gleichgewicht sind.
E r k l ä r u n g
Eine weitverbreitete Fehlannahme ist, dass die statische Position eines Gegenstandes auf die
Abwesenheit von physikalischen Kräften zurückzuführen ist. Doch in Wirklichkeit entspricht die statische
Position dem Gleichgewicht physikalische Kräfte.
Experimente mit dem Gleichgewicht physikalische Kräfte werden durchgeführt, um das Vorhandensein
eines Kräftegleichgewichts zu veranschaulichen, wenn eine ausgeglichene und statische Position.
M a t e r i a l
Mehrere mit Wasser gefüllte Eimer
eine leere Wasserflasche (1.5 l)
Waagen
eine Schnur
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was denkt Ihr, ist eine physikalische Kraft? Wie wisst Ihr, dass eine physikalische Kraft vorhanden ist?
Wie könnt Ihr feststellen, dass ein sich nicht bewegender Gegenstand der Wirkung physikalischer Kräfte
ausgesetzt ist? Wie wisst Ihr, dass physikalische Kräfte auf euch wirken, wenn Ihr auf einen Stuhl sitzt?
Einführung/erste Schritte
Alle stehen auf und bleiben stehen, ohne sich zu bewegen. Stellen Sie folgende Frage: “Habt Ihr gespürt,
dass eine physikalische Kraft auf euren Körper wirkt?“
Nun springt in die Luft.“Was passiert dabei?”
Wenn die SchülerInnen wieder aufstehen, fragen Sie sie, ob eine physikalische Kraft auf ihre Körper
wirkt.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Experimente: Ein sich nicht bewegender Gegenstand ist immer einem Gleichgewicht physikalischer
Kräfte ausgesetzt.
REStARTS – Die Experimente
15
A . M e s s e n u n s e r e s G e w i c h t s
Eine einzelne SchülerIn in jeder Gruppe soll sich auf eine Waage stellen und die
physikalischen Kräfte messen. Entsprechend ihres Alters sollen sie die Kräfte auf
einem Blatt Papier notieren oder sie auf dem Fußboden zeichnen.
B. Das Gewicht einer Flasche
1. Befestigen Sie eine leere Plastikflasche an eine Schnur und lassen Sie die
Flasche fallen. Fragen Sie die SchülerInnen wieder, was sie denken, was
dabei passiert.
2. Füllen Sie Flachen mit Wasser. Die Lernenden sollen die Wasserflasche in einen mit Wasser
gefüllten Eimer senken (langsam!) und dabei die Schnur mit den Händen festhalten.
3. Die Kinder sollen Schritt für Schritt aufschreiben oder zeichnen, was geschieht.
4. Ich trage die mit Wasser gefüllte Flasche, ich spüre…
5. Ich habe die Flasche in den Eimer gesenkt, und die Schnur…
6. Die SchülerInnen können denselben Vorgang wiederholen und das Gewicht des Eimers messen,
bevor und nachdem die Flasche ins Wasser gesenkt wurde. Sie sollen versuchen
vorauszusagen, wie das Gewicht der Flasche sich ändern wird.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Physikalische Kräfte sind immer vorhanden, selbst wenn wir sie nicht immer “fühlen”. Ein bewegungsloser
Gegenstand ist immer physikalischen Kräften ausgesetzt, die im Gleichgewicht sind.
Die Lernenden sollen vorhersagen, welche Kräfte auf ein Flugzeug wirken, wenn dieses vor dem Start
auf der Startpiste stillsteht.
REStARTS – Die Experimente
16
2. Der Druckbegriff
Lernabschnitt 1: ‘Das Nagelbett des Fakirs’ oder der Druck auf
einen Festkörper
Zielsetzung: Verstehen, dass der Druck proportional zur Größe der Oberfläche ist, auf welche diese Kraft wirkt
E r k l ä r u n g
Die folgenden Aktivitäten werden experimentell den Begriff "Druck"
veranschaulichen, also die auf eine bestimmte Fläche wirkende
Kraft. Falls dieselbe Kraft auf eine größere Fläche ausgeübt wird,
sinkt der Druck.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass der Druck auf einen Festkörper von der Kontaktoberfläche
abhängt, während bei einem Fluid (z.B. eine Flüssigkeit oder ein Gas) der Körper im Fluid eingetaucht ist,
sodass der Druck sich auf die gesamte Oberfläche auswirkt.
Die folgenden Experimente entsprechen den Fakirbett-Experimenten, die nur schwer und nicht ohne
Gefahren im Klassenraum durchzuführen sind!
M a t e r i a l
Ein Eimer voll mit Sand und ein Sandkasten
Schuhe
Schneeschuhe
Stelzen
ein flacher, großer Behälter voll mit Sand oder ein Sandkasten
ein Holzbrett mit 3 Nägeln
ein Holzbrett mit vielen Nägeln
eine Waage
ein Plastikbehälter, der Modellierknete enthält
ein Plastikbehälter gleicher Größe
REStARTS – Die Experimente
17
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Habt Ihr eine Idee, warum die Nägel dem Fakir nicht wehtun?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Gehen Sie zu einem Sandkasten. Die Kinder sollen den Sand glätten.
Dann sagen Sie ihnen, dass Sie Ihre Füße in den Sand stecken werden, zuerst auf Stelzen, dann mit
normalen Schuhen und schließlich mit Schneeschuhen.
Was erwarten Ihre SchülerInnen zu sehen?
Fragen Sie, was der Unterschied zu ihren Erwartungen ist?
Sie können ihnen auch das Bild des Fakirs zeigen und die Kinder fragen, warum dieser so bequem auf
seinem Nagelbett zu liegen scheint?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Schritt 1: 3 Nägel
Nehmen Sie ein Holzbrett mit 3 Nägeln und stellen Sie einen mit Modellier-
knete gefüllten, umgedrehten Plastikbehälter darauf. Was können die Kinder
beobachten?
Stellen sie einen leichten Plastikbecher auf den Behälter. Füllen Sie das Glas
mit Wasser bis die Nägel den Boden des Behälters erreichen.
Wiegen Sie die Menge an Wasser aus, die nötig ist, um den Boden des Behälters zu erreichen
Schritt 2: 20 Nägel
Zunächst fügen Sie dieselbe Menge Wasser in den Plastikbecher wie bei Schritt
1
Dan verfahren Sie in derselben Weise mit einem Holzbrett mit 20 Nägeln. Fügen
Sie Wasser in den Plastikbecher hinzu, bis es den Boden des Behälters erreicht.
Fragen Sie die Lernenden, warum Sie mehr Wasser benötigen, um den Boden des Behälters erreichen.
REStARTS – Die Experimente
18
Das hier vorgeschlagene Experiment dient nur dazu, das Prinzip des Drucks auf einen Festkörper zu
veranschaulichen. Sie können ebenfalls eine wissenschaftlichere Herangehensweise wählen, indem Sie
die Parameter, wie z.B. die Anzahl der Nägel, die Dicke der Modellierknete, die Position des
Wasserbechers, etc., ändern.
Schlussfolgerung/Gesamtgruppe
Wenn eine gegebene physikalische Kraft auf eine feste Oberfläche wirkt, ist der daraus resultierende
Druck von der Größe der Oberfläche abhängig.
Wenn die Größe der Oberfläche zunimmt, nimmt die Stärke des Drucks ab; wenn die Größe der
Oberfläche abnimmt, nimmt die Stärke des Drucks zu.
Quantitative Messungen der hier wirkenden physikalischen Kräfte werden mit Lernenden durchgeführt,
die älter als 11 Jahre alt sind.
REStARTS – Die Experimente
19
Lernabschnitt 2: Druck /Festkörper-Flüssigkeit-Gas
Zielsetzung: Veranschaulichen, dass der auf Festkörper oder Fluide (Flüssigkeit oder Gas) ausgeübte
Druck verschieden ist
E r k l ä r u n g
Druck ist das Resultat einer Kraft, die auf eine gegebene Oberfläche ausgeübt wird; dabei ist, bei selber
Krafteinwirkung, die Größe der Kontaktfläche eines Fluids (Flüssigkeit oder Gas) eine andere als die
Größe der Kontaktfläche eines Festkörpers.
Somit ist die Kraftwirkung auf einem Fluid nicht dieselbe, wie die Kraftwirkung auf einen Festkörper.
Wenn Ihr das ganze Meer in ein Reservoir tun könntet und dann eure Hand unter das Reservoir legtet,
würde der Druck, der auf Ihrer Hand lasten würde, durch das ganze Gewicht des Seewassers verursacht.
Wenn Ihr jedoch bei einer Tiefe von 2 Metern eure Hand ins Meerwasser legt, wird der Druck durch die
Menge der über eure Hand befindlichen Wassersäule erzeugt. Probieren wir es aus.
M a t e r i a l
Leichte Plastikbeutel (ohne Löcher!)
Kleinere und größere Plastikbehälter, die so leicht wie möglich sind (Speiseeisbehälter)
Handtücher
Scheuertuch
M a x i m a l e D a u e r
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was ist der Unterschied zwischen dem Druck auf einem Festkörper und dem Druck auf einer Flüssigkeit
oder einem Gas?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Stellen Sie Plastikbehälter vor die Gruppe der Lernenden. Die SchülerInnen sollen einen
Plastikbeutel über eine ihrer Hände stülpen.
Die Lernenden sollen ihre Hände in den Wasserbehälter tauchen.
Die Lernenden sollen sagen, wie es sich anfühlt. Wie wirkt das Wasser auf ihre Hände?
Schließlich sollen die SchülerInnen ihre Hände (ohne Plastikbeutel) auf den Grund des Behälters
setzen. Wiederholen Sie das Experiment und benutzen Sie den kleineren Behälter, der zuerst nur
mit wenig Wasser gefüllt ist und anschließend mit so viel Wasser wie möglich. Spüren die
Lernenden einen Unterschied?
REStARTS – Die Experimente
20
Lassen Sie dieses Experiment mit dem größeren Behälter wiederholen, wieder jeweils mit einer
kleineren und einer größeren Menge Wasser und mit den Händen auf den Boden des Behälters
getaucht. Gibt es einen Unterschied zwischen kleineren und größeren Behältern?
Nun nehmen die Lernenden die kleinen und großen Behälter mit dem höchsten Wasserspiegel
und stellen sie vorsichtig auf ihre obere Handfläche, wobei die Hand außerhalb des Wassers auf
dem Tisch gelegt ist!
Bedenken Sie, dass die Behälter so leicht sein sollten, dass ihr Gewicht im Vergleich mit dem Gewicht
des Wassers unerheblich ist.
Dieses Experiment ist ein Zwischenschritt für die Experimente zum Thema Druck auf Festkörper und
Fluide. In dieser Phase sollen die Lernenden ihre Eindrücke, die sie von diesen Experimenten gewonnen
haben, äußern. Diese können sie schriftlich, mündlich oder mittels einer Zeichnung machen.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Im Verlauf dieser Experimente sollten die Lernenden erlebt haben, wie sich Druck in einer Flüssigkeit
anfühlt. Sie werden auch nachvollzogen haben, dass es einen Unterschied gibt zwischen dem Druck
innerhalb einer Flüssigkeit und dem Druck, der auf einen Festkörper ausgeübt wird.
REStARTS – Die Experimente
21
Lernabschnitt 3: Druck und Höhe - Experiment 1
Zielsetzung: Beobachten, dass der Druck in Relation zur Höhe des Wassers variiert.
E r k l ä r u n g
Der hydrostatische Druck eines Fluids ist abhängig von der Höhe des Fluids über dem Messpunkt. Eine
mit Flüssigkeit gefüllte Flasche wird mit Löchern perforiert, und die Flüssigkeitsstrahle werden abhängig
von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels mehr oder weniger stark sein.
M a t e r i a l
T e i l A
Die einfachere Version dieser Aktivität kann mit einem Klebeband zusammengebundenen
Wasserflaschen mit jeweils 1,5 oder 2 Liter Fassungsvermögen durchgeführt werden. Die komplexere
Version besteht aus einem Schlauch, in dem ein kleines Ausgangsloch nahe dem Ende des Schlauchs
sowie sieben große Löcher entlang des Schlauches gebohrt wurden. Die sieben Löcher werden mit
Gummistopfen geschlossen. Der Abstand zwischen den Zentren der Löcher beträgt 5 cm (der Abstand
kann variiert werden).
T e i l B
Ein Behälter mit drei Löchern verschiedener Größe, die auf selber Höhe gebohrt wurden (die Löcher
sollten nicht zu klein sein)
ein großer, flacher Behälter
ein Lineal
Handtücher
ein Scheuertuch
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was spürt Ihr, wenn Ihr auf den Grund eines tiefen Schwimmbeckens taucht?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Keine
REStARTS – Die Experimente
22
H a u p t a k t i v i t ä t e n
(Verweis: http://www.tos.org/hands-on/teaching_phys.html)
T e i l A
1. Ihr habt einen Schlauch mit einem kleinen Ausgangsloch und mehreren großen, mit
Gummistopfen verschlossenen Löchern. Ihr könnt die Höhe der Wassersäule über das
Ausgangsloch regulieren, indem Ihr gleichzeitig das Ausgangsloch mit eurem Finger bedeckt und
den Schlauch mit Wasser füllt, bis aus einem der oberen großen Löcher fließt (nachdem Ihr den
Gummistopfen aus diesem Loch entfernt habt). Vergewissert euch, dass Ihr das Lineal senkrecht
zum Ende des Schlauches platziert habt.
2. Bevor Ihr diese Apparatur benutzt: Was erwartet Ihr, was geschieht, wenn Ihr den Schlauch bis
zur Höhe des ersten Loches (vom Ende aus gesehen) mit Wasser füllt und anschließend euren
Finger vom Ausgangsloch nimmt? Erklärt eure Erwartungen hinsichtlich der physikalischen Kräfte
die auf das Fluid wirken. Was erwartet Ihr, was geschieht, wenn der Wasserspiegel über dem
Ausgangsloch höher wird? Weshalb?
3. Testet eure Vorhersagen. Entfernt zunächst den Gummistopfen vom tiefsten großen Loch.
Schließt gleichzeitig das kleine Ausgangsloch mit eurem Finger und füllt den Schlauch mit
Wasser, bis es aus dem Loch fließt, dessen Gummistopper Ihr entfernt habt (Denkt nach:
Weshalb möchten wir einen konstanten Wasserspiegel innerhalb des Schlauches beibehalten?).
Messt mit einem Lineal die Höhe der Wassersäule über dem Ausgangsloch aus. Nehmt dann
euren Finger vom Ausgangsloch und lasst so das Wasser daraus entweichen, füllt gleichzeitig
den Schlauch mit Wasser, um denselben Wasserspiegel über dem Ausgangsloch beizubehalten.
Beobachtet , wie das Wasser spritzt, wenn es das erste Mal auf das Lineal trifft. Steckt den
Gummistopfen wieder in das Loch hinein und wiederholt dieselben Schritte nach und nach mit
den nächsten vier Löchern.
4. Zeichnet die Distanz auf, bei welcher das Wasser entsprechend der Höhe der Wassersäule, die
sich beim Öffnen der einzelnen Löcher ergibt, auf das Lineal trifft. Entsprechen eure Messungen
euren Vorhersagen beim Schritt 2?
5. Würde die Distanz, die das Wasser zurücklegt, sich ändern, falls die einzelnen Löcher größer
wären? Weshalb?
T e i l B
1. Nehmt einen zweiten Schlauch (oder Behälter), mit drei Löchern verschiedenen
Durchmessers,verschließt alle drei Löcher mit eurem Finger (oder mehreren Fingern) und füllt
den Schlauch mit Wasser. Platziert das Lineal senkrecht zum Ende des Schlauches. Öffnet ein
Loch nach dem anderen und messt die Distanz bei welcher das Wasser zuerst auf das Lineal
trifft. Stimmt eurer Beobachtung mit euren Überlegungen beim oberen Schritt 5 überein (Teil A)?
REStARTS – Die Experimente
23
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Der Druck ist abhängig von der Höhe des Fluids über den Messpunkt.
REStARTS – Die Experimente
24
Lernabschnitt 4: Druck und Höhe – Experiment 2
Zielsetzung: Anhand dieser Experimente werden die Lernenden beobachten, dass der Druck
entsprechend der Höhe des Flüssigkeitsspiegels variiert. Dabei wird vom Inneren der Flüssigkeit
ausgegangen.
E r k l ä r u n g
Der hydrostatische Druck eines Fluides ist abhängig von der Höhe des Fluids über dem Messpunkt. Eine
mit Flüssigkeit gefüllte Flasche wird mit Löchern perforiert, und der Flüssigkeitsstrahl wird abhängig von
der Höhe des Flüssigkeitsspiegels mehr oder weniger stark sein.
M a t e r i a l
ein durchsichtiger Behälter
ein Glas Wasser
ein kleiner schwimmender Gegenstand
Wasserflaschen aus Plastik verschiedenen Durchmessers
oder Plexiglasröhren mit 3 verschiedenen Durchmessern
Nehmt ein Stück festes Material, das wasserundurchlässig ist, z.B. leichter Kunststoff
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Keine
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
1. Machen Sie ein einfaches Experiment vor Ihren SchülerInnen:
2. Nehmen Sie einen durchsichtigen, mit Wasser gefüllten Behälter.
3. Tun Sie den kleinen schwimmenden Gegenstand auf die Wasseroberfläche.
4. Drehen Sie dann ein Glas Wasser um und drücken Sie es ganz horizontal, ganz gerade, langsam
in das Wasser hinein.
5. Bevor Sie anfangen das Glas ins Wasser zu drücken, fragen Sie Ihre SchülerInnen, was sie
erwarten, was geschehen wird.
6. Besprechen Sie nach diesem Experiment mit den Lernenden, weshalb das Glas nicht voll
Wasser ist.
Sie können den Lernenden auch vorschlagen, die Experimente selbst durchzuführen.
REStARTS – Die Experimente
25
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Falls Sie ein qualitatives Experiment durchführen möchten, können Sie 3 feste Plexiglasröhren mit einem
Durchmesser von 2,5 und 10 cm benutzen.
Falls Ihre SchülerInnen jünger sind und die Experimente eher qualitativ sind, benutzen Sie
Plastikflaschen mit einer Aufnahmefähigkeit von 0,33, 1,5 und 2,0 Litern, die verschiedene Größen
haben. Schneiden Sie das obere und untere Ende der Flaschen ab, um Zylinder mit verschiedenen
Größen zu erhalten.
A . T e s t e n d e s P a r a m e t e r s H ö h e d e r F l ü s s i g k e i t
Schließen Sie den Boden der Röhre mittlerer Größe mit einem Stück leichten und festen
Kunststoff.
Drücken Sie das Stück Kunststoff fest an und tauchen Sie dann die Röhre in den Wasserbehälter
in halber Höhe. Der Druck sollte nun die Röhre fest verschließen und das Wasser sollte nicht in
die Plexiglasröhre eindringen können.
Fragen Sie Ihrer SchülerInnen: Wie viel Wasser werden Sie hinzufügen müssen, bevor sich das
Stück Kunststoff von der Röhre löst?
Wiederholen Sie dieselben Experimente und hören Sie auf, Wasser einzufüllen, bevor Sie das
Stück Kunststoff loslassen. Dann drücken Sie die Röhre tiefer in das Wasser hinein. Was müssen
Sie tun, um das Stück Kunststoff loszulassen?
Rekapitulieren Sie das beobachtete Prinzip: Wenn die Höhe des Wassers zunimmt, nimmt der
Druck ab…
B . T e s t e n d e s P a r a m e t e r s D u r c h m e s s e r d e r R ö h r e
Führen Sie genau dieselben Experimente durch wie in 1) Ändern des Durchmessers der Röhre.
Verweisen Sie auf die Experimente des Lernabschnitts 1, die Oberfläche ist größer geworden, doch der
Druck ist an beiden Seiten des Stücks Kunststoffes gleich. Die Veränderung des Durchmessers und der
Menge an Wasser ändern nichts an den Experimenten.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Diese Experimente sind eine weitere Illustration desselben Phänomens wie das vorige.
REStARTS – Die Experimente
26
Lernabschnitt 5: Druck und Dichte
Zielsetzung: Anhand dieses Experiments können die Lernenden beobachten, dass der Druck in
Relation zur Dichte der Flüssigkeit variiert.
E r k l ä r u n g :
Der Druck eines Fluids ist abhängig von seiner Dichte.
M a t e r i a l :
ein durchsichtiger Behälter
Wasserflaschen aus Kunststoff, mit drei verschiedenen Durchmessern
oder Plexiglasröhren mit 3 verschiedenen Durchmessern
ein Stück festes, wasserundurchlässiges Material, z.B leichter Kunststoff.
Fluid: Glycerin, Öl
eine Waage
Referenzvolumen 100 ml
M a x i m a l e D a u e r :
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Nehmen Sie mehrere Flüssigkeiten verschiedener Dichte und fragen Sie Ihre SchülerInnen, worin der
Unterschied besteht.
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die Kinder sollen ihre Hand in einen wasserdichten Plastikbeutel tun und wieder den Druck des Wassers
spüren. Dann nehmen Sie einen Fluid mit sehr hoher Dichte, mit dem die Lernenden das Experiment
wiederholen sollen.
Was spüren die Kinder?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
A . D i c h t e v o n F l u i d e n
Geben Sie ihnen 3 Arten von Flüssigkeit: Öl, Wasser und Glyzerin. Die SchülerInnen sollen
Kommentare zu diesen Flüssigkeiten geben.
Es ist zu erwarten, dass der Aspekt Gewicht genannt wird. Die Kinder sollen diese Fluide
entsprechend deren Gewichts einordnen.
Schlagen Sie ihnen vor, ein bestimmtes Volumen jeder der Fluide zu wiegen.
REStARTS – Die Experimente
27
In dieser Phase werden wir die Experimente des Lernabschnitts 4 wiederholen, dabei ersetzen
wir das Wasser mit den Fluiden,die jeweils eine mehr oder weniger hohe Dichte haben wie
Wasser.
B . T e s t e n d e s P a r a m e t e r s D i c h t e v o n F l u i d e n
Schließen Sie den Boden der Röhre mittlerer Größe mit einem Stück leichten und festen
Kunststoff.
Drücken Sie das Stück Kunststoff fest an und tauchen Sie dann die Röhre in den Wasserbehälter
in halber Höhe. Der Druck sollte nun die Röhre fest verschließen und das Wasser sollte nicht in
die Plexiglasröhre eindringen können.
Fragen Sie Ihrer SchülerInnen: Wie viel Wasser werden Sie hinzufügen müssen, bevor sich das
Stück Kunststoff von der Röhre löst?
Wiederholen Sie dieselben Experimente und hören Sie auf, Wasser einzufüllen, bevor Sie das
Stück Kunststoff loslassen. Dann drücken Sie die Röhre tiefer in das Wasser hinein. Was müssen
Sie tun, um das Stück Kunststoff loszulassen?
Rekapitulieren Sie das beobachtete Prinzip: Wenn die Höhe des Wassers zunimmt, nimmt der
Druck ab…
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Nachdem wir verschiedene Höhen des Wassers experimentiert haben, schließen wir daraus, dass der
Druck eines Fluids abhängig von seiner Dichte ist.
REStARTS – Die Experimente
28
Lernabschnitt 6 (optional): Luftdruck bei einem großen
Höhenunterschied
Zielsetzung 1: Demonstrieren, dass der Luftdruck im Verhältnis
zur Höhe variiert
E r k l ä r u n g
Dieses Experiment ist sehr interessant, weil es zeigen wird, dass obwohl wir es nicht spüren, der
Luftdruck abhängig von der Höhe ist. Dieses Experiment ist optional, denn man benötigt dazu mindestens
fünf Stockwerke (15 m Höhe), um einen Unterschied zu messen. Dies mag für Ihre Schule nicht zutreffen,
doch gibt es SchülerInnen, die z.B. in Hochhäusern wohnen, sodass sie selbst das Experiment
durchführen, es filmen und den anderen in der Schule zeigen können.
M a t e r i a l :
eine leere Plastikflasche, die so unelastisch wie möglich ist und nicht undurchsichtig zu sein
braucht
Falls die Flasche nicht unelastisch genug ist, funktioniert das Experiment nicht
Modellierknete
ein transparentes und flexibles Plastikrohr, mit einem Durchmesser von 5 oder 6 mm
Wasser, wenn möglich mit etwas Lebensmittelfarbstoff
M a x i m a l e D a u e r :
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Wenn Sie die Höhe ändern, nach oben oder nach unten, sollen Ihre SchülerInnen sagen, wie die Luft
außerhalb der Flache, abhängig von der Luft innerhalb der Flasche, Druck ausüben wird.
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Was passiert mit euren Ohren, wenn Ihr in einem Flugzeug fliegt, oder wenn Ihr schnell abwärts durch
einen Tunnel fährt, oder einen Berg hinaufsteigt?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
NB: Diese Experimente funktionieren gut, doch braucht man dazu etwas Übung, bevor man sie mit den
SchülerInnen durchführt.
REStARTS – Die Experimente
29
Nehmt einen durchsichtigen, biegsamen Plastikschlauch mit 5 oder 6 mm Durchmesser, 40 cm
Länge und füllt 15 cm des Schlauches mit gefärbtem Wasser.
Nun ist der schwierigste Teil des Experiments, die Luft in die Plastikflasche einzufangen, sodass
der Luftdruck bei der Höhe in der ihr seid, erhalten bleibt. Dazu müsst Ihr die Öffnung des
Plastikschlauches, der um die Flasche herum befestigt ist, mit Modellierknete verschließen. Dazu
sind mindestens zwei Personen nötig: Eine, welche die Knete einfüllt, eine andere, welche dafür
sorgt, dass der Schlauch voll mit Wasser bleibt.
Nun seid Ihr bereit, hoch und hinab zu steigen. Am Einfachsten ist es, das Experiment in einem
Aufzug durchzuführen.
Mit jüngeren Kindern kann man die Entwicklung des Drucks innerhalb der Flasche beobachten,
wenn diese hoch und hinunter transportiert wird. Sprechen Sie mit ihren SchülerInnen darüber,
wie sich innerhalb der Flasche der Luftdruck ändert, wenn die Luft außerhalb der Flasche beim
Aufstieg weniger Druck ausübt.
Mit älteren SchülerInnen können Sie die Variation des sich hoch und hinab bewegenden Wassers
quantifizieren.
Sie können ebenfalls Ihre Lernenden “austricksen”, indem Sie einer/einem von ihnen eine
biegsame, dünnwandige Plastikflasche geben und mit dieser/diesem dieselben Experimente
durchführen. In diesem Fall wird die Luft von außerhalb einem leichten Druck ausgesetz und der
Druckunterschied wird kleiner als bei einer unbiegsamen Flasche sein. Die Lernenden sollen
erklären, was in den beiden Fällen (biegsame und unbiegsame Flasche) der Unterschied ist.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Wenn man in die Höhe steigt, wird die Luftmasse über uns geringer und folglich verringert sich der Druck.
Falls sich der Druck schnell ändert, können wir es in den Ohren spüren.
Wenn wir die Luft in einer geschlossenen Flasche von einer hohen zu einer tieferen Höhenlage bringen,
wird der Luftdruck in der geschlossenen Flasche abnehmen. Abwärts ist der Luftdruck um die Flasche
herum größer und die biegsame Plastikflasche wird kaputt gehen.
REStARTS – Die Experimente
30
3. Der Begriff der Schwerkraft
Lernabschnitt 1: Experimente zum Konzept Schwerkraft 1
Zielsetzung: Reden Sie mit Ihren SchülerInnen über deren Vorstellung von Schwerkraft
E r k l ä r u n g
Obwohl wir ständig der Erdanziehungskraft unterworfen sind, scheint das Konzept der Schwerkraft den
Kindern nicht sehr klar zu sein. Anhand mehrerer Experimente werden die SchülerInnen verschiedene
Aspekte der Schwerkraft testen: Anziehungskraft der Erde auf Gegenstände…
Ein Beispiel einer falschen Vorstellung ist, dass wir vom atmosphärischen Druck zur Erde gedrückt
werden.
M a t e r i a l
ein Ball
eine Feder
ein Blatt Papier
ein schweres Gewicht
ein großer Gegenstand mit einem geringen Gewicht
ein Tennisball
eine Zeitung
eine Personenwaage (möglichst keine elektronische)
M a x i m a l e D a u e r
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was geschieht, wenn wir einen Gegenstand fallen lassen?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die Lernenden sollen die Schwerkraft mimisch darstellen.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die Lernenden sollen verschiedene Aktionen durchführen:
Ein Gegenstand auswählen und ihn fallen lassen. Was passiert?
Nehmt Sie ein Blatt Papier und eine kleine Murmel. Lasst ihn zur gleichen Zeit fallen.
REStARTS – Die Experimente
31
Beschreibt, was passiert.
Werft etwas Leichtes in die Luft. Was passiert?
Springt in die Luft. Was passiert?
Die Lernenden sollen folgende Frage beantworten:
Wie erklärt Ihr, was Ihr erlebt habt?
Um die Diskussion anzuregen, falls Sie zuvor die Experimente zu physikalischen Kräften durchgeführt
haben, können Sie den SchülerInnen eine oder zwei Personenwaagen geben, auf der sie sich wiegen
sollen. Was ist der Wert, den sie auf der Skala sehen?
(NB: Kindern über 10 Jahre kann es unangenehm sein, sich vor den anderen Kindern zu wiegen, in
diesem Fall nehmen Sie einen schweren Gegenstand)
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Erde zieht uns und alle Gegenstände an.
REStARTS – Die Experimente
32
Lernabschnitt 2: Experimente zum Konzept Schwerkraft 2
Zielsetzung 1: Zeigen, dass wenn ein Gegenstand fällt, es zwei physikalischen Kräften ausgesetzt ist:
Schwerkraft und Reibung.
Zielsetzung 2: Veranschaulichung der Wirkung der Schwerkraft und des Einflusses der Reibung; dabei
ist der Einfluss der Reibung gering zu halten.
Zielsetzung 3: Zeigen, dass die durch die Schwerkraft erzeugte Beschleunigung nicht vom Gewicht des
fallenden Gegenstandes abhängt.
E r k l ä r u n g
Wenn man einen Gegenstand fallen lässt, wirken zwei physikalische Kräfte auf diesen Gegenstand ein:
1. die Schwerkraft und
2. die Reibungskraft. Die Zielsetzung ist hier, Experimente durchzuführen, bei der so viel wie
möglich die Reibungskraft verringert ist. Wenn die Reibungskraft unerheblich ist, so ist die
Zielsetzung, die Eigenschaften fallender Gegenstände, die der Schwerkraft ausgesetzt sind, zu
untersuchen. Für jüngere Lernende ist die Zielsetzung, ihnen zu veranschaulichen, dass die
Falldauer bei einer gegebenen Höhe für ein schweren und einen leichten Gegenstand dieselbe
ist.
Für ältere Lernende in Sekundarschulen soll veranschaulicht werden, dass die Beschleunigung konstant
ist. Daraus kann man ableiten, dass die Geschwindigkeit eines fallenden Gegenstandes während der
Falldauer in linearer Weise zunimmt.
Der Begriff "Reibung" wird ebenfalls in dieser Reihe von Experimenten zur Reibungskraft erläutert
werden.
M a t e r i a l
ein Blatt Papier
Tennisbälle
eine Spritze
eine Zeitung
ein Chronometer
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
REStARTS – Die Experimente
33
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Schritt 1: Warum fällt das Blatt Papier langsamer als ein Papierknäuel?
Schritt 2: Fallen schwere Gegenstände schneller oder langsamer als leichte Gegenstände?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Sie können Ihren SchülerInnen ein kurzes Video über auf dem Mond oder in einer schwerelosen
Atmosphäre fallende Gegenstände zeigen. Sie können anschließend Ihren SchülerInnen vermitteln, dass
die Anziehungskräfte, die auf einen Gegenstand wirken, variieren können, abhängig davon an welchem
Ort des Universums sich dieser Gegenstand befindet.
http://www.youtube.com/watch?v=isVO9AAAhxM&feature=related
Noch lustiger!
http://www.youtube.com/watch?v=SN77b9DqEbc
H a u p t a k t i v i t ä t e n
A . S c h w e r k r a f t u n d R e i b u n g i n A k t i o n
Nehmt ein Blatt Papier und lasst es fallen. Messt die Zeit, die es benötigt, den Boden zu
erreichen.
Ändert die Position des Blattes, bevor Ihr es fallen lässt. Verändert sich etwas dadurch?
Nun macht einen Papierknäuel und lasst ihn fallen. Vergleicht die Falldauer.
Was unterscheidet diese beiden Experimente?
B . S c h w e r k r a f t u n d r e d u z i e r t e R e i b u n g
Nehmt zwei Tennisbälle, füllt eines dieser Bälle mit Wasser.
Nehmt ein Blatt Papier und macht ein Papierknäuel, das denselben Durchmesser hat, wie die
Tennisbälle.
Dann lasst Ihr zwei Bälle, oder die drei Bälle, genau zur selben Zeit fallen. Legt ein Blatt Papier
auf den Boden, sodass ihr hören könnt, wie die Bälle den Boden erreichen.
E r g e b n i s s e d i e s e s E x p e r i m e n t s :
Was sind die Unterschiede zwischen diesen drei Bällen?
Was sind die Ähnlichkeiten hinsichtlich der Form der Bälle?
Was bleibt aus physikalischer Sicht konstant?
Ist die Geschwindigkeit der fallenden Bälle konstant?
REStARTS – Die Experimente
34
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Gegenstände auf die eine geringe Reibungskraft wirkt und die dasselbe Gewicht haben, werden zur
selben Zeit den Boden erreichen.
Während ihres Falles verändert sich deren Geschwindigkeit.
Während ihres Falles ist ihre Beschleunigung konstant und gleich der Fallbeschleunigung (g) [für
Sekundarschulen].
REStARTS – Die Experimente
35
Lernabschnitt 3: Aufgabe: Wie schafft man eine der Schwerkraft
entgegengesetzte Kraft?
Zielsetzung 1: Wie schafft man eine Kraft, die der Schwerkraft entgegengesetzt ist?
Zielsetzung 2: Vergrößerung der Reibungskraft, nicht in der Luft sondern im Wasser.
E r k l ä r u n g
Die Zielsetzung ist hier, einen spielerischen Ansatz einzusetzen. Damit die SchülerInnen eine der
Schwerkraft entgegengesetzte Kraft schaffen können, werden sie die Reibungskraft nutzen, die wir im
vorherigen Lernabschnitt so gering wie möglich hielten.
M a t e r i a l
ein mit Wasser gefüllter Behälter
Knetmasse, dessen Dichte größer ist als die von Wasser (eine in Wasser sinkende Knete)
Chronometer (optional)
eine Küchenwaage
M a x i m a l e D a u e r
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Aufgabe: Geben Sie jeder Gruppe einen aus Knete geformten Ball. Die SchülerInnen sollen den Ball so
langsam wie möglich sinken lassen.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die SchülerInnen sollen für jede Gruppe einen Ball aus Knete formen, der 20g wiegt, und im
Wasser sinken lassen. Ist es möglich die Zeitdauer des Sinkens zu messen?
Die SchülerInnen sollen die Knetmasse auf dem Wasser schwimmen lassen.
Lassen Sie mehrere Gruppen Lernende miteinander wettstreiten: Wer kann die Knetmasse am
langsamsten sinken lassen? Geben Sie Ihnen Stoppuhren, um die Zeiten vergleichen zu können.
REStARTS – Die Experimente
36
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Bei dieser Aufgabe wird die gewinnende Gruppe diejenige sein, die es schafft die Reibungskraft zu
erhöhen, indem sie die Fläche der Knetmasse erhöht. Die Lernenden müssen dabei das
entgegengesetzte Prinzip des im Lernabschnitt 2 angewendeten Prinzips nutzen. Durch die Erhöhung der
Zugkräfte, also die Erhöhung der Fläche der Knetmasse, verringern sie die Wirkung der Schwerkraft und
die Bewegung der Knetmasse wird verlangsamt.
REStARTS – Die Experimente
37
Lernabschnitt 4: Das Finden des Schwerpunktes eines Objektes
Zielsetzung 1: Verstehen, dass ein zweidimensionaler Gegenstand einen Gleichgewichtspunkt hat.
E r k l ä r u n g
Die Zielsetzung besteht darin, die Position des Gleichgewichtspunktes eines zweidimensionalen
Gegenstands zu untersuchen, bevor die Lernenden zum dreidimensionalen Flugzeug übergehen.
M a t e r i a l
eine kartonierte Verpackung (Zerealien-Verpackung)
eine Schere
eine Kordel
Nägel
ein Stift
ein Bamboleo Spiel
M a x i m a l e D a u e r
60 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Könnt Ihr den Gleichgewichtspunkt eines Gegenstands finden?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Kaufen Sie oder bauen Sie vier Spiele der kleineren Version des Bamboleo-Spiels und schlagen Sie vor,
dass die in vier Gruppen aufgeteilten SchülerInnen das Spiel spielen. Sie können auch die große Version
des Bamboleo-Spiels kaufen und mit allen SchülerInnen zusammen spielen.
Die SchülerInnen sollen beschreiben, was in diesem Spiel passiert.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Geben Sie Ihren SchülerInnen ein Stück leichte Pappe (z.B. eine Zerealien-Verpackung, 10 x 10
cm)
Die SchülerInnen sollen einen zweidimensionalen Gegenstand zeichnen, der so groß wie möglich
ist.
Die SchülerInnen sollen nun einen Stift nehmen, dessen oberes Ende auf das Stück Pappe
gerichtet ist und dann den Gleichgewichtspunkt finden. Sie sollen diesen Gleichgewichtspunkt
markieren.
REStARTS – Die Experimente
38
Die SchülerInnen sollen dieselben Schritte für einen Zirkel, ein Quadrat oder ein Rechteck
wiederholen. Sie sollen dabei herausfinden, wo sich bei diesen drei regelmäßigen Formen der
Gleichgewichtspunkt befindet.
Geben Sie Ihren SchülerInnen eine Schnur und einen Nagel. Die SchülerInnen sollen eine
Methode finden, mit der sie den Gleichgewichtspunkt des von ihnen zuvor gezeichneten
Gegenstands, der eine unregelmäßige Form aufweist, bestimmen können.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Lernenden können entdecken, dass sie den Schwerpunkt eines Quadrates ermitteln können, weil
dessen Form regelmäßig ist. Den Schwerpunkt eines unregelmäßig geformten Gegenstands hingegen
können sie nur mittels eines experimentierenden Ansatzes herausfinden.
REStARTS – Die Experimente
39
4. Der Begriff der Auftriebskraft
Lernabschnitt 1: Einführung in den Begriff des Auftriebs
Zielsetzung 1: Zeigen, dass wenn sich die Luft bewegt, dies einige unerwartete Wirkungen hat.
Zielsetzung 2: Zu dem Ergebnis kommen, dass wenn die Luft sich schneller bewegt, sie mehr Druck
ausübt und umgekehrt.
E r k l ä r u n g
Beim Gesetz von Bernoulli geht es um Energieerhaltung und dieses Gesetz ist zu kompliziert, um es
jungen Lernenden zu erklären. Dieses Prinzip besagt, dass, bei einem sich bewegenden Fluid, wenn es
keine Kompressibilitätseffekte gibt, die Zunahme von Druck eine Abnahme der Geschwindigkeit
verursacht und umgekehrt. Obwohl dies wohl zu schwierig zu erklären ist, können wir zumindest den
SchülerInnen Experimente zeigen, bei denen diese Wechselbeziehung zwischen Geschwindigkeit und
Druck überraschende Wirkungen mit sich bringt.
M a t e r i a l
ein Blatt Papier A4
Luftballons
etwas Sand
ein Spieß (z.B. ein Schaschlikstab)
eine Schnur
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist bezüglich des Drucks der Unterschied wenn sich die Luft bewegt?
Wenn die Geschwindigkeit zunimmt, übt dann die Luft mehr oder weniger Druck aus, als wenn die Luft
sich nicht bewegt?
Druck und Schieben: Könnt Ihr diese zwei Ausdrücke in Verbindung bringen? [für 11-Jährige]
REStARTS – Die Experimente
40
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Diese drei Objekte fliegen, doch nicht auf dieselbe Weise. Könnt Ihr die Unterschiede erklären?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
E x p e r i m e n t e : Ä n d e r u n g v o n G e s c h w i n d i g k e i t e n
A. Beobachtungsphase
- Experiment mit Papier
Nehmt ein halbes Blatt Papier A4 in eure Hände
Tut euren Mund ganz nah über die Oberseite des Blatt Papiers und pustet darauf. Was
beobachtet Ihr?
- Experiment mit Luftballons
Blast zwei Luftballons auf.
Tut etwas Sand hinein, bevor Ihr sie schließt, sodass sie nicht durch geringe Zugluft bewegt
werden.
Dann bindet jeden Ballon an eine Schnur und befestigt sie an einen kleinen Spieß. Zwischen den
Ballons sollte ein Abstand von rund 4 oder 5 cm sein.
Pustet zwischen den beiden Luftballons hindurch.
Was beobachtet Ihr?
REStARTS – Die Experimente
41
Wiederholt, wenn möglich, das Experiment, und blast dabei durch einen Trichter.
B . D i s k u s s i o n s p h a s e :
Könnt Ihr herausfinden, was bei diesen zwei Experimenten gleich ist?
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Schlussfolgerung ist, dass, bei beiden Experimenten, wir der Luft eine bestimmte Geschwindigkeit
geben, wenn wir pusten.
Die Luft hat eine größere Geschwindigkeit über der Oberseite des Blattes Papiers und zwischen den
beiden Ballons.
Die Luft unterhalb des Blatts Papiers und die Luft, die sich nicht zwischen den beiden Luftballons
befindet, bewegt sich nicht.
Die Tatsache, dass sich, da wo die Luft sich bewegt, das Papier aufsteigt und die Luftballons aneinander
haften, verdeutlicht, dass die Luft bei hoher Fließgeschwindigkeit weniger Druck erzeugt und bei niedriger
Fließgeschwindigkeit mehr Druck erzeugt.
Dies wurde von Daniel Bernoulli in 1738 entdeckt. Es ist das grundlegende Prinzip, das dem Auftrieb
eines Flugzeuges zugrunde liegt.
REStARTS – Die Experimente
42
Lernabschnitt 2: Auftrieb der Tragfläche des Flugzeuges
Zielsetzung 1: Eine einfache Vorrichtung bauen, um eine Tragfläche zu testen.
Zielsetzung 2: Die Prinzipien, die dem Auftrieb einer Tragfläche zugrunde liegen, mit den Experimenten,
die im Lernabschnitt 1 gemacht wurden, in Beziehung zu bringen.
E r k l ä r u n g
Die Beschleunigung der Luft auf der Tragfläche ist anhand einfacher Experimente sehr schwierig zu
erklären,und wir möchten vermeiden, den Lernenden “irgendeine Geschichte” zu erzählen. Anhand der
vorherigen Experimente möchten wir, dass die Lernenden verstehen, dass der Auftrieb dadurch erzeugt
wird, dass die Luft auf dem oberen Teil der Tragfläche beschleunigt ist. Diese Beschleunigung ist durch
die Form der Tragfläche bedingt.
M a t e r i a l
ein oder mehrere kleine und realistische Modelle eines Flugzeugs/von Flugzeugen, bei denen
ersichtlich ist, dass die obere Fläche der Tragflächen eine stärkere Wölbung hat als deren untere
Fläche
ein Schuhkarton
Strohhalme
eine dünne, starke Schnur
Papier
ein Haarföhn
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Wisst Ihr wie die Tragflächen eines Flugzeuges funktionieren?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
REStARTS – Die Experimente
43
Geben Sie den Kindern ein Flugzeugmodell. Die SchülerInnen sollen es anschauen, anfassen und genau
die Tragflächen betrachten. Fragen Sie die Kinder, was sie beobachtet haben.
Die Kinder können auch das untenstehende Bild einer Tragfläche anschauen. Dies zeigt den Rumpf-
Flächenübergang der Tragfläche (die Tragflächenwurzel), die am Rumpf des Flugzeuges befestigt ist.
Man kann sehen, dass das äußere Ende der Tragfläche schmaler als das Ende ist, das am Rumpf
befestigt wird.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
A . H e b t e u r e T r a g f l ä c h e
1. Vorbereitung der Tragfläche
Nehmt ein Stück Papier und dreht es.
Knickt das Papier, sodass der untere Teil flacher ist.
Verstärkt die Struktur der Tragfläche, indem Ihr zwei Strohhalme daran klebt, die als Führung
dienen.
2. Bereitet die Struktur der Tragfläche vor, um ihr mehr Stabilität zu geben
Nehmt ein Schuhkarton und spannt Schnüre darauf.
Führt eure Tragfläche durch die Schnüre, prüft die Stabilität.
3. Hebt eure Tragfläche
Blast mit einem Haarföhn auf die Tragfläche.
B . V e r g l e i c h m i t d e n E x p e r i m e n t e n d e s L e r n a b s c h n i t t s 1
Dieser Schritt kann aus dem Ergebnis einer vorhergehenden Diskussion abgeleitet werden.
Aus den bisherigen Experimenten kann abgeleitet werden, dass die Tragfläche einen Auftrieb erhält, weil
die Luft Druck ausübt …… (der Druck ist auf dem unteren Teil niedriger), das bedeutet, dass die
Geschwindigkeit der Luft über diesem Teil …… (langsamer ist)
Somit ist der obere Teil ……. (Die Luftgeschwindigkeit ist höher und der Druck ist geringer)
Dies kann dadurch erklärt werden, dass die Form der Tragflächen die Luft dazu zwingt, sich über dem
oberen Teil der Tragflächen schneller zu bewegen.
REStARTS – Die Experimente
44
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Auftriebskraft des Flugzeugs wird hauptsächlich dadurch erzeugt, dass eine der Schwerkraft
entgegengesetzte Kraft wirkt, diese entsteht, wenn die Luft um die Tragfläche herum strömt. Dieser
Luftstrom ist unter dem unteren Teil der Tragfläche verlangsamt und über den oberen Teil der Tragfläche
beschleunigt.
REStARTS – Die Experimente
45
Lernabschnitt 3: Der Bernoulli -Windbeutel , eine weitere
überraschende Anwendung des Bernoulli -Theorems
Zielsetzung 1: Zeigen, dass wenn die Luft sich bewegt, sich einige unerwartete Wirkungen einstellen.
Zielsetzung 2: Zu dem Fazit gelangen, dass, wenn die Luft sich schneller bewegt, sie weniger Druck
ausübt, und umgekehrt.
E r k l ä r u n g
Beim Gesetz von Bernoulli geht es um Energieerhaltung und dieses Gesetz ist zu kompliziert, um es
jungen Lernenden zu erklären. Dieses Prinzip besagt, dass, bei einem sich bewegenden Fluid, wenn es
keine Kompressibilitätseffekte gibt, die Zunahme von Druck eine Abnahme der Geschwindigkeit
verursacht und umgekehrt. Obwohl dies wohl zu schwierig zu erklären ist, können wir zumindest den
SchülerInnen Experimente zeigen, bei denen diese Wechselbeziehung zwischen Geschwindigkeit und
Druck überraschende Wirkungen mit sich bringt.
1
M a t e r i a l
ein Stück Papier im A4-Format
ein Luftballon
etwas Sand
ein Stock
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was ist anders, wenn die Luft sich bewegt?
Wenn die Geschwindigkeit zunimmt, übt dann die Luft mehr oder weniger Druck aus, als wenn die Luft
sich nicht bewegt?
Druck und Schieben: Könnt Ihr diese zwei Ausdrücke in Verbindung bringen? [für 11-Jährige]
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Zeigen Sie die Bernoulli-Windbeutel und fragen Sie die SchülerInnen, ob sie sich vorstellen können, wie
man diese füllen kann.
REStARTS – Die Experimente
46
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die Hauptaktivität wird darin bestehen, auf einen Spielplatz zu gehen, mit allen Kindern zusammen die
Bernoulli-Windbeutel zu füllen. Es soll aufgezeigt werden, wie diese Aktivität mit dem Lernabschnitt 1 in
Verbindung steht, und erklärt werden, wie die Beschleunigung des Fluids es ermöglichen wird, die Beutel
ohne Schwierigkeiten zu füllen.
REStARTS – Die Experimente
47
5. Der Begriff der Reibungskraft
Lernabschnitt 1: Fühlt die Auftriebskraft
Zielsetzung: Anhand unserer Alltagserfahrung die Reibungskraft identifizieren.
E r k l ä r u n g
Die Lernenden können alle intuitiv den Begriff "Reibungskraft" erfassen. Dieser Lernabschnitt nutzt
Experimente, bei welchen die Kinder die Reibungskraft selbst spüren können.
Die Lernenden werden ebenfalls erfahren, dass eine Änderung der Parameter, wie zum Beispiel die Wahl
des Fluids, die Reibungskraft beeinflusst.
M a t e r i a l
Mit Wasser gefüllte Flüssigkeitsbehälter
ein Apfel
kleine und große Tennisschläger
Tennisschläger mit und ohne gestopfte Löcher
Spielzeugautos
Ein Stück Fußbodenbelag
M a x i m a l e D a u e r
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was ist die Reibungskraft?
Ist die Reibungskraft in unserem Leben nützlich?
Was ist der Unterschied zwischen Reibungskräfte bei Festkörpern und bei Fluide?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Tun Sie einen Apfel in einem mit Wasser gefüllten Behälter. Die
SchülerInnen sollen ihre Hände auf ihren Rücken legen und dann
versuchen, den Apfel mit ihrem Mund zu schnappen. Was passiert?
Wiederholen Sie dieses Experiment, doch diesmal soll der Apfel auf
einem Tisch liegen.
Was ist der Unterschied?
REStARTS – Die Experimente
48
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Bewegt eure Hand in der Luft. Spürt Ihr etwas?
Bewegt die verschiedenen, kleinen und großen Tennisschläger in der Luft.
Bewegt eure Hand im Wasser.
Nehmt einen kleinen Tennisschläger und bewegt ihn im Wasserbehälter.
Diskutieren Sie mit Ihren SchülerInnen über deren Interpretation dieser Experimente. Die SchülerInnen
sollen Erfahrungen beschreiben, die sie im Alltagsleben gemacht haben, die mit den bei diesen
Experimenten gemachten Erfahrungen vergleichbar sind.
Die SchülerInnen sollen Spielzeugautos auf dem Fußboden rollen lassen.
Dieses Experiment sollen die SchülerInnen mit verschiedenen anderen Gegenständen
wiederholen.
Fragen Sie die SchülerInnen, was der Unterschied ist zwischen dem Experiment mit dem Spielzeugauto
und den vorigen Experimenten, bei denen sie ihre Hand in der Luft und im Wasser bewegten.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Reibungskräfte verursachen eine Hemmung der Fortbewegung. Die
Forschung auf vielen Gebieten widmet sich diesen Reibungskräften.
Es gibt einen Unterschied zwischen der Reibung in einem Fluid und
der Reibung, die durch den Kontakt von Festkörpern verursacht wird.
Doch müssen wir uns vergegenwärtigen, dass wir die Reibungskraft
brauchen, um beispielsweise auf dem Fußboden ohne Rutschgefahr
zu laufen.
Ein Auto zum Beispiel braucht gute Reifen, die hinreichend an der Fahrbahn haften, doch braucht ein
Auto ebenfalls ein gutes aerodynamisches Profil, damit die Reibungskräfte geringer sind und somit
weniger Treibstoff verbraucht wird.
Bei einem Flugzeug sind die Tragflächen so profiliert, dass sie einerseits für genügend Auftriebskraft
sorgen, und andererseits dass sie während des Flugs die Reibungskräfte minimieren. Bei der Landung
werden die Bremsklappen, die sich am äußeren Ende der Tragflächen befinden, ausgefahren, um die
Wirkung der Reibungskräfte zu erhöhen, damit das Flugzeug an Geschwindigkeit verliert.
REStARTS – Die Experimente
49
Lernabschnitt 2: Wie wir die Auftriebskraft ändern können –
Stufe 1 Aufgabenstellung und Konzeption der Experimente
Zielsetzung 1: Experimentieren, wie Änderungen der Reibungskraft möglich sind.
Zielsetzung 2: Mit den Lernenden ein Experiment entwickeln, um die Ergebnisse mehrerer Tests zu den
Reibungskräften miteinander zu vergleichen, und um zu ermitteln, wie sich die Veränderungen
verschiedener Parameter auf die Reibungskraft auswirken.
E r k l ä r u n g
Von allen physikalischen Phänomenen und Gesetzmäßigkeiten, die wir behandelt haben, ist Reibung am
ehesten intuitiv zu erfassen, zumindest was die Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit betrifft. In
diesem Lernabschnitt werden wir uns damit beschäftigen, wie man die Geschwindigkeit einer Bewegung
verringern kann und dabei eine Reibung erzeugt.
M a t e r i a l
Spielzeugautos / Kriterien zur Auswahl der Autos: Die Autos sollten nicht zu leicht sein, sonst
wird ihre Bewegung instabil. Doch sollten sie auch nicht zu schwer sein, damit sie weit genug
rollen können, wenn man sie anstößt. Nachdem wir verschiedene Spielzeugautos in
herkömmlichen Spielzeugläden ausprobiert haben, kamen wir zu dem Schluss, dass die Autos,
die am Besten rollen, die für Kleinkinder (18 Monate alt) sind.
Eine Rampe für Spielzeugautos mit nicht zu starker Neigung: Sie können die Rampe selbst
bauen oder eine vorgefertigte Rampe für Spielzeugautos nehmen. Das Wichtigste einer guten
Rampe ist, dass der Übergang von der Rampe zum Boden so glatt wie möglich ist. Deshalb sind
die im Spielzeugladen erhältlichen Rampen dünn und geschwungen.
Mehrere Blätter Papier
Strohhalme
Selbstklebepapier
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Wie kann man die Fortbewegungsstrecke eines Autos reduzieren?
Wie können wir unsere Testergebnisse miteinander vergleichen?
REStARTS – Die Experimente
50
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Schauen Sie sich mit Ihren SchülerInnen die Fotos im Lernabschnitt 1 an und fragen Sie sie, warum
Rennradfahrer und Speedskifahrer diese speziellen Ausrüstungen benutzen. Die SchülerInnen sollen
ebenfalls deren Haltung beobachten und darüber diskutieren.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
A . A u f g a b e
Die SchülerInnen sollen Dreiergruppen bilden. Jede Gruppe erhält eine Rampe und ein Spielzeugauto.
Sie sollen zunächst die Distanz ermitteln, die das Auto zurücklegt, wenn sie das Auto von der Rampe
loslassen.
Die Aufgabe besteht darin, das Auto in der Art zu verändern, dass seine Fortbewegung sich so viel wie
möglich verringert. Dabei soll das Fahrwerk nicht verändert werden, das Gewicht soll nicht zu viel
verändert werden.
B . S t r u k t u r i e r t e E x p e r i m e n t e
Die SchülerInnen haben Experimente durchgeführt, in denen sie ihre eigenen Tests miteinander
vergleichen konnten, dabei variierten alle relevanten Parameter. Schlagen Sie Ihnen für den nächsten
Lernabschnitt vor, einen Wettstreit auszutragen, bei dem bestimmte Parameter festgelegt sind.
Besprechen Sie mit Ihnen, welche Parameter konstant bleiben sollen und welche verändert werden, um
die Wirkung der Reibungskraft eingehender zu untersuchen.
Wenn sie ihre Tests miteinander vergleichen wollen, müssen die Lernenden ihre Autos auf
dieselbe Weise von der Rampe rollen lassen: von derselben Höhe der Rampe aus und möglichst
parallel zur Fahrstrecke.
Sie können die Oberflächenstruktur und den Oberflächenwert variieren.
Sie können auch die Oberfläche mit Vertiefungen und Erhöhungen versehen und besprechen,
wie die SchülerInnen die Oberfläche der Fahrtstrecke gestalten können.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Indem eine Fläche hinzugefügt wird, die der Luft Widerstand bietet, wird die Geschwindigkeit der
Bewegung des Autos verlangsamt und die von ihm zurückgelegte Strecke wird verkürzt.
REStARTS – Die Experimente
51
Lernabschnitt 3: Wie wir die Reibungskraft ändern können –
Stufe 2 Wissenschaftliche Vorgehensweise
Zielsetzung : Experimente mit einem wissenschaftlichen Ansatz zur Untersuchung von Änderungen der
Bewegung durch die Oberflächenresistenz.
E r k l ä r u n g
Siehe Lernabschnitt 2. Der Lernabschnitt 3 ist eine gute Übung, um Ihren SchülerInnen zu vermitteln,
dass ein wissenschaftlicher Ansatz darin besteht, zunächst die relevanten Parameter zu identifizieren und
diese anschließend einzeln zu prüfen. Erst danach können weitere Experimente durchgeführt werden, da
es sonst nicht möglich ist, korrekte Schlussfolgerungen aus den Experimenten zu ziehen.
M a t e r i a l
Spielzeugautos / Kriterien zur Auswahl der Autos: Die Autos sollten nicht zu leicht sein, sonst
wird ihre Bewegung instabil. Doch sollten sie auch nicht zu schwer sein, damit sie weit genug
rollen können, wenn man sie anstößt. Nachdem wir verschiedene Spielzeugautos in
herkömmlichen Spielzeugläden ausprobiert haben, kamen wir zu dem Schluss, dass die Autos,
die am Besten rollen, die für Kleinkinder (18 Monate alt) sind.
Eine Rampe für Spielzeugautos mit nicht zu starker Neigung: Sie können die Rampe selbst
bauen oder eine vorgefertigte Rampe für Spielzeugautos nehmen. Das Wichtigste einer guten
Rampe ist, dass der Übergang von der Rampe zum Boden so glatt wie möglich ist. Deshalb sind
die im Spielzeugladen erhältlichen Rampen dünn und geschwungen.
Mehrere Blätter Papier
Strohhalme
Selbstklebepapier
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Besprechen Sie mit den SchülerInnen den Begriff "wissenschaftlicher Ansatz".
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Diskutieren Sie mit den SchülerInnen, was im vorigen Lernabschnitt passierte und bereiten Sie mit ihnen
den jetzigen Lernabschnitt vor.
REStARTS – Die Experimente
52
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Testen Sie mit den Lernenden, ob es möglich ist, die Spielzeugautos in exakt der gleichen Weise
starten zu lassen, da die Lernenden nun ihre Autos mehrmals starten lassen und die
zurückgelegte Fahrstrecke messen sollen.
Die Lernenden sollen einen ersten Parameter festlegen, zum Beispiel ein einfaches Quadrat. Sie
können die zurückgelegte Fahrstrecke messen, anschließend die Oberfläche des Quadrates
verdoppeln und nochmals messen.
Sie können ebenfalls unterschiedliche Formen verwenden, wie beispielsweise ein Quadrat, ein
Rechteck, ein Zirkel, und den Test mit genau derselben Oberflächengröße, doch mit
verschiedenen geometrischen Formen wiederholen.
Die Lernenden können probieren, ein Volumen mit Papier zu bauen, damit das Gewicht des
Autos nicht zu groß wird. Sie können ebenfalls einen Zylinder bauen oder ein Tischtennisball
benutzen.
Mathematische Aspekte: Entsprechend des mathematischen Kenntnisstandes Ihrer SchülerInnen
können Sie wieder verschiedene mathematische Übungen durchführen, um die Oberflächen miteinander
zu vergleichen. Jüngere Lernende können die Übung als geometrische Aufgabe durchführen, indem sie
ein Stück Papier falten. Dies funktioniert mit Dreiecken, Quadraten und Rechtecken. Ältere Lernende
können die mathematische Formel anwenden, die sie gelernt haben.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Indem eine Fläche hinzugefügt wird, die der Luft Widerstand bietet, wird die Geschwindigkeit der
Bewegung des Autos verlangsamt und die von ihm zurückgelegte Strecke wird verkürzt. In diesem
Lernabschnitt haben die SchülerInnen in systematischer Weise die relevanten Parameter identifiziert und
Messungen durchgeführt. Weitere in Verbindung mit diesem Thema stehende Experimente können dem
Teil II (Umweltfreundlicherer Transport) entnommen werden, wo mit dem Strömungswiderstand
experimentiert wird.
REStARTS – Die Experimente
53
6. Der Begriff der Schubkraft
Lernabschnitt 1: Schubkraft und Flugzeugmotor
Zielsetzung: Anhand der Erklärung eines Flugzeugmotors die Schubkraft verstehen.
Experimente zur Schubkraft sind sehr komplex. Deshalb schlagen wir Ihnen vor, die das Kapitel “Antrieb
eines Flugzeugs” im Buch ”Wie fliegt ein Flugzeug?“ zu nutzen, um Ihren SchülerInnen, entsprechend
ihrer Vorkenntnisse, das grundlegende Prinzip eines Flugzeugmotors zu erklären.
Ein Experiment kann das Prinzip des Antriebs veranschaulichen:
Machen Sie einen Ballon mit Düsenantrieb: Nehmen Sie einen aufblasbaren Ballon, einen Strohhalm und
eine 2 Meter lange Schnur.
Die Lernenden sollen ein 3 cm langes Stück vom Strohhalm abschneiden. Das Stück Strohhalm soll auf
der Mitte des Luftballons mit einem Klebeband befestigt werden. Dann wird die Schnur durch das Stück
Strohhalm geführt. Der Luftballon wird aufgeblasen und losgelassen. Die Luft, die dem Ballon entweicht,
reicht aus, um den Ballon eine kurze Strecke fliegen zu lassen und den Düsenantrieb zu demonstrieren.
Beispiel auf Youtube: http://www.youtube.com/watch?v=VoYzCwd5lko
REStARTS – Die Experimente
54
7. Der Begriff des Kräftegleichgewichts und der
Schwerpunkt eines Objekts
Lernabschnitt 1: Finden des Schwerpunktes eines Objektes
Zielsetzung: Verstehen, dass ein zweidimensionaler Gegenstand einen Gleichgewichtspunkt hat.
E r k l ä r u n g
Die Zielsetzung besteht darin, die Position des Gleichgewichtspunktes eines zweidimensionalen
Gegenstands zu untersuchen, bevor die Lernenden zum dreidimensionalen Flugzeug übergehen.
M a t e r i a l
eine kartonierte Verpackung (Zerealien-Verpackung)
eine Schere
eine Kordel
Nägel
ein Stift
ein Bamboleo Spiel
M a x i m a l e D a u e r :
60 Minuten
REStARTS – Die Experimente
55
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Könnt Ihr den Gleichgewichtspunkt eines Gegenstands finden?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Kaufen Sei oder bauen Sie vier Spiele der kleineren Version des Bamboleo-Spiels und schlagen Sie vor,
dass die in vier Gruppen aufgeteilten SchülerInnen das Spiel spielen. Sie können auch die große Version
des Bamboleo-Spiels kaufen und mit allen SchülerInnen zusammen spielen.
Die SchülerInnen sollen beschreiben, was in diesem Spiel passiert.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Geben Sie Ihren SchülerInnen ein Stück leichte Pappe (z.B. eine Zerealien-Verpackung, 10 x 10 cm).
Die SchülerInnen sollen einen zweidimensionalen Gegenstand zeichnen, der so groß wie möglich ist und
eine unregelmäßige Form hat.
Anschließend sollen sie einen Stift nehmen, dessen oberes Ende auf das Stück Pappe gerichtet ist und
dann den Gleichgewichtspunkt finden.
D e n G l e i c h g e w i c h t s p u n k t z e i c h n e n
Die SchülerInnen sollen dieselben Schritte mit einem Zirkel, einem Quadrat oder einem Rechteck
wiederholen und herausfinden, wo sich bei diesen drei regelmäßigen Formen der Gleichgewichtspunkt
befindet.
Geben Sie Ihren SchülerInnen eine Schnur und einen Nagel. Die SchülerInnen sollen eine Methode
finden, mit der sie den Gleichgewichtspunkt des von ihnen zuerst gezeichneten Gegenstands, der eine
unregelmäßige Form hat, bestimmen.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
REStARTS – Die Experimente
56
Lernabschnitt 2: Die Bewegung eines Flugzeuges im
dreidimensionalen Raum
Zielsetzung 1: Bestimmung der Richtungen, in denen sich ein Flugzeug bewegen
kann.
Zielsetzung 2: Nachzuvollziehen, dass ein Richtungswechsel um einen Punkt geschieht (der
Schwerpunkt des Flugzeugs).
E r k l ä r u n g
Der hauptsächliche Unterschied zwischen der Fortbewegung eines Autos und eines Flugzeugs ist, dass
das Flugzeug sich in einem dreidimensionalen Raum fortbewegt, während das Auto sich vornehmlich in
einem zweidimensionalen Raum fortbewegt.
M a t e r i a l
ein kleines Modellflugzeug
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was ist der hauptsächliche Unterschied zwischen der Fortbewegung eines Flugzeuges und der
Fortbewegung eines Autos?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die Lernenden sollen ein Modellflugzeug nehmen und zeigen, in welcher Richtung sich ein Flugzeug
beim Fliegen bewegen kann.
Wenn alle SchülerInnen das Experiment beendet haben, sollen sie sagen, an welcher Stelle sie das
Flugzeug hielten, um es zu bewegen. Sie sollen sich bewusst machen, dass (normalerweise) niemand
das Flugzeug zum Beispiel am Heck angefasst hat.
Die Lernenden sollen ein Modellauto nehmen, es in eine normale Position auf den Boden stellen, also
nicht über den Boden halten. Was ist der Unterschied?
Normalerweise werden alle Lernenden das Auto nahe seinem Schwerpunkt halten. Dieser Schwerpunkt
ist Gegenstand unserer Untersuchungen.
REStARTS – Die Experimente
57
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die SchülerInnen sollen einen Gegenstand bauen, der wie ein Flugzeug aussieht, mit zwei Flügeln und
einem Heck. Sie sollen es mit einem Zahnstocher in Gleichgewicht halten.
Dann zeigen Sie, wie die Lernenden das Flugzeug schieben müssen, um die Bewegungsrichtung des
Flugzeugs entlang der verschiedenen Achsen zu ändern. Geben Sie den Lernenden die als Anhang
zugefügten Informationsblätter, damit sie die exakten aeronautischen Begriffe lernen.
Lernabschnitt 3: Papierflugzeuge und Bewegungsrichtung
Zielsetzung 1: Ein Papierflugzeug bauen und es fliegen lassen.
Zielsetzung 2: Änderung der Flugrichtung eines Papierflugzeugs.
E r k l ä r u n g
Ein Papierflugzeug zu bauen und deren Form zu ändern, um ihre Flugrichtung zu ändern, ist relativ
einfach.
Die SchülerInnen sollen die Bewegungsrichtung der von ihnen gebauten Papierflugzeuge mit der richtiger
Flugzeuge vergleichen.
M a t e r i a l
ein Blatt Papier A4
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Wie ändern Flugzeuge ihre Richtung?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die Lernenden sollen zusammenfassen, was sie im vorigen Lernabschnitt über die Bewegungsrichtungen
von Flugzeugen gelernt haben.
REStARTS – Die Experimente
58
Fragen Sie die Lernenden, wie ihrer Meinung nach Flugzeuge ihre Richtung ändern?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
D e r B a u e i n e s P a p i e r f l u g z e u g e s
Die SchülerInnen sollen entsprechend der obenstehenden Zeichnung ein Papierflugzeug vorbereiten.
Dazu sollen sie ein Blatt Papier im A4-Format benutzen.
Die SchülerInnen sollen ihr Papierflugzeug fliegen lassen und dessen Richtung beobachten.
Ä n d e r u n g d e r R i c h t u n g 1
Faltet euer Papierflugzeug entsprechend der folgenden Zeichnung.
In welcher Richtung wird eurer Meinung nach das Flugzeug fliegen?
Lasst euer Papierflugzeug fliegen und beobachtet es.
Ä n d e r u n g d e r R i c h t u n g 2 ( s e l b e V o r g e h e n s w e i s e w i e b e i S c h r i t t 1 )
Faltet euer Papierflugzeug entsprechend der folgenden Zeichnung.
In welcher Richtung wird eurer Meinung nach das Flugzeug fliegen?
REStARTS – Die Experimente
59
Lasst euer Papierflugzeug fliegen und beobachtet es.
Ä n d e r u n g d e r R i c h t u n g 3 ( s e l b e V o r g e h e n s w e i s e w i e b e i S c h r i t t 2 )
Faltet euer Papierflugzeug entsprechend der folgenden Zeichnung.
In welcher Richtung wird eurer Meinung nach das Flugzeug fliegen?
Lasst euer Papierflugzeug fliegen und beobachtet es.
V e r g l e i c h d e r e x p e r i m e n t e l l e n P a p i e r f l u g z e u g e m i t r i c h t i g e n
F l u g z e u g e n
Nehmt das Bild eines richtigen Flugzeuges, schaut euch die Funktionsweise dessen richtungssteuernden
Teile an und vergleicht das Verhalten dieser Flugzeuge mit dem eben beobachteten Verhalten der
Papierflugzeuge.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Anhand eines einfachen Experimentes mit einem Papierflugzeug ist es möglich die Funktionsweise der
verschiedenen beweglichen Teile eines richtigen Flugzeuges zu verstehen. Diese Aktivität kann im
Zusammenhang mit dem Kapitel ”Grundlegende Prinzipien des Flugzeugfluges ” im Buch “Wie fliegt ein
Flugzeug?” mit den Lernende besprochen werden.
REStARTS – Die Experimente
60
II. Umweltfreundlicherer
Luftverkehr
1. Lärm
Lernabschnitt 1: Lärmerzeugung
Zielsetzung: Lärmreduzierung ist eines der Ziele der Europäischen Union für einen umweltfreundlicheren
Luftverkehr, das in der europäischen Luftfahrtvision "Flightpath 2050" aufgenommen wurde.
Deshalb ist das Verstehen der Lärmerzeugung und der Lärmverminderung ein wichtiger Faktor bei der
Umsetzung der für die europäische Luftfahrt gesetzten Ziele. Die Verringerung der Lärmbelastung wir ein
wichtiges Thema für die zukünftige aeronautische Forschung sein. Langfristig werden qualifizierte und
motivierte Fachkräfte benötigt, um in der Zukunft die Forschungsinfrastruktur in diesem Bereich zu
stärken. Die schulische Vermittlung der physikalischen Grundlagen von Schall und Lärm ist ein gutes
Mittel, um das Interesse junger Menschen für die Raumfahrt und der mit ihr verbundenen
Wissenschaftsgebieten zu fördern.
Flightpath 2050 – Europas Vision für die Luftfahrt:
“Die wahrgenommene Lärmemission eines fliegenden Flugzeuges ist um 65% reduziert. Diese Zahl
bezieht sich auf die Möglichkeiten eines typischen Flugzeugs im Jahr 2000.” (Flightpath 2050 - Europas
Vision für die Luftfahrt, Bericht der hochrangigen Expertengruppe zur Luftfahrtsforschung , Seite 15,
Stand vom 13.02. 2012).
Wie wir es selbst in unserem Alltag erleben, spielen Schall und Lärm eine wichtige Rolle in der
Aeronautik. Dies ist die erste von sechs Lektionen zu Schall und Lärm, in denen die SchülerInnen lernen
werden,
wie Schall erzeugt wird,
welche physikalischen Grundlage eine Schallquelle bestimmt.
Schallquellen stehen mit mechanischen Vibrationen in Verbindung. Deren Eigenschaften können mittels
ihrer Amplitude (maximale Schallbeugung) und ihrer Frequenzen (Anzahl der Oszillationen pro
Zeiteinheit).
M a x i m a l e D a u e r
40 Minuten
REStARTS – Die Experimente
61
M a t e r i a l
CD-Abspielgerät oder ein Computer mit Lautsprechern, um einführend Schallbeispiele
vorzuführen
ein Behälter mit einem Gummiband (Bild 1) oder Stäbe mit Nägeln, um ein Gummiband darauf zu
spannen
ein Lineal (Bild 2)
eine Stimmgabel
ein Glas und Wasser
Papier, eine Trommel (Tamburin)
ein Triangel
Flaschen und Wasser
Hinweis: Es ist nicht notwendig, alle oben genannten einzusetzen, doch sollten mindestens 3 oder 4
verschiedene Materialien zur Verfügung stehen. Jedes dieser Materialien erzeugt Schall auf
verschiedene Weise (zum Beispiel eine Stimmgabel, ein mit Wasser gefülltes Glas, ein Lineal, ein
Behälter mit einem Gummiband.)
Bid.1: Ein Behälter mit einem schwingenden Gummiband.
Spannt das Gummiband über die Längsseite des Behälters, sodass das Gummiband in der Mitte ist.
Zupft das Gummiband leicht an.
REStARTS – Die Experimente
62
Bild 2: Das schwingende Lineal
Drückt mit eurer Hand das Ende des Lineals, das über der Tischkante liegt, fest auf den Tisch; die Hälfte
der Länge des Lineals sollte über den Tisch hinausreichen (Bild 2). Zupft an dem freien Ende – zu erst
leicht, dann stärker – sodass das freiliegende Linealsegment schwingt.
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Die SchülerInnen sollen sagen, was in ihrer Umgebung Schall erzeugt, bzw. welche typischen
Geräusche oder Klänge, sie in ihrem alltäglichen Leben hören können.
Die SchülerInnen sollen sagen, welche Geräusche und Klänge sie als angenehm oder
unangenehm empfinden. Machen Sie eine Liste Geräuschen und Klängen.
Spielen Sie Beispiele von Geräuschen und Klängen ab (Musik, Verkehrslärm, Aufnahmen von
Gesprächen, Donnerschläge). Die Lernenden sollen erraten, welche Schallquellen den
Geräuschen und Klängen zugrunde liegen.
Weisen Sie darauf hin, dass, da alle aufgelisteten Gegenstände Schall erzeugen, diese etwas
gemeinsam haben müssen. Lassen Sie die SchülerInnen darüber diskutieren.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
1 ) G e b e n S i e d e n S c h ü l e r I n n e n v e r s c h i e d e n e M a t e r i a l i e n ( s i e h e
d e n A b s c h n i t t " M a t e r i a l " ) . S t e l l e n S i e i h n e n f o l g e n d e F r a g e n :
Wie kann man Schall erzeugen?
Was passiert dabei? Beschreibt, was Ihr dabei sieht, hört, spürt oder fühlt.
Erklärung: Die SchülerInnen sollten nachvollziehen, dass alle benutzten Materialien schwingen und dies
die gemeinsame Eigenschaft von Schallquellen ist. Sie können auch einen Lautsprecher einsetzen, um
zu zeigen, dass, wenn wir Musik hören, wir die Schwingungen der Lautsprechermembrane wahrnehmen.
Die SchülerInnen können vorsichtig die Membrane berühren, um dessen Schwingungen zu spüren, wenn
über den Lautsprecher Musik zu hören ist.
REStARTS – Die Experimente
63
2 ) B e e i n f l u s s u n g d e s S c h a l l s
Wie kann der erzeugte Schall beeinflusst werden?
Wodurch wird der Schall lauter?
Kann der Schall/Klang/Ton beeinflusst werden? (Dabei soll nicht die Stimmgabel oder der
Triangel benutzt werden)
Wie kann man den Schall stoppen?
Was passiert dabei?
Was können wir beobachten?
Was haben die verschiedenen Methoden der Schallerzeugung miteinander gemeinsam?
Schreibt in zwei Zeilen auf, was Ihr wahrgenommen habt: “je mehr/je weniger… umso…”. Ordnet
den erzeugten Schall die Begriffe“laut/leise” und “hoch/niedrig (hell/dunkel)” zu.
Erklärung: Die SchülerInnen sollten erkennen, dass die Schallbeugung (Amplitude, Weg des Schalls)
eines schwingenden Körpers die Lautstärke des erzeugten Schalls beeinflussen. Je größer die
Schallbeugung ist, umso lauter ist der erzeugte Schall. Je schneller die Schwingungen sind (höhere
Schwingungszahl pro Zeiteinheit, höhere Frequenz), umso höher ist die Tonhöhe. Wenn die
SchülerInnen die Schwingungen stoppen, ist auch der Schall gestoppt. Wenn die Amplitude der
Schwingungen abnimmt, wird auch die Lautstärke des Schalls ab.
3 ) W a s p a s s i e r t m i t d e r m e n s c h l i c h e n S t i m m e ?
Erklärung: Die SchülerInnen können die Schwingungen ihrer Stimmbänder fühlen, indem sie beim
Sprechen ihre Kehle mit ihrer Hand berühren. Sie können auch während des Sprechens einen Luftballon
vor ihren Mund halten. Die Schwingungen sind dann fühlbar.
4 ) W a s p a s s i e r t b e i m P f e i f e n ?
Erklärung: In der Kehle sind keine Schwingungen zu fühlen, da die Kehle und die Stimmbänder bei der
Schallerzeugung nicht beteiligt sind. Der Schall wird allein durch die Lippen erzeugt (Schwingungen). Ein
weiteres Beispiel ist das Blasen über der Öffnung einer Flasche (mit verschiedenen Niveaus des
Wasserspiegels in der Flasche), so schwingt die Luft über der Flasche und erzeugt Schall.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Es gibt viele Arten Schall zu erzeugen, beispielsweise indem man eine Seite anzupft oder auf eine
Trommel schlägt. Die von der Schallquelle erzeugten Schwingungen bewegen sich in diesen Fällen
immer mit großer Geschwindigkeit vor und zurück. Wenn die Schwingung stoppt, stoppt auch der Schall.
REStARTS – Die Experimente
64
Lernabschnitt 3: Lärmvisualisierung
Zielsetzung: Die Menschen können zwischen den Geräuschen eines Flugzeugs und die eines
Helikopters unterscheiden. Es gibt sogar Menschen, die verschiedene Typen von Flugzeugen nach dem
Gehör unterscheiden können. In diesem Lernabschnitt werden die SchülerInnen lernen,
was ein Zeitsignal ist und wie es dargestellt wird,
wie die Frequenzanalyse als Instrument eingesetzt wird, um Schall, Klänge und Geräusche zu
analysieren.
Oszillationen sind periodische Bewegungen, die durch ihre Amplitude und ihre Frequenzen bestimmt
werden. Indem der zeitliche Verlauf der akustischen Signale visualisiert wird, können die SchülerInnen
die Schwingungsbewegungen “sehen”.
Anhand der Frequenzanalyse verschiedener Schallquellen (insbesondere einzelne Töne) können die
SchülerInnen nachvollziehen, dass Klang die Kombination verschiedener Frequenzen ist. Dies kann
ihnen helfen, zu verstehen, was mit “Klangfarben” gemeint ist und was der Unterschied zwischen Ton,
Klang und Geräusch ist.
Die SchülerInnen sollten Vorwissen zum Thema Frequenzen haben. Wenn nicht, kann dieser
Lernabschnitt dazu benutzt werden, zu erklären, was Frequenzen sind.
Die Zusammenarbeit mit einer MusiklehrerIn kann hilfreich sein, um zu erklären, was Obertöne sind.
M a x i m a l e D a u e r
90 Minuten
M a t e r i a l
Signalgenerator, Oszilloskop oder PC-Software (z.B. “Scope”, “Audacity”)
Soundkarte und Mikrophon
Verschiedene Schallquellen (siehe Lernabschnitt 1)
REStARTS – Die Experimente
65
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
1 ) W i e k ö n n e n w i r K l ä n g e v i s u a l i s i e r e n ?
Spielen Sie in Ihrem Computer Musik mit dem Windows Media Player ab. Wechseln Sie in
“Visualisungen” zur Option “Graph” (mit der rechten Maustaste). Der zeitliche Verlauf der akustischen
Signale wird dann während des Abspielens der Musik graphisch dargestellt werden. Fragen: Was wird
bei den Visualisierungen dargestellt? Wozu können wir die graphische Darstellung nutzen?
2 ) W i e k ö n n e n K l ä n g e a n a l y s i e r t w e r d e n ?
Spielen Sie in Ihrem Computer Musik mit dem Windows Media Player ab. Wechseln Sie in
“Visualisierungen” zur Option “Streifen” (mit der rechten Maustaste). Das Frequenzspektrum der Musik
wird während des Abspielens der Musik angezeigt. Fragen: Was wird bei den Visualisierungen
dargestellt? Wozu können wir die graphische Darstellung nutzen?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
1 ) V i s u a l i s i e r u n g d e s z e i t l i c h e n V e r l a u f s d e r a k u s t i s c h e n
S i g n a l e m i t e i n e m O s z i l l o s k o p
Verbinden Sie ein Mikrophon mit einem Oszilloskop, um den zeitlichen Verlauf der akustischen Signale
zu visualisieren. Falls kein Oszilloskop verfügbar ist, nutzen Sie einen Computer mit einer Soundkarte
und einer Oszilloskop-Software (z.B. “Scope”).
Erklärung: Erläutern Sie, dass die vom Mikrophon aufgenommen akustischen Signale (also die
Schallwellen, die sich in der Luft ausbreiten) in elektrische Signale umgewandelt werden, die vom
Oszilloskop dargestellt werden können.
REStARTS – Die Experimente
66
2 ) F r e q u e n z a n a l y s e
Schalten Sie den Modus Frequenzanalyse ein. Nehmen Sie verschiedene Geräusche oder Töne (pfeifen,
summen, klatschen…) mit dem Mikrophon auf und beobachten Sie die graphische Darstellung der
Frequenzanalyse. Versuchen Sie zu pfeifen und dabei die Tonhöhe zu ändern. Was wird auf welcher der
Achsen des Diagramms dargestellt? Was bedeutet es, wenn der Skalenwert der dargestellten Signale auf
der senkrechten Achse des Diagramms hoch ist und wenn der der Skalenwert der dargestellten Signale
auf der waagerechten Achse hoch ist? Wann werden Spitzenwerte angezeigt?
Erklärung: Bei den Frequenzanalysetools ist der Lautstärkepegel auf der vertikalen Achse dargestellt und
die Schwingungsfrequenzen auf der horizontalen Achse, wobei die niedrigsten Frequenzen (tiefe Töne)
auf der linken Seite des Diagramms und die höchsten Frequenzen auf der rechten Seite des Diagramms
gezeigt werden. Analog dazu kann man auf einem Klavier demonstrieren, dass sich die tieferen Töne auf
der linken Seite der Tastatur und die höheren auf der rechten Seite befinden. Im Diagramm der
Frequenzanalyse können wir höhere Amplituden auf der rechten Seite sehen, wenn die Schallenergie im
niedrigeren Frequenzbereich höher ist. Jeder einzelne Ton/Klang wird in der Graphik des
Frequenzspektrums dargestellt. Das Niveau der Lautstärke wird in Dezibel (dB) gemessen, wobei der
maximale Lautstärkepegel des Tons/Klangs, welcher messbar und darstellbar ist, der Leistungsgrenze
der Soundkarte entspricht. Normalerweise ist die Grundeinstellung des Lautstärkepegels “Null”, sodass
alle weiteren Lautstärkepegel der Soundkarte im Negativ-Bereich sind (kleiner als Null). Für eine
Aufnahme innerhalb eines 16 Bit-Dynamikbereichs beträgt der Schallpegel (wenn es kein Geräusch gibt)
-96.3 dB.
3 ) A n a l y s i e r t m i t t e l s d e r S o f t w a r e “ S c o p e ” d e n S c h a l l
v e r s c h i e d e n e r Q u e l l e n
a) Beobachtet das Spektrum, das Ihr aufnehmt, wenn es “kein Geräusch” im Raum gibt. Was hört Ihr
dann?
Erklärung: Das Mikrophon nimmt auch noch Schall auf, wenn es“ruhig” im Raum ist. Die
Hintergrundgeräusche wie Atmung, Ventilatoren, Geräusche außerhalb des Raums, die
Reibungsgeräusche der Kleidung, etc., werden von der Anzeigegraphik des Aufnahmegerätes weiter
erfasst. Selbst wenn es diese Geräusche nicht gäbe, würde die Elektronik des Mikrophons, der
Soundkarte, etc., immer noch selbst genügend Geräusche produzieren. Wenn Ihr Messungen durchführt,
müsst Ihr stets darauf achten, den Schall, den Ihr aufnehmen wollt, von den Hintergrundgeräuschen zu
unterscheiden.
b) Messt das Spektrum einer gezupften Seite und/oder eines gesungenen (oder wie von einem Roboter
gesprochenen) Vokals. Listet die Frequenzen von mindestens drei der leisesten Schallpegel auf und
versucht, eine mathematische Regel zu finden, mittels derer solche Frequenzen erzeugt werden können.
REStARTS – Die Experimente
67
Hinweis: Dividiert den höchsten Frequenzwert mit dem niedrigsten Frequenzwert.
Erklärung: Töne entstehen meistens durch die Schwingungen von Saiten oder von Luftsäulen. Dadurch
dass stehende Wellen erzeugt werden, bilden diese Schwingungen gleichzeitig eine Grundschwingung
und Oberschwingungen, die einen Grundton und Obertöne/Harmonische bilden. Obertöne entstehen
durch Schwingungen, deren jeweilige Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz ist.
Unser Gehör nimmt das Spektrum der Frequenzen als einen einzelnen Ton wahr, der eine bestimmte
“Farbe” hat. Die spezifische Zusammensetzung der Obertöne, die jeden Vokal charakterisiert, hilft uns
den Vokal “u” vom Vokal “e” zu unterscheiden und die Sprachlaute zu verstehen.
c) Messt das Spektrum einer Stimmgabel und zeichnet die gemessene Kurve.
Denkt an die Funktion der senkrechten Achse der Graphik der Frequenzanalyse. Wie würde das
Spektrum von zwei Stimmgabeln verschiedener Stimmung, die gleichzeitig angeschlagen werden,
aussehen? Messt die Hauptfrequenz der Töne der Stimmgabeln.
Hinweis: Ihr könnt die Lautstärke des Tons der Stimmgabeln verstärken, indem Ihr zum Beispiel eine
offene Schachtel oder einen Tisch als Resonanzkörper verwendet. Ihr könnt den Ton der Stimmgabeln
senken, indem Ihr den Stimmgabeln Masse zufügt, zum Beispiel indem Ihnen eine Büroklammer um
eines der schwingenden Teile der Stimmgabeln wickelt.
Erklärung: Dies sollte, was die Hauptfrequenz der Stimmgabel betrifft, eine Pegelspitze im gemessenen
Spektrum ergeben. Zwei Stimmgabeln mit einem jeweils verschiedenen Ton müssten zwei Pegelspitzen
im Spektrum erzeugen. In Software wie “Scope” könnt Ihr durch Drag-and-Drop mit dem Mauszeiger in
einfacher Weise die Frequenzen messen. Stimmgabeln haben weniger ausgeprägte
Obertöne/Harmonische, sodass für eine einzelne Stimmgabel nur eine einzige Pegelspitze zu sehen sein
müsste. Eventuell können einige Obertöne erkannt werden, die jedoch sichtbar geringere Amplituden
aufweisen.
d ) M e s s e n e i n e s S c h a l l s p e k t r u m s
Messt zum Beispiel das “weiße Rauschen” eines Rauschgenerators oder eines Radios/Fernsehers, der
nicht auf einen Sender eingestellt ist, oder einen mit dem Mund erzeugten Zischlaut (“shhhh”). Zeichnet
die gemessene Kurve des Spektrums eines Geräuschs auf. Was sind die Unterschiede zum Spektrum
von Tönen?
Hinweis: Um diese besser messen zu können, werdet Ihr für die Analyse eines Geräuschs eine höhere
Lautstärke brauchen als für die von Tönen.
REStARTS – Die Experimente
68
Erklärung: Das Spektrum eines idealen weißen Rauschens ist als flache Linie dargestellt; dies zeigt,
dass jede Frequenz dieselbe Energie aufweist (gleicher Schallpegel). Die gemessenen Spektren müssten
als ausgeprägtere Kurven als die von Tönen dargestellt sein, dies ist jedoch von der Qualität der
Lautsprecher, des Mikrophones oder der Position des Geräusch erzeugenden Mundes abhängig. Bei
Geräuschen ist die Schallenergie mehr oder weniger gleichmäßig auf viele Frequenzen verteilt, bei
Tönen hingegen konzentriert sich die Schallenergie auf eine oder einige Frequenzspitze(n).
e ) M e s s e n d e r S p e k t r e n v e r s c h i e d e n e r s t ö r e n d e r G e r ä u s c h e
Bewertet, welche Geräusche ihr als weniger störend oder als mehr störend empfindet (z.B. die
Geräusche eines Ventilators, von Straßenverkehr, eines Flugzeuges, von Wind, von weißem Rauschen).
Gibt es eine Korrelation zwischen eurer Bewertung und der Verteilung der Pegelspitzen (Tonalität) des
Spektrums der gemessenen Geräusche?
Erklärung: Ein wichtiger psycho-akustischer Parameter ist die Wahrnehmung von als Töne
identifizierbarem Schall. In den meisten Fällen werden Geräusche, bei denen Töne identifizierbar sind,
als störender empfunden als Geräusche, die“flachere” Spektren aufweisen.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Ein Schallspektrum zeigt, wie die Schallenergie auf verschiedene Frequenzen verteilt ist. Töne zeigen ein
Spektrum, das eines oder einige Frequenzspitzen aufweist. Breitbandige Geräusche zeigen ein
kontinuierliches Spektrum mit einer flachen Linie. Nicht elektronisch erzeugte Schallereignisse bestehen
immer aus der Kombination beider Elemente.
REStARTS – Die Experimente
70
Lernabschnitt 4: Messung des Lärmpegels
Zielsetzung: Um die Öffentlichkeit vor zu großem Lärm zu schützen, wurden von der Europäischen
Union Richtlinien zur Schallemission erlassen.
Ein Beispiel dafür ist die Umgebungslärmrichtlinie - Richtlinie 2002/49/EC, END. Die Implementierung
dieser Richtlinie in den Mitgliedsstaaten der EU berücksichtigt messbare, quantitative Parameter wie
beispielsweise den Schalldruckpegel, um die Schallemissionen zu charakterisieren.
In diesem Lernabschnitt werden die SchülerInnen begreifen,
wie man die Lautstärke von Tönen, Klängen und Geräuschen quantifizieren kann,
weshalb und wozu man logarithmische Skalen benutzt,
was Lärm ist.
Die Hauptfrage in diesem Lernabschnitt ist, wie man Schall und Lärm messen kann. Deshalb müssen wir
zunächst wissen, was ein Schalldruckpegel ist und wie man die dB-Skala verwendet.
M a x i m a l e D a u e r
90 Minuten oder sogar mehr, falls Ihr den Ausflug macht, der im untenstehenden Unterpunkt 3 dieses
Lernabschnitts vorgeschlagen wird.
M a t e r i a l
Audio-Dateien mit Hörbeispielen (nicht nur Musik, sondern auch andere Schallereignisse)
Lautsprecher
ein Schallpegelmesser
ein PC
Ein Mikrophon, ein Signalgenerator (Computer-Software oder ein externes Gerät)
Vorlagen für Schallpegeldiagramme
eine Reihe verschiedener Gewichte (1g, 2g, 5g, 10g, 20g, 50g, 100g)
REStARTS – Die Experimente
71
Bild 6: Schalldruckpegeldiagramm zur Veranschaulichung der logarithmischen Skalierung der dB-Werte
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Wie entsteht Lärm in eurer Umgebung? Macht eine Liste von störenden Lärmquellen.
Lassen Sie die SchülerInnen die verschiedenen Hörbeispiele bewerten (Gespräch, Seufzer,
Ventilatorgeräusche, Verkehrslärm). Welche davon sind laut /ruhig/störend/angenehm? Erstellen Sie eine
Liste aller Antworten.
Was hört Ihr, wenn Ihr still seit?
Hinweis: Passen Sie die Lautstärke der Schallereignisse an den realen Wert ihres Schalldruckpegels an,
möglichst vor Beginn der Lektion. Beachten Sie, dass der Wert des Schallpegeldrucks umso mehr
abnimmt, je mehr das Mikrophon von der Schallquelle entfernt ist, in diesem Fall die Lautsprecher. Um
die Lautstärke anzupassen, benötigen Sie Informationen über den Schallpegeldruck eines
Tones/Klanges/Geräusches und über die Distanz zwischen dem Messpunkt und der Schallquelle.
Messen Sie den A-bewerteten Schallpegeldruck in dB(A).
H a u p t a k t i v i t ä t e n
1) Was würdet Ihr messen, um die Lautstärke eines Tones/Klanges/Geräusches zu bestimmen? Wie
können wir die Fluktuationen des Schalldrucks in angemessener Weise charakterisieren?
Und wie würdet Ihr es machen?
REStARTS – Die Experimente
72
Erklärung: Eine Schallwelle ist die Fluktuation von Druck (die physikalische Einheit ist Pascal Pa), somit
messen wir die physikalischen Werte des Drucks, um die Lautstärke eines Tones/Klanges/Geräusches zu
charakterisieren. Um den Schallpegeldruck zu messen, benutzen wir ein Mikrophon. Wie im
Lernabschnitt 3 angegeben wird die Schallenergie von der Schallquelle zur Membrane des Mikrophons in
Form einer Welle transportiert. Diese Druckfluktuation bewirkt die Schwingung der Membrane, diese
Schwingung ist elektrisch messbar. Es sind die gleichen Prinzipien wie beim Lautsprecher, wo ein
elektrisches Signal die Schwingung der Lautsprechermembrane auslöst, nur das hier umgekehrt die
Schwingung der Membrane des Mikrophons in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
2) Jede Gruppe von SchülerInnen bekommt eine Reihe Gewichte. Jede/jeder soll ein Gewicht auf seine
Handinnenfläche tun (nicht zu leicht, zum Beispiel 50 g oder 100 g) und ihre/seine Augen schließen. Eine
zweite SchülerIn soll versuchen ein leichteres Gewicht auf dem ersten Gewicht abzulegen und vielleicht
ein Stück Papier zwischen den Gewichten legen, um Geräusche zu vermeiden. Könnt Ihr mit
geschlossenen Augen das zusätzliche Gewicht spüren? Wann fühlt es sich schwerer an? Notiert die
Werte des ersten Gewichts und des zusätzlichen Gewichts, wenn Ihr letzteres spürt.
Erklärung: Wenn das zweite Gewicht 10% des ersten Gewichts beträgt, müsste das zweite Gewicht zu
spüren sein. Unterhalb dieses Schwellenwertes hört Ihr vielleicht das Geräusch beim Ablegen des
Gewichts oder Ihr spürt vielleicht den Druck beim Ablegen des zweiten Gewichts auf eure Handfläche.
Doch ist es sehr schwierig, ein zusätzliches Gewicht von 1 g zu spüren, wenn Ihr als erstes Gewicht 50 g
auf eure Handfläche haltet. Berechnet die Gesamtmasse der Gewichte (erste Masse + zusätzliche
Masse). Es erweist sich, dass man 10 % des ersten Gewichts braucht, um eine Änderung des
Gesamtgewichts zu spüren. Dies ist kein lineales Verhalten, dasselbe Prinzip findet man beim Hören. Es
ist in der Tat ein logarithmisches Verhalten (mit Basis 10), das bedeutet, dass man ein Ansteigen der
Lautstärke wahrnimmt, wenn der Druck um 10 bis 12% erhöht ist.
Der Schalldruck, den das menschliche Ohr wahrnehmen kann, schwangt zwischen 2*10-5
Pa (20µPa),
dem leisesten wahrnehmbaren Schall, bis zur Schmerzschwelle, die bei einem Schalldruck von 100 Pa
liegt. Es ist bemerkenswert, dass das Ohr so eine große Spannweite von Druck wahrnehmen kann. Um
zwischen dem Geräusch einer Mücke und dem Sprechen in einer normalen Lautstärke und der
Wahrnehmung lauter Geräusche, wie die eines startenden Flugzeugs, zu unterscheiden, wird der
Schalldruck vom menschlichen Ohr in nicht linearer Weise wahrgenommen.
Um diesen Effekt zu berücksichtigen, wird der Schalldruckpegel, der von 0 dB bis 130 dB skaliert ist, als
Maß eingesetzt. In dieser Skala stellt 1 dB einen wahrnehmbaren Anstieg der Lautstärke dar. Der
Schalldruckpegel misst den effektiven Schalldruck p im Verhältnis zum Referenzwert p0. Die ist
notwendig, weil der Schalldruckpegel ein logarithmisches Maß ist,
Schalldruckpegel = 10*log(p2/p0
2) = 20*log(p/p0)
REStARTS – Die Experimente
73
wobei p0 der Referenzwert (2*10-5
Pa) ist, der entsprechend der Hörschwelle bei 1 kHz festgelegt ist.
Dieser Wert wird als Schalldruckpegel durch das Hinzufügen von dB (Dezibel) ausgedrückt. Zeigen Sie
eine graphische Darstellung des Schalldruckpegels in Relation zum Druck, um die logarithmische Skala
zu veranschaulichen (Bild 6).
3) Machen Sie eine Exkursion im Umfeld Ihrer Schule, um den Schallpegel alltäglicher Schallwellen zu
messen. Die SchülerInnen sollen die Werte notieren, diese zusammen auflisten und sie für die Aufgaben
des Unterabschnittes 5 einsetzen.
Hinweis: Es ist nützlich die Distanz zwischen Messpunkt und Schallquelle zu notieren, sowie den
Schalldruckpegel, die Art des Geräusches (Autogeräusche oder Hundegebell), wie die SchülerInnen die
einzelnen Geräusche empfinden, und die Dauer der Geräusche (z.B. “die ganze Zeit”, “3 Mal Bellen”, “ein
Auto in der Stadt, das innerhalb von 10 Sekunden vorbeifährt”).
4) Spielen Sie noch mal Beispiele von Aufnahmen verschiedener Schallquellen ab, die Sie bereits bei der
Einführung abgespielt hatten. Die SchülerInnen sollen sie mit Schallpegelmessern messen. Sie sollen auf
Karten die Werte des Schalldruckpegels der Schallquellen, die Distanz zu den Lautsprechern und die Art
des Schalls aufschreiben. Diese Karten sollen im Unterabschnitt 5 benutzt werden, um auf die
verschiedenen Aspekte von Tönen, Klängen und Geräuschen einzugehen.
5) Zeigen Sie Beispiele verschiedener Schallquellen und deren Schalldruckpegel. Falls Sie eine
Exkursion mit Ihren SchülerInnen gemacht haben, nutzen Sie ebenfalls die Notizen Ihrer SchülerInnen.
Sprechen Sie mit ihnen über die dB-Skala. Welche Art von Beschreibungen hat einen Bezug zum
Schalldruckpegel? Was kann nicht durch den Schalldruckpegel erklärt werden?
Hinweis: Bereiten Sie einige Karten vor (in der Größe von Postkarten) und schreiben Sie die Namen der
Schallquellen, deren Aufnahmen Sie abgespielt haben, und den Wert ihrer Schalldruckpegel auf die
Karten. Die SchülerInnen können die von ihnen während der Exkursion identifizierten Schallquellen und
deren von ihnen gemessenen Werte auf Karten notieren. Tragen Sie die gesammelten Informationen in
eine Tabelle ein, wobei die Werte der Schalldruckpegel in aufsteigender Reihenfolge (von den niedrigsten
zu den höchsten Werten) aufgeschrieben werden sollen. Die SchülerInnen können auch ein mit den
Karten versehenes Poster für das Klassenzimmer erstellen.
Erklärung: Reden Sie mit den SchülerInnen über die Skala und über die Platzierung der Messwerte der
Schallquellen in der Tabelle. Die SchülerInnen müssten dadurch ein Verständnis der dB-Skala vermittelt
bekommen. Falls möglich, besprechen Sie die Relation der Distanz einer Schallquelle zum
Schalldruckpegel.
REStARTS – Die Experimente
74
Fragen Sie die SchülerInnen:
a) Könnt Ihr anhand des Schallpegelmessers laute und leise Geräusche identifizieren? Welchen
Schalldruckpegel messt Ihr in einem ruhigen Raum, ohne dass Ihr sprecht und herumläuft?
Erklärung: Laute und leise Geräusche können identifiziert werden, indem man die Zahlen der Anzeige
des Schallpegelmessers vergleicht. Eine kleinere Zahl stellt den Wert eines leiseren Geräuschs dar als
eine höhere Zahl. Selbst in einem ruhigen Raum könnt Ihr einen Schalldruckpegel messen, der höher als
Null dB ist (Geräusche, die von außerhalb der Klasse kommen, SchülerInnen, die herumlaufen,etc.). Es
ist möglich, einen geringeren Wert als Null dB, welches die Referenz für die Berechnung des
Schalldruckpegels 2*105 Pa ist, zu messen. Deshalb bekommt man einen Wert von weniger als Null dB,
wenn man einen Schalldruck, dessen Wert unter diesem Referenzwert liegt, misst.
b) Könnt Ihr mittels eines Schallpegelmessers unangenehme und angenehme Geräusche
unterscheiden? Warum nicht? Diskutiert über diesen Punkt.
Erklärung: Unangenehme und angenehme Geräusche zu unterscheiden, indem man den Schallpegel
misst, ist unmöglich, weil diese Unterscheidung von der subjektiven Wertung der Hörenden abhängt.
Diese subjektive Wertung geschieht auf der Grundlage des Vorwissens und der bisherigen Erfahrungen
der Hörenden und ist deshalb ein sehr individueller Vorgang, der nicht nur mit dem Druckpegel zu tun
hat. Der Höreindruck ist keine messbare physikalische Quantität.
c) Was ist ein Geräusch? Welche Art von Schallereignis wird als unangenehm empfunden? Und wann
wird ein Schallereignis als Lärm empfunden?
Besprechen Sie mit den SchülerInnen, welche Druckpegel störend wirken, welche gesundheitliche
Schäden verursachen und welche euer Gehör sofort definitiv schädigen. Benutzen Sie die Tabelle 5, um
darüber zu diskutieren, was der Unterschied zwischen Geräuschen und Lärm ist.
Erklärung: Mit einem Schalpegelmesser, der den Schalldruckpegel angibt, ist es nicht möglich,
Informationen zu den Schallfrequenzen zu erhalten. Das ist der zweite Grund, weshalb es mittels eines
einfachen Schallpegelmessers nicht möglich ist, zu entscheiden, ob ein Geräusch störend ist oder nicht.
Ein unangenehmes/störendes und als zu laut empfundenes Schallereignis wird als Lärm bezeichnet
(vielleicht können Sie diese Definition ergänzen).
d) Führen Sie dieses Experiment draußen durch, wo es keine reflektierenden Wände gibt, um den Effekt
zu verdeutlichen. Lassen Sie den Schalldruckpegel in einer Distanz zu den Lautsprechern von 1 m, 2 m
und 4 m messen, während Sie ein Beispiel eines kontinuierlichen Schallereignisses abspielen (zum
Beispiel ein Rauschen). Die SchülerInnen können dabei entdecken, dass die Verdopplung der Distanz
zur Schallquelle ein Absinken des Schalldruckpegels von 6 dB(A) bewirkt.
REStARTS – Die Experimente
75
Erklärung: Man kann davon ausgehen, dass die kleinen Lautsprecher schwache Schallquellen sind, die
den Schall gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlen. Dies führt dazu, dass die Schallwellen sphärisch
abgestrahlt werden. Als Analogie können Sie den SchülerInnen ein Bild eines in einen See geworfenen
Steins zeigen. Der Stein erzeugt eine kreisförmige Welle an der Wasseroberfläche, die sich vom
Mittelpunkt aus ausbreitet. Dabei vergrößert sich der Radius der Welle. Dasselbe passiert mit einer in der
Luft sphärisch abgestrahlten Welle. Wenn man die Distanz zur Schallquelle vergrößert, sagen wir von 1
m zu 2 m, vergrößert sich die Oberfläche der Sphäre, von S1 = 4πr2 = 12.57 m
2 zu S2 = 50.27 m
2.
Dadurch wird der Schalldruckpegel um ∆L = 10 log (S2/S1) = 6 dB(A) abgeschwächt, weil die
ausgestrahlte Energie gleichmäßig auf der kleineren und größeren Sphäre verteilt wird. Denken Sie
daran, dass die Reflexionen einen Einfluss auf die Ausbreitung der sphärischen Welle haben.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
In diesem Lernabschnitt müssten die Lernenden nachvollzogen haben, dass es im Alltagsleben sehr viele
Schallereignisse gibt. Sie sollten den physikalisch messbaren Druck mit der dB-Skala in Beziehung
gebracht haben und verstanden haben, dass die Distanz zur Schallquelle eine wichtige Rolle spielt.
REStARTS – Die Experimente
76
Lernabschnitt 5: Ermittlung der Lärmquelle
Zielsetzung: Wenn wir versuchen, ein vorbeifliegendes Flugzeug mit unserem Blick zu lokalisieren,
lassen wir uns zuerst von unserer Hörwahrnehmung lenken, um festzustellen, dass sich das Flugzeug oft
an einer anderen Stelle befindet, als wir es beim Hören vermutet hatten.
Die Menschen sind in der Lage, zu erkennen, aus welcher Richtung ein Schallereignis kommt. Doch da
die Schallgeschwindigkeit nicht dieselbe ist, wie die des von uns wahrnehmbaren Lichtes, ist das
Schallereignis umso schwerer zu lokalisieren, je größer die Distanz zur Schallquelle ist. In diesem
Lernabschnitt werden die SchülerInnen
nachvollziehen, mit welcher Genauigkeit die Menschen in der Lage sind, die Richtung eines von
einer Schallquelle ausgehenden Schallwelle zu bestimmen,
verstehen, wie unser Gehirn es schafft, eine Schallquelle zu lokalisieren (Es erkennt die
Zeitverzögerung zwischen der Hörwahrnehmung des linken Ohres und die des rechten Ohres;
diese Zeitverzögerung hängt von der Distanz und unserer Position zur Schallquelle ab).
die endliche Schallgeschwindigkeit nachvollziehen, welche die Zeitverzögerung bei der
Hörwahrnehmung des linken und des rechten Ohres verursacht.
Schallwellen breiten sich in einer Geschwindigkeit aus, die davon abhängt, durch welches physikalische
Medium der Schall transportiert wird. In der Luft, bei 20° Celsius, breitet sich Schall mit einer
Geschwindigkeit von 343 m/s aus. Dies kann man beispielsweise bei einem Gewitter nachvollziehen. Das
Licht eines Blitzes erreicht das Auge fast sofort, die Schallwelle des Blitzes hingegen braucht etwas mehr
Zeit, um unsere Ohren zu erreichen. Das Ohr des Menschen kann eine Zeitverzögerung eines
akustischen Signals bis zu 30 µs erfassen, und somit die Richtung aus der der Schall kommt, sehr
präzise lokalisieren.
M a x i m a l e D a u e r
30 Minuten
M a t e r i a l
ein Schlauch
2 Trichter
eine Startklappe oder ein Paar Holzblöcke
eine Stoppuhr
ein Maßband
REStARTS – Die Experimente
77
Bild 7: Startklappe zur Messung der Schallgeschwindigkeit
Bild 8: ein Schlauch mit Trichtern für das Experiment “gerichtetes Hören”
Bild 9: Zwei Schüler, die das Experiment “gerichtetes Hören” durchführen
REStARTS – Die Experimente
78
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Reden Sie mit den SchülerInnen über die Ortung von Schallquellen. Denkt Ihr, dass es euch möglich ist,
die Richtung zu bestimmen, aus der eine Schallwelle kommt? Mit welcher Genauigkeit glaubt Ihr die
Richtung bestimmen zu können? Und wie könnt Ihr dies tun? Was ist Schallgeschwindigkeit und wie kann
man diese messen?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Gerichtetes Hören: Jeder der beiden Trichter wird jeweils in eines der beiden Enden des Schlauchs
gestöpselt. Eine SchülerIn hält beide Trichter an ihre/seine Ohren, wobei der Schlauch hinter
ihrem/seinem Rücken liegt. Eine andere SchülerIn klopft mit einem Stift auf den Schlauch, etwa auf der
Mitte seiner Länge. Die SchülerIn, die durch die Trichter zuhört, soll sagen, auf welcher Seite des
Schlauchs die andere SchülerIn geklopft hat. Diskutiert darüber, wie das möglich sein kann.
Messen der Schallgeschwindigkeit mittels einer Startklappe oder zweier Holzblöcke:
Findet ein Gebäude mit einer großen, senkrechten Außenwand, mit genug freier Fläche vor der Wand,
sodass die Wand ein hörbares Echo reflektieren kann. Stellt euch so weit wie möglich von der Wand
entfernt hin und messt die Distanz zur Wand. Eine der SchülerInnen ist mit einer Startklappe ausgerüstet
eine andere mit einer Stoppuhr. Die zu messende Zeit beginnt mit dem Signal der Startklappe. Die
SchülerIn mit der Starklappe betätigt die Klappe noch mal, sobald sie/er das Echo hören kann. Dies
macht sie/er zehn Mal und der/die andere misst die Zeit. Nun können sie die Schallgeschwindigkeit
berechnen, indem sie die doppelte Distanz zur Wand durch ein Zehntel der Zeit, die für die zehn
Klappenschläge gebraucht wurde, dividieren. Eventuell für jüngere SchülerInnen: Werft, bevor Ihr das
Experiment macht, einen Ball gegen die Wand, dessen Abprall ist mit der Reflexion einer Schallwelle
vergleichbar.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Schallwellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit aus, die vom Medium abhängt, welches sie
durchqueren. Die Dauer, bis verschiedene Schallwellen vom Gehör wahrgenommen werden, hängt
davon ab, welche Distanzen diese Schallwellen zurücklegen. In diesem Lernabschnitt sollte vermittelt
werden, dass aufgrund der endlichen Geschwindigkeit des Schalls es möglich ist, die Richtung einer von
einer Schallquelle ausgehenden Schallwelle zu orten. Fledermäuse, Wale und Delfine nutzen dies, um
sich bei ihrer Fortbewegung zu orientieren.
REStARTS – Die Experimente
79
Lernabschnitt 6: Lärmverminderung
Zielsetzungen: Die für die Innenseite des Flugzeugrumpfs benutzte Isolierung dient nicht nur der
thermischen Isolierung , sondern auch der Schallisolierung (siehe Bild 10).
Dies ist ein Beispiel für Schallisolierung in Flugzeugen. Die Wissenschaft und die Industrie im Bereich
Aeronautik arbeiten an neuen Konzepten für Flugzeuge, um deren Geräuschemission zu verringern. In
dieser Lektion werden die SchülerInnen lernen,
dass es verschiedene Konzepte für die Geräuschverminderung gibt und dass
es drei Hauptstrategien für die Geräuschverminderung gibt:
Geräuschverminderung an der Schallquelle,
Geräuschverminderung durch Hemmung der Schallübertragung,
Geräuschunterdrückung (aktive Geräuschkontrolle), die Anti-Vibrationssignale einsetzt.
Um die negativen Wirkungen von Lärm auf die Menschen zu verringern, gibt es hauptsächlich drei
verschiedene Ansätze. Der erste Ansatz ist den Schall direkt an seiner Quelle zu reduzieren, zum
Beispiel durch technische Mittel, welche die Entstehung von Geräuschen verhindern. Der zweite Ansatz
ist die Übertragung von Schall zu vermindern, indem isolierende und absorbierende Materialien
verwendet werden oder indem die Distanz zur Schallquelle vergrößert wird. Der dritte Ansatz ist die
Interferenz von Schallwellen zu nutzen, um aktiv die Geräusche zu verringern; dies nennt man “ aktive
Geräuschkontrolle”. Diese grundlegenden Prinzipien des Einwirkens auf die Erzeugung und Übertragung
von Schall machen es möglich, mannigfaltige technische Anwendungen zu entwickeln, die der
Geräuschreduzierung dienen. Ein Beispiel dafür ist das Hemmen der Schallübertragung. Die kann direkt
an der Schallquelle geschehen, indem man diese einkapselt, oder mittels schallisolierender Ohrstöpsel
für die Menschen, die den Geräuschen ausgesetzt sind, oder beispielsweise durch schallisolierende
Trennwände zwischen Schallquelle und dem Schall ausgesetzten Menschen. Ein weiteres Beispiel ist die
Geräuschunterdrückung, die durch Anti-Vibrationssignale, die in der Nähe der dem Schall ausgesetzten
Menschen generiert werden. Diese Technik wird beispielsweise bei Geräusch unterdrückenden
Kopfhörern genutzt, die mit einem Mikrophon und einem Prozessor ausgestattet sind, um das
Originalsignal zu invertieren.
M a x i m a l e D a u e r
45 Minuten
M a t e r i a l
ein Wecker
eine Stimmgabel
REStARTS – Die Experimente
80
ein Aluminiumblech
Knetmasse
ein Klebeband
PC und Lautsprecher
Software mit einem Frequenzgenerator, z.B. “Scope”
etwas Isolierendes, z.B. eine Decke oder ein Kissen
Bild 10: Isolierung in einem Flugzeug
Bild 11: Zwei Lautsprecher, um den Effekt der Geräuschunterdrückung zu zeigen
REStARTS – Die Experimente
81
Bild 12: Prinzip der Geräuschunterdrückung, in diesem idealen Fall bewirkt eine Phasenverschiebung von
180° eine perfekte Geräuschunterdrückung
Bild 13: Problem bei Anwendungen zur Geräuschunterdrückung: Eine Phasenverschiebung, die nicht
180° hat, bewirkt eine Verstärkung des Schalldrucks
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Spielen Sie einige Beispiele von Verkehrslärm vor, zum Beispiel startende Flugzeuge, vorbeifahrende
Züge oder Autos. Reden Sie mit Ihren SchülerInnen über die Wirkung von Lärm auf die Passagiere und
die Anwohner. Fragen Sie sie, welche Ideen sie haben, um die Lärmprobleme zu lösen.
Schalldämmwände in der Nähe von Zuggleisen? Und was ist mit Flughäfen?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
1) Lassen Sie die Kinder mit verschiedenen schallerzeugenden Gegenständen herumspielen, wie sie im
Lernabschnitt 1 angegeben sind. Die Kinder sollen versuchen deren Schallpegel zu reduzieren.
REStARTS – Die Experimente
82
Denkt an den Effekt, wenn Ihr den Stiel einer Stimmgabel auf einen Tisch haltet: Der Ton wird verstärkt.
Nun sollt Ihr versuchen, die Schallerzeugung zu hemmen, indem Ihr etwas Knetmasse auf einen oder auf
beide Zinken der Stimmgabel hinzufügt.
Schlagt auf ein Aluminiumblech, falls vorhanden, um damit Schall zu erzeugen. Wickelt einen großen
Abschnitt des Blechs mit Klebeband ein und schlagt noch mal auf den nicht umwickelten Teil.
2) Erklären Sie, dass die Verringerung der Lautstärke durch eine Unterbrechung der Schallübertragung
bewirkt werden kann. Die Lernenden sollen sich andere Methoden zur Verringerung der Lautstärke
ausdenken. Vielleicht können sie eine Decke über den Wecker legen und dann den Schallpegel messen.
Sie können es mit anderen Gegenständen probieren, wie eine Schachtel oder ein Kissen.
Reden Sie auch über das Experiment, bei dem die Distanz zur Schallquelle verringert wurde. Dadurch
wird eine Verringerung der Lautstärke von 6 dB bewirkt.
3) Setzen Sie mit einem Computer die Software “Scope“ ein, um jeweils für jeden der beiden
Lautsprecher gegenphasige Sinussignale zu generieren (linker und rechter Kanal). Schließen Sie nur ein
Lautsprecher zur gleichen Zeit an und lassen Sie die SchülerInnen den Schallpegel mit einem
Schallpegelmesser messen. Dann positionieren Sie die beiden Lautsprecher nebeneinander (siehe Bild
11); schließen Sie beide Lautsprecher an und lassen Sie die SchülerInnen noch mal den Schallpegel
messen. Die SchülerInnen werden hören, dass die Lautstärke nun verringert ist. Der Schallpegelmesser
wird eine Verringerung von 10 dB registrieren. Dies ist das Prinzip des Anti-Schalls: Die zwei Sinuswellen
heben sich gegenseitig auf. Sie brauchen das Gehäuse nicht, um diesen Effekt zu zeigen (Bild 11).
Hinweis: Benutzen Sie ein Sinussignal mit einer Frequenz von 200 Hz oder 400 Hz, um den Effekt zu
demonstrieren.
Erklärung: Wie man es auf dem Bild 12 sieht, heben sich zwei um 180° verschobene Phasen
gegenseitig auf. Das Bild zeigt einen idealen Fall, mit zwei ebenen Wellen. In diesem Experiment
erzeugen die beiden Lautsprecher mehr oder weniger sphärenförmige Wellen. Wenn die Distanz
zwischen den beiden Lautsprechern gering genug ist, könnt Ihr eine Abschwächung doch keine
vollständige Unterdrückung der Schallwellen feststellen. Das Problem mit dieser Methode der
Geräuschreduzierung wird im Bild 13 veranschaulicht. Eine Phasenverschiebung , die nicht 180° hat,
bewirkt eine Verstärkung des Schallpegels. In diesem Fall ist es besser, die zweite Schallquelle
auszuschalten.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die optimale Methode, um Geräusche zu vermindern, ist den Schaldruckpegel der Schallquelle selbst zu
reduzieren. Falls dies nicht möglich ist, können Schalldämmwände, Einhausungen und andere
Maßnahmen eingesetzt werden, um den Umgebungslärm zu verringern.
REStARTS – Die Experimente
84
Lernabschnitt 7: Messung des Lärmpegels und des
Schallspektrums eines Schallgenerators (Lautsprecher)
Zielsetzung1: Verstehen, was eine Dezibelskala dB ist; verstehen, wie sich der Schallpegel bei
verschiedenen Werten der Dezibelskala ändert.
Zielsetzung 2: Verstehen, was "weißes Rauschen" ist, und was eine Bandbreite ist.
Zielsetzung 3: Verstehen, was der Schallpegel, das Schallspektrum, Spitzenwerte und Mittelwerte sind.
E r k l ä r u n g :
Schall wird mittels einer Dezibelskala dB gemessen. Es gibt viele verschiedene Skalen (die wichtigsten
sind dB (A) und dB (C), welche die Korrelation der gemessenen Schallübertragung mit der menschlichen
Hörwahrnehmung anzeigen. Der gebräuchlichste Filter ist A, die Filter B und C werden selten benutzt.
Messungen, die mittels dieser Skalen durchgeführt werden, werden in dB (A), dB (B), dB (C)
ausgedrückt.
Das Signal soll von einem Computer erzeugt werden (ein beliebiger Computer, der mit einer Soundkarte
ausgestattet ist). Vom Computer wird das Signal zu einem Verstärker geleitet und dann zu einem
Lautsprecher. Für die Generierung von Signalen können Sie bereits fertige Audio-Dateien benutzen (mp3
oder wav).
Während das Signal generiert wird, wird auch die Datenerfassung durchgeführt. Benutzen Sie das
Spektrometer, um das Signal zu lesen. Sie können das Signal auf dem Display des Spektrometers
visualisieren.
M a t e r i a l :
ein Computer
ein Schallgenerator (Lautsprecher)
ein Schallpegelmesser
M a x i m a l e D a u e r :
60 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
1. Welche Unterschiede beobachten die Lernenden im Frequenzspektrum, wenn sie dB(A) und
2. dB(C) Filter benutzen und wenn sie keine Filter benutzen?
3. Wie ändert sich die Anzeige des Wertes des Schallpegels, wenn verschiedene Dezibelskalen
benutzt werden [dB(A) and dB(C)]?
4. Wie variieren die Werte, wenn sie als Spitzenwerte und als Mittelwerte gemessen werden?
REStARTS – Die Experimente
85
5. Welche Frequenzen beinhalten das weiße Rauschen?
6. Was ist eine Bandbreite?
7. Welches Geräusch ist störender? Das Breitbandgeräusch oder das Schmalbandgeräusch?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Spielen Sie ein CD ab, die alle möglichen Schallereignisse enthält: Geräusche von
verschiedenen Transportmitteln, elektrischen Geräten, Tierlaute, etc. Die Lernenden sollen
versuchen diese zuzuordnen: welches Geräusch entspricht welchem Transportmittel, welchem
elektrischen Gerät, welchem Tier, etc.
Erstellen Sie ein Poster mit der Dezibelskala and erklären Sie den Lernenden die Skala.
ODER
Spielen sie Filme ab, deren Geräusche von Modellflugzeugen, Modellautos, etc., wir mittels dem
Schallerfassungssystem aufgenommen haben.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
1. Schalten Sie den Geräuschgenerator (in diesem Fall besteht der Geräuschgenerator aus dem
Zusammenwirken von Computer, Verstärker und Lautsprechern) und den Schallpegelmesser ein.
Spielen Sie die Datei im WAV-Format mit dem weißen Rauschen ab.
Der Geräuschgenerator wird Signale generieren, die alle Frequenzen enthalten (das ist das weiße
Rauschen).
Die Lernenden sollen das Schallspektrum und den Schallpegel mit dem Schallpegelmesser messen.
Das Schallspektrum stellt den Pegelwert jeder einzelnen Frequenz dar.
Die Messungen werden durchgeführt, um die dominierenden Frequenzen beobachten zu können.
Die SchülerInnen sollen das Spektrum auf der dB(A)-Skala und auf der dB(B)-Skala messen und die
Unterschiede beobachten; die erste Messung ist für die Spitzenwerte. Die graphische Darstellung, die sie
auf dem Display beobachten werden, ähnelt der untenstehenden graphischen Darstellung. Die
SchülerInnen sollen die Werte des Schallpegels der untenstehenden Tabelle notieren und dann selbst
eine Graphik zeichnen.
REStARTS – Die Experimente
86
2. Bei der zweiten Messung sollen die SchülerInnen den Mittelwert des Schallspektrums messen, wieder
auf der dB(A)-Skala, auf der dB(B)-Skala sowie diesmal auch auf der dB(C)-Skala. Die Lernenden sollen
wieder die Unterschiede beobachten. Der Mittelwert des Spektrums gilt für einen bestimmten Zeitraum
(einige Sekunden). Stellt die Angabe des Beurteilungszeitraums im Schallpegelmesser ein. Die Graphik,
die auf dem Display des Schallpegelmessers für beide Messungen angezeigt wird, wird Histogramm
genannt. Die SchülerInnen sollen mit den Mittelwerten dieselbe Tabelle erstellen und eine Graphik
zeichnen.
Der Gesamtschallpegel ist die Summe der Schallpegel aller einzelnen Frequenzen (ein einziger Wert).
Die Schallpegelmessung kann auf der dB(A)-Skala und auf der dB(B)-Skala durchgeführt werden
(beobachtet die Unterschiede); die SchülerInnen sollen zunächst den Gesamtschallpegel messen.
Anschließend sollen sie den Mittelwert des Gesamtschallpegels messen.
Es sollen verschiedene Frequenzen generiert werden (spielen Sie die verschiedenen wav-Dateien vor):
50Hz, 100Hz, 125Hz, 200Hz, 500 Hz, 1000Hz, 2000Hz, 4000 Hz, und 6300 Hz, 12500 Hz, 16000 Hz. Die
oben genannten Messungen sollen mit diesen Werten wiederholt werden. Die SchülerInnen sollen die
Messergebnisse notieren und dabei die untenstehende Tabelle benutzen; anschließend sollen sie die
Messeergebnisse in einer Graphik darstellen.
Mittels einer Datei im WAV-Format wird eine Grundfrequenz erzeugt (1000 Hz) und deren Bandbreite
wird verändert; Mit dem Schallpegelmesser werden sie das Frequenzspektrum visualisieren und deren
Lautstärke.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Welche Unterschiede können die Lernenden im Frequenzspektrum beobachten, wenn sie dB(A) und
dB(C) Filter verwenden? Wenn man dB (A) einsetzt, sind einige Frequenzen im Vergleich zum Einsatz
von dB(C) abgeschwächt.
Wie verändert sich der Schallpegel beim Vergleich der Dezibelskalen dB(A) und dB(C)?
REStARTS – Die Experimente
88
2. Strömungswiderstand
Lernabschnitt 1: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand
von der Form des Objekts beeinflusst wird
Zielsetzung: Die Lernenden beschäftigen sich mit dem Strömungswiderstand verschiedenförmiger
Objekte und untersuchen, welche Form den geringsten Strömungswiderstand aufweist.
E r k l ä r u n g :
Die geometrische Form eines Objektes bedingt im großen Maße, welches Quantum an
Strömungswiderstand von diesem Objekt generiert wird. Wie bei der Auftriebskraft hängt der
Strömungswiderstand linear von der Größe und Form des Objektes ab, das sich durch die Luft bewegt.
Die Querschnittsform eines Objektes bestimmt den Formwiderstand (Druckwiderstand), der durch die
Druckdifferenzen um das Objekt herum erzeugt wird. Die dreidimensionale Form eines Flugzeuges
beeinflusst den induzierten Strömungswiderstand seiner Tragflächen.
Um den Strömungswiderstand eines Objektes zu verringern, muss das Objekt eine aerodynamische
Form haben, stromlinienförmig sein. Denkt an die Form eines Flugzeuges oder eines Schiffes. Deren
Form ist aerodynamisch, es gibt keine kubische, sphärische oder rechteckige Formen.
M a t e r i a l :
einige Behälter
verschiedenförmige Objekte: flache Platten, einige Kugellagerkugeln, ein stromlinienförmiges
Objekt, Wasser, ein Kubus, ein Klebeband
REStARTS – Die Experimente
89
M a x i m a l e D a u e r :
60 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist Strömungswiderstand?
Was beeinflusst den Strömungswiderstand?
Weshalb hat die Form eines sich in der Luft bewegenden Objektes einen Einfluss auf dessen
Strömungswiderstand?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Fragen Sie die SchülerInnen, was Strömungswiderstand ist. Es sollen möglichst viele SchülerInnen
antworten und versuchen, Erklärungen zu geben. "Was denkt Ihr, welche Faktoren einen Einfluss auf den
Strömungswiderstand haben? Versucht eure Antworten zu begründen". Zeigen Sie ihnen die
verschiedenförmigen Objekte und fragen Sie sie, welche von den Formen den geringsten
Strömungswiderstand bietet.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
E r s t e s E x p e r i m e n t :
Teilen Sie die SchülerInnen in Vierergruppen auf. Jede Gruppe bekommt einen mit Wasser zu
füllenden Behälter und einige verschiedenförmige Gegenstände: eine flache Platte, eine Kugel
und einen aerodynamisch geformten Gegenstand (wir benutzen ein Schiffsmodell und einen
Flügel)
Die SchülerInnen sollen den Behälter mit Wasser füllen und dann mit der Hand die Gegenstände
im Wasser bewegen, in horizontaler Richtung und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit. Die
SchülerInnen sollen dazu zuerst die Platte nehmen, dann die Kugel und zuletzt den Flügel.
Die SchülerInnen sollen aufschreiben, welche dieser Formen sich am leichtesten bewegen lässt.
Z w e i t e s E x p e r i m e n t :
Für das zweite Experiment benötigen wir zwei mit Wasser gefüllte Behälter, zwei identische Kugeln eines
Kugellagers (selbe Größe, selbes Gewicht, selbe Rauheit) und zwei weitere Gegenstände verschiedener
Größe.
Jede der SchülerInnen in den Vierergruppen soll die Kugeln zur gleichen Zeit in die Behälter
werfen.
Die SchülerInnen sollen dies mit zwei Kugeln verschiedener Größe wiederholen.
Die SchülerInnen sollen ihre Beobachtungen aufschreiben.
REStARTS – Die Experimente
90
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Das geringste Quantum an Strömungswiderstand wird durch ein aerodynamisches Profil generiert.
REStARTS – Die Experimente
91
Lernabschnitt 2: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand
von der Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst wird
Zielsetzung: Die Viskosität eines Fluids untersuchen
E r k l ä r u n g
Der Begriff Viskosität scheint den SchülerInnen wohl bekannt zu sein, doch werden sie ein besseres
Verständnis der Viskosität haben, nachdem sie einige einfache Experimente gemacht haben.
M a t e r i a l :
einige Behälter
Gegenstände verschiedener Form: eine flache Platte, einige Bälle, ein aerodynamisch geformter
Gegenstand, Wasser, Öl, Honig, Duschgel, Zylinder
M a x i m a l e D a u e r :
20 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Geben Sie Beispiele von Flüssigkeiten, die eine größere Viskosität als Wasser haben.
Inwieweit hängt die Viskosität von der Temperatur ab?
Beeinflusst die Viskosität den Strömungswiderstand? Weshalb?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Fragen Sie die SchülerInnen, was mehr Viskosität hat: Wasser, Öl oder Honig? Die SchülerInnen sollen
ihre Auswahl erklären.
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die SchülerInnen sollen die drei Zylinder jeweils mit Wasser, Öl und Honig füllen. Anschließen sollen sie
die Ausflussöffnung der Zylinder öffnen und die Flüssigkeiten herausfließen lassen. Die SchülerInnen
sollen dann sagen, welche der drei Flüssigkeiten weniger oder mehr Viskosität hat.
Flüssigkeiten mit größerer Viskosität werden, wenn man sie bei gleicher Fließgeschwindigkeit ausgießt,
weniger laut auf den Boden platschen.
REStARTS – Die Experimente
92
Die Lernenden sollen zwei Behälter mit Wasser und Honig füllen. Sie sollen mit einem Stock das Wasser
mit dem Honig vermischen. Dann sollen sie einen Gegenstand in jeden der Behälter werfen (zwei
identische Gegenstände). Die Lernenden sollen ihre Beobachtungen aufschreiben und dabei angeben,
welche der beiden Flüssigkeiten mehr Viskosität hat und warum.
Der Grad an Viskosität ist von der Temperatur abhängig, Wenn die Temperatur ansteigt, tendiert die
Viskosität dazu, abzunehmen. Die Viskosität hängt vor allem von der Temperatur ab. Um diese Relation
zu veranschaulichen, sollen die Lernenden den Honig erhitzen, sie werden beobachten, dass die
Viskosität des Honigs abnimmt; sie können auch den Honig für einige Minuten in einen Kühlschrank tun,
dann werden sie beobachten, dass dessen Viskosität sich ändert. Der gekühlte Honig wird eine größere
Viskosität haben.
Die Lernenden sollen drei Behälter jeweils mit Wasser, Öl und Honig füllen und einen Gegenstand
aussuchen, den sie als erstes in dem mit Wasser gefüllten Behälter werfen wollen. Sie sollen nun
versuchen, den Gegenstand im Behälter zu bewegen. Dasselbe sollen sie mit den anderen beiden
Behältern wiederholen. Sie sollen in Vierergruppen zusammenarbeiten. Die Lernenden sollen ihre
Beobachtungen aufschreiben.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Flüssigkeiten mit geringerer Viskosität üben keinen Widerstand bei Bewegungen aus.
Flüssigkeiten mit höherer Viskosität werden weniger spritzen, wenn man einen Gegenstand in
einem mit ihnen gefüllten Behälter wirft.
Der Strömungswiderstand wird von der Viskosität des Fluids beeinflusst. Falls das Fluid mehr
Viskosität aufweist, vergrößert sich der Strömungswiderstand, da die Viskosität der Bewegung
einen Widerstand entgegenbringt.
REStARTS – Die Experimente
93
Lernabschnitt 3: Demonstrieren, dass der Strömungswiderstand
von der Glätte oder Rauheit der Oberfl äche beeinflusst wird
Zielsetzung: Veranschaulichen, dass der Strömungswiderstand von der Oberflächenbeschaffenheit des
umströmten Objekts abhängt.
E r k l ä r u n g :
Wenn wir uns Strömungswiderstand als eine aerodynamische Reibung vorstellen, hängt das Quantum an
Strömungswiderstand von der Rauheit der Oberfläche des umströmten Objekts ab; eine glatte, polierte
Oberfläche wird weniger Strömungswiderstand bieten als eine raue Oberfläche. Dieser Effekt wird als
Mantelreibung (Oberflächenreibung) bezeichnet. Diese Reibung wird gewöhnlich bei der Messung des
Strömungswiderstandbeiwertes eines Objekts berücksichtigt.
Eine raue Oberfläche bewirkt ein hohes Maß an Strömungswiderstand.
Eine sehr glatte und polierte Oberfläche bewirkt ein geringes Maß an Strömungswiderstand.
M a t e r i a l :
einige Behälter
verschiedenförmige Gegenstände: einige flache Platten, ein aerodynamisch geformter
Gegenstand, dessen Oberfläche sehr glatt ist
Wasser
Schleifpapier mit verschiedenen Körnungen
M a x i m a l e D a u e r :
15 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Wisst Ihr, wie sich die Oberfläche eines Flugzeugs anfühlt?
Weshalb ist die Oberfläche eines Flugzeugs so glatt?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Fragen Sie die Lernenden, ob sie schon mal die Oberfläche eines Flugzeugs berührt haben. Wie fühlte
sie sich an?
War sie rau?
War sie glatt?
REStARTS – Die Experimente
94
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Falls die Lernenden bisher nie die Oberfläche eines Flugzeugs berührt hatten (und selbst wenn sie es
bereits taten) sollen sie die Flügel eines Modellflugzeugs, das im Klassenzimmer ist, berühren. Die
Lernenden sollen aufschreiben, weshalb ihrer Meinung nach die Oberfläche so beschaffen ist (so glatt
ist).
Die Lernenden sollen Schleifpapier mit jeweils verschiedener Körnung auf einige Platten kleben und dann
diese Platten auf einer ebenen Oberfläche bewegen. Was fällt ihnen dabei auf?
Welche Platten lassen sich am leichtesten bewegen und welche widerstehen der Bewegung am meisten?
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Wir verstehen Strömungswiderstand als eine aerodynamische Reibung; das Quantum an
Strömungswiderstand hängt von der Rauheit der Oberfläche des umströmten Objektes ab; eine glatte,
polierte Oberfläche bewirkt weniger Strömungswiderstand als eine rauere Oberfläche.
REStARTS – Die Experimente
95
Lernabschnitt 4: Messung des Strömungswiderstands
verschiedener Formen, verschiedener Rauheitsgrade von
Objektoberflächen und bei verschiedenen
Windgeschwindigkeiten
Zielsetzung: Bei diesem Experiment werden die Lernenden den Strömungswiderstand mit einem
Dynamometer messen.
E r k l ä r u n g :
Die Messung des Strömungswiderstands mit einem Dynamometer, bei der sie die Variablen einzeln
ändern können, wird den Lernenden ein besseres Verständnis des Strömungswiderstands vermitteln. Sie
werden nachvollziehen können, welche Variablen den Strömungswiderstand beeinflussen und was man
tun kann, um den Strömungswiderstand zu verringern.
M a t e r i a l :
Verschiedenförmige Gegenstände: einige flache Platten, Kuben, ein aerodynamisch geformter
Gegenstand, dessen Oberfläche sehr glatt ist, Schleifpapier mit verschiedenen Körnungen
Ein Modellflugzeug
Ein Dynamometer
Ein Ventilator
M a x i m a l e D a u e r :
1 Stunde
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Nach diesen vorhergehenden Experimenten und dem nun folgenden sollen die Lernenden Ihnen sagen,
was den Strömungswiderstand beeinflusst und weshalb.
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Erinnern Sie die Lernenden an den Lernabschnitt 1. Die Lernenden sollen Ihnen sagen, welche
geometrische Form ihrer Meinung nach den geringsten Strömungswiderstand bewirkt. Die Lernenden
sollen dies im Gedächtnis behalten, wenn sie die folgenden Messungen durchführen.
REStARTS – Die Experimente
96
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die Lernenden sollen einen Kubus auf einen Tisch stellen, ihn mit einer Schnur an den Tisch anbinden
und den Dynamometer an das Ende der Schnur befestigen. Der Ventilator soll vor dem Dynamometer
platziert werden und anschließend angeschaltet werden. Die Lernenden sollen die vom Dynamometer
angezeigten Werte in eine Tabelle, wie diese untenstehende Tabelle, eintragen. Die Lernenden sollen
das Experiment mindestens 5 Mal wiederholen und dann den Mittelwert bestimmen.
Objekt Glatter Kubus Kubus, dessen Oberfläche geringe
Rauheit hat
Kubus, dessen Oberfläche größere
Rauheit hat
1
2
3
4
5
Mittelwert
Das Experiment soll mit Kuben, deren Oberfläche andere Rauheitsgrade als die zuvor getesteten haben,
wiederholt werden. Die Lernenden sollen die vom Dynamometer angezeigten Werte in dieselbe Tabelle
eintragen. Was ist das Ergebnis?
Lassen Sie dasselbe Experiment wiederholen, doch diesmal mit einem Ball anstatt mit einem Kubus. Die
Lernenden sollen eine neue Tabelle erstellen und in der ersten Zeile das Ergebnis des Experiments mit
dem ersten Kubus eintragen und in der zweiten Zeile das Ergebnis des Experiments mit dem Ball.
Dasselbe Experiment soll diesmal mit einem Modellflugzeug wiederholt werden. Die Lernenden sollen
das Ergebnis in die dritte Zeile der Tabelle eintragen? Was sind ihre Schlussfolgerungen?
Objekt Glatter Kubus Ball Modellflugzeug
1
2
3
4
REStARTS – Die Experimente
97
5
Mittelwert
Dasselbe Experiment soll noch mal mit dem Modellflugzeug wiederholt werden, doch dieses mal soll die
Windgeschwindigkeit erhöht werden. Beide Ergebnisse sollen in dieselbe Tabelle eingetragen werden.
Was könnt Ihr feststellen?
Modellflugzeug Geringe
Geschwindigkeit Mittlere Geschwindigkeit Hohe Geschwindigkeit
1
2
3
4
5
Mittelwert
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Diese Messung des Strömungswiderstands mit dem Dynamometer, bei der sie die Variablen einzeln
ändern können, vermittelt den Lernenden ein besseres Verständnis des Strömungswiderstands. Sie
können nachvollziehen, welche Variablen den Strömungswiderstand beeinflussen.
REStARTS – Die Experimente
98
3. Turbulenz
Lernabschnitt 1: Veranschaulichung laminarer und turbulenter
Strömung auf sehr einfache Weise
Zielsetzung 1: Verstehen, was Strömung ist.
Zielsetzung 2: Wie viele Arten von Strömung gibt es und was ist der Unterschied zwischen ihnen?
E r k l ä r u n g :
Eine Strömung ist die kontinuierliche Bewegung eines Fluids, entweder einer Flüssigkeit oder eines
Gases, von einem Punkt zu einem anderen Punkt. Eine einfache Strömung wird "laminare Strömung"
genannt und eine komplexe Strömung wird als "turbulente Strömung" bezeichnet. Wir werden
veranschaulichen, was beide Begriffe meinen.
M a t e r i a l :
ein Wasserhahn (falls es im Klassenzimmer einen gibt)
eine Tasse
einige Räucherstäbchen
ein Stift
ein Kubus
M a x i m a l e D a u e r :
10 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist Strömung?
Wie viele Arten von Strömungen gibt es?
Könnt Ihr diese beschreiben?
Könnt Ihr Beispiele nennen?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Fragen Sie die Lernenden, was Strömung bedeutet. Zeigen Sie Ihnen die folgenden Bilder und fragen Sie
sie, ob auf den Bildern Strömungen dargestellt sind.
REStARTS – Die Experimente
99
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Zunächst soll, falls ein Waschbecken im Klassenraum vorhanden ist, einer der Lernenden den
Wasserhahn aufdrehen. Anfangs soll der Hahn nicht zu weit aufgedreht werden. Fragen Sie die
Lernenden, was diese dabei beobachten. Wie ist die Strömung? Dann sollen sie eine Tasse unter das
fließende Wasser stellen. Was können sie beobachten? Wie verhält sich die Strömung, nachdem das
fließende Wasser die Tasse getroffen hat? Nach dieser einfachen Veranschaulichung von Strömung
sollen die Lernenden mittels eines simplen Experiments versuchen, eine turbulente Strömung, die von
dem Rauch einer brennenden Räucherstäbchen erzeugt wird, zu visualisieren.
REStARTS – Die Experimente
100
Zünden Sie das Räucherstäbchen an. Die Lernenden
sollen beobachten, was passiert. Fragen Sie sie, wie
die Strömung ist. Die Strömung des sich nach oben
bewegenden Rauches ist nah über dem Stäbchen
laminar; weiter oben, wo die heiße Luft mit
zunehmender Geschwindigkeit aufwärtssteigt, wird die
Strömung instabil und turbulent.
Nun sollen die Lernenden einen Stift oder ein Radiergummi in die Rauchsäule halten (nah über dem
Stäbchen, wo die Strömung noch laminar ist) und beobachten, was passiert. Der Rauch wird das
Hindernis umgehen und anfangen, in viele verschiedene Richtungen und mit verschiedenen
Geschwindigkeiten zu strömen. Die Strömung wird sehr unstabil und turbulent sein.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Eine Strömung ist die kontinuierliche Bewegung eines Fluids, entweder einer Flüssigkeit oder eines
Gases, von einem Punkt zu einem anderen Punkt.
Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Strömungen, nämlich laminare Strömungen und turbulente
Strömungen. Grob gesagt ist eine laminare Strömung eine 'einfache' Strömung, während eine turbulente
Strömung eine 'komplizierte' Strömung ist.
In einer laminaren Strömung bewegen sich alle Moleküle in dem Fluid mehr oder weniger ruhig und in
derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit.
In einer turbulenten Strömung bewegen sich die Moleküle in einem Fluid in viele verschiedene
Richtungen und mit vielen verschiedenen Geschwindigkeiten.
Turbulenz ist der Zustand der Fluidbewegung, die sich durch eine anscheinend zufällige und chaotische,
dreidimensionale Geschwindigkeit auszeichnet. Wenn Turbulenz vorhanden ist, dominiert dies
gewöhnlich alle weiteren Strömungsphänomene. Das Ergebnis ist eine größere Energiedissipation, eine
verstärkte Vermischung, eine erhöhte Hitzeübertragung und eine stärkere Strömung. Wenn es keine
dreidimensionale Geschwindigkeit gibt, entsteht auch keine wirkliche Turbulenz. Die Gründe dafür
werden später klar werden; doch kurz gesagt wird Turbulenz durch sich selbsterneuernde
Strömungsenergie bewirkt.
REStARTS – Die Experimente
101
Lernabschnitt 2: Veranschaulichung turbulenter Strömung
mittels Tinte
Zielsetzung: Ein besseres Verständnis zu bekommen, was Strömung ist und wie man diese besser
visualisieren kann.
E r k l ä r u n g :
Die Strömung kann besser in Wasser beobachtet werden. Mittels farbiger Tinte werden die Lernenden
die Strömung visualisieren.
M a t e r i a l :
ein mit Wasser gefüllter Behälter
Tinte
eine kleine Flasche
Gegenstände verschiedener Form: ein Ball, ein Kubus und ein Flügel eines Modellflugzeugs
M a x i m a l e D a u e r :
20 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was wird eurer Meinung nach mit der Tinte passieren?
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Füllt den Behälter mit kaltem Wasser. Füllt die Flasche mit heißem Wasser und Tinte. Stellt die Flache
auf den Boden des Behälters hinein. Beobachtet, was mit dem gefärbten Wasser in der Flasche passiert.
Ihr könnt Gegenstände verschiedener Form in das Wasser (oberhalb der Flasche) stellen und
beobachten, wie die Strömung sich um diese Gegenstände bewegen wird.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Die Strömung ist nahe des der Strömung ausgesetzten Objektes laminar und verwandelt sich dann in
eine turbulente Strömung.
REStARTS – Die Experimente
103
Lernabschnitt 3: Veranschaulichung turbulenter Strömung
mittels eines Rauchgenerators
Zielsetzung 1: Verstehen und beobachten, wie der Luftstrom sich um verschiedene Festkörper bewegt.
Zielsetzung 2: Turbulente Strömungen verstehen und beobachten.
E r k l ä r u n g :
Wenn ein Festkörper dem Wind ausgesetzt ist, wird die Luft in anderer Weise strömen und Turbulenz
erzeugen. Turbulenz wird durch die Viskosität des Fluids und dessen Geschwindigkeit, durch die
geometrischen Formen der Gegenstände, auf den das Fluid in seiner Bewegung trifft, beeinflusst. Um die
einzelnen Faktoren zu beobachten, welche die Turbulenz beeinflussen, können wir jeweils die Viskosität
des Fluids, die Geschwindigkeit der Bewegung des Fluids und die geometrische Form der Gegenstände,
auf den das Fluid in seiner Bewegung trifft, verändern.
M a t e r i a l :
Ein Ventilator, einen Rauchgenerator und einige Gegenstände verschiedener Form (ein Ball, ein Kubus,
die Tragfläche eines Modellflugzeugs) und eine Haltevorrichtung für die Flügel des Modellflugzeuges.
M a x i m a l e D a u e r :
45 Minuten
D i e w i c h t i g s t e F r a g e , d i e z u s t e l l e n i s t :
Was beeinflusst eurer Meinung nach die Strömung?
E i n f ü h r u n g / e r s t e S c h r i t t e
Schalten Sie den Ventilator und den Rauchgenerator an. Die Lernenden sollen ihre Hände in den
Luftstrom tun.
Der Turbulenzgrad hängt von der Windgeschwindigkeit ab. In dem Maße wie der Festkörper weiter oder
näher zum Rauchgenerator platziert wird, wird der Festkörper von sich mit niedrigerer oder höherer
Geschwindigkeit bewegender(n) Luft/Rauch umströmt (Die Lernenden sollen dies beobachten: Sie
können ihre Hand in den vom Ventilator erzeugten Luftstrom tun). Wenn sie in verschiedenen Abständen
zum Ventilator stehen, wird ihre Hand jeweils mehr oder weniger Druck spüren, weil die Geschwindigkeit
des Luftstroms je nach der Distanz zum Ventilator variiert).
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Beim ersten Experiment werden Gegenstände verschiedener geometrischer Form in den Luftstrom
gebracht.
REStARTS – Die Experimente
104
Starten Sie den Ventilator zunächst mit der niedrigsten Drehgeschwindigkeit und schalten Sie den
Rauchgenerator an. Die Lernenden beobachten den vom Ventilator bewirkten Luftstrom.
REStARTS – Die Experimente
105
Stellt zunächst den Ball vor den Rauchgenerator und den Ventilator. Beobachtet, wie der Luftstrom den
Ball umströmt. Beginnt damit, den Ball in verschiedene Abstände zum Rauchgenerator zu stellen und
beobachtet, wie sich die Luftströmung verändert; wechselt die Höhe in welcher der Ball platziert ist und
beobachtet wieder den Luftstrom, wenn ihr bei gleicher Höhe die Distanz des Balls zum Rauchgenerator
ändert.
Schreibt eure Beobachtungen auf.
Falls das Experiment mit dem hinter dem Rauchgenerator gestellten Ventilator nicht richtig funktioniert,
stellt Ihr den Rauchgenerator hinter den Ventilator. Lasst dann den Ventilator den ganzen Rauch
ansaugen.
Wiederholt dasselbe Experiment, doch diesmal mit einem Kubus. Schreibt eure Beobachtungen auf.
Wiederholt dasselbe Experiment, doch nun mit dem Flügel des Modellflugzeuges. Dieses Mal wird das
aerodynamische Profil in verschiedenen Winkeln zum Luftstrom gestellt. Schreibt eure Beobachtungen
auf.
Nun stellt Ihr den Flügel des Modellflugzeuges in einen Winkel von Null Grad zum Luftstrom auf und
erhöht die Geschwindigkeit des Ventilators. Schreibt eure Beobachtungen auf. Erhöht die
Geschwindigkeit des Ventilators noch mal. Beobachtet die Unterschiede.
REStARTS – Die Experimente
106
Beim letzten Experiment behalten wir den Flügel des Modellflugzeuges, wir ändern jedoch die Viskosität
des Fluids (dazu setzen wir eine andere Art von Rauch ein). Beobachtet, wie die Viskosität den
Turbulenzgrad beeinflusst.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Der Turbulenzgrad hängt von der Windgeschwindigkeit, der Viskosität des Fluids, der geometrischen
Form der Gegenstände, auf den das Fluid in seiner Bewegung trifft, beziehungsweise vom Anströmwinkel
des Flügels des Modellflugzeuges ab.
REStARTS – Die Experimente
107
III. Wie kann ein Flugzeug sicher
fliegen?
1. Was ist Sicherheit im Luftverkehr?
Lernabschnitt 1: Was ist Sicherheit im Luftverkehr?
Zielsetzung 1: Einen Überblick über die aeronautische Sicherheitstechnologie geben.
Zielsetzung 2: Den Lernenden einen Einblick in die angewandte Forschung zur Sicherheit im
aeronautischen Bereich geben.
Erklärung: Die Lehrmaterialien werden genutzt, um wesentliche Konzepte bezüglich aeronautischer
Sicherheitsprobleme zu vermitteln, und um zu zeigen, wie diese gehandhabt und verbessert werden.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
Bilder
Materialien zum Experimentieren
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Die Geschichte eines Flugs einer Gruppe von Lernenden und Lehrenden wird erzählt, anhand
derer die Sicherheitsprobleme veranschaulicht werden und das Sicherheitsmanagement
diskutiert wird.
Die Lernenden sollen Beispiele von Sicherheitsproblemen in anderen Bereichen als Aeronautik
geben.
Die Lernenden sollen von ihren persönlichen Erfahrungen mit Sicherheitsproblemen sprechen.
M a x i m a l e D a u e r :
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Die Lernenden sollen sagen, welcher Teil eines Flugzeugs wichtig für die Sicherheit ist.
REStARTS – Die Experimente
108
Die Lernenden sollen sagen, welche Flugphase für die Sicherheit am wichtigsten ist.
Die Lernenden sollen sagen, welche Organisationen sich mit der Sicherheit im Flugverkehr
beschäftigen.
REStARTS – Die Experimente
109
Lernabschnitt 2: Aktive Sicherheit im Luftverkehr
Zielsetzung 1: Die Lernenden sollen eine allgemeine Vorstellung von den aktiven
Sicherheitsmaßnahmen im Luftverkehr bekommen.
Zielsetzung 2: Den Lernenden werden Apparaturen und Prozeduren, die für aktive aeronautische
Sicherheit eingesetzt werden, gezeigt.
Zielsetzung 3: Den Lernenden wird ein Einblick in die angewandte Forschung auf dem Gebiet der
aktiven Sicherheit im Flugverkehr gegeben.
M a t e r i a l
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos und/oder Videos
Bild 1: Flugzeugunglück
Bild 2: Flugzeugunglück
D a u e r :
30 Minuten
REStARTS – Die Experimente
110
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Stellen Sie anhand der Geschichte eines Fluges einer Gruppe von Lernenden die Probleme der
aktiven aeronautischen Sicherheit dar.
Zeigen Sie den Lernenden Fotos/Videos von Flugzeugunglücken.
Zeigen Sie den Lernenden Fotos/Videos über die Forschung zur aktiven Sicherheit im
Flugverkehr.
Stellen Sie den Lernenden Fragen zur Sicherheit im internationalen Flugverkehr.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Definition der aktiven Sicherheit.
Beschreibung der Apparaturen und Prozeduren für die aktive Flugsicherheit.
Den Lernenden wird ein Einblick in die angewandte Forschung zur passiven Flugsicherheit
gegeben.
REStARTS – Die Experimente
111
Lernabschnitt 3: Passive Sicherheit im Luftverkehr
Zielsetzung 1: Die Lernenden sollen eine allgemeine Vorstellung von den passiven
Sicherheitsmaßnahmen im Luftverkehr bekommen.
Zielsetzung 2: Den Lernenden werden Apparaturen und Prozeduren, die für die passive aeronautische
Sicherheit eingesetzt werden, gezeigt.
Zielsetzung 3: Den Lernenden wird ein Einblick in die angewandte Forschung auf dem Gebiet der
passiven Sicherheit im Flugverkehr gegeben.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos und/oder Videos
Materialien für die Experimente
D a u e r :
30 Minuten
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Stellen Sie anhand der Geschichte eines Fluges einer Gruppe von Lernenden die Probleme der
passiven aeronautischen Sicherheit dar.
Zeigen Sie den Lernenden Fotos/Videos von Flugzeugunglücken.
Zeigen Sie den Lernenden Fotos/Videos über die Forschung zur passiven Sicherheit im
Flugverkehr.
Stellen Sie den Lernenden Fragen zur passiven Sicherheit im internationalen Flugverkehr.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Definition der passiven Sicherheit (Kollisionssicherheit).
Beschreibung der Apparaturen und Prozeduren für die passive Flugsicherheit.
Den Lernenden wird ein Einblick in die angewandte Forschung zur passiven Flugsicherheit
gegeben.
REStARTS – Die Experimente
112
E x p e r i m e n t : D e r F a l l e i n e s G l a s e s m i t u n d o h n e e i n e r A l u m i n i u m b ü c h s e
B e s c h r e i b u n g
Nehmt ein splitterfreies Sicherheitsglas. Lasst es aus einiger Höhe hinunterfallen. Ihr werdet sehen, dass
es bricht. Stülpt das Glas auf eine Aluminiumbüchse und lasst beide zusammen senkrecht aus einiger
Höhe fallen. Ihr werdet sehen, dass das Glas nicht mehr bricht.
Bild 20: ein Glas und eine Aluminiumbüchse
Erklärung:
Wenn das Glas ohne die Aluminiumbüchse hinunterfällt, bewirkt die kinetische Energie, dass das Glas
bricht. Wenn die Aluminiumbüchse mit dem darauf gestülpten Glas senkrecht hinunterfällt, verwandelt
sich die kinetische Energie in eine Energie, welche die Aluminiumbüchse verformt (Verformungsenergie).
So ist die Anprallkraft des fallenden Glases nicht stark genug, um das Glas zu brechen.
E r g e b n i s s e
Bei einem Flugzeugabsturz werden die in adäquater Weise konstruierten Strukturen des Flugzeugs die
vertikale kinetische Energie des Flugzeugs absorbieren. So werden die Verzögerungskräfte, die auf einen
menschlichen Körper wirken, keine tödlichen oder schweren Verletzungen verursachen.
So können die Passagiere und die Crew überleben, selbst wenn das Flugzeug zerstört wird.
REStARTS – Die Experimente
113
2. Welche Materialien werden für den Bau eines
Flugzeugs verwendet?
Lernabschnitt 1: Materialien für den Flugzeugbau
Zielsetzung 1: Den Lernenden einen Einblick in die auf die Strukturen eines fliegenden Flugzeugs
wirkenden Kräfte geben und verstehen, welche Materialien benutzt werden müssen, um diesen Kräften
standzuhalten.
Den Lernenden einen Überblick über die Kriterien der aeronautischen Konstruktion geben.
Untersuchen Sie mit den Lernenden einige kritische Ereignisse, die bei einem Flug vorkommen
können.
Vermitteln Sie den Lernenden eine Vorstellung von der angewandten Forschung im Bereich
Flugsicherheit.
E r k l ä r u n g :
Die Lehrmaterialien dieses Lernabschnitts werden dazu benutzt, den Lernenden die wesentlichen
Konzepte der Flugsicherheit in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit der Konstruktionsstrukturen von
Flugzeugen zu vermitteln. Es soll ebenfalls gezeigt werden, wie Probleme der Flugverkehrssicherheit im
heutigen Flugzeugbau berücksichtigt werden und wie die Forschungszentren zu deren Lösung beitragen.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
eine Reihe von Experimentiermitteln
Bilder
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Den Lernenden die wichtigsten Teile eines Flugzeugs und deren Funktion beschreiben und auf
einige der Aspekte der Flugsicherheit eingehen.
Erklären, wie das Vermögen Lasten standzuhalten, verbessert werden kann.
Aufzeigen, dass das Vermögen Lasten standzuhalten, begrenzt ist.
M a x i m a l e D a u e r :
2 Stunden
REStARTS – Die Experimente
114
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Kennt Ihr die wichtigsten externen Bauteile eines Flugzeugs?
Kann eine aeronautische Struktur nur aus Wasser oder Luft bestehen?
Hängen die Grenzbelastungen einer aeronautischen Struktur ausschließlich von den bei ihrer
Konstruktion verwendeten Materialien ab?
E x p e r i m e n t : F e s t k ö r p e r , F l ü s s i g k e i t e n u n d G a s e
B e s c h r e i b u n g
Nehmt einen Festkörper, der als rechteckiges Parallelogramm geformt ist, verschiedene Arten von
Behälter (mindestens einer davon soll ein Zylinder sein), Flüssigkeit , ein verschließbarer Behälter, indem
Gas produziert werden kann (durch Verbrennung geeigneten Materials). Ändert die Position eines
Festkörpers. Gießt die in einem Zylinder enthaltene Flüssigkeit in die anderen Behälter. Erzeugt Gas, um
dieses in alle Behälter zu füllen.
Bild 17: Festkörper, Flüssigkeiten und Gase
E r k l ä r u n g
Anhand von Berechnungen kann demonstriert werden, dass Festkörper ihre Form und ihr Volumen
beibehalten. Flüssigkeiten werden ihre Volumen beibehalten, jedoch die Form des Behälters einnehmen.
Gase tendieren dazu, den ganzen Behälter auszufüllen und die Form und das Volumen des Behälters
einzunehmen.
E r g e b n i s s e
Der Hinweis, dass die verschiedenen Verhaltensweisen von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen durch
die internen Eigenschaften dieser Substanzen erklärbar sind. Diese unterschiedlichen Verhaltensweisen
bedingen die Weise auf welche sie Lasten standhalten.
REStARTS – Die Experimente
115
E x p e r i m e n t : W i e F e s t k ö r p e r , F l ü s s i g k e i t e n u n d G a s e L a s t e n w i d e r s t e h e n
B e s c h r e i b u n g
Nehmt eine Spritze und drückt den Kolben herunter. Schiebt den Kolben mit offener Düse wieder hoch.
Schließt die Düse und zieht den Kolben wieder runter: Die Luft im Inneren der Spritze wirkt dem von euch
ausgeübten Druck entgegen. Schiebt den Kolben mit weiterhin geschlossener Düse wieder hoch. Außer
der vom Kolben ausgeübten Reibung werdet Ihr keinen Widerstand spüren. Füllt die Spritze nun mit
Wasser, schließt die Düse und schiebt den Kolben herunter. Ihr werdet feststellen, dass Ihr den Kolben
nicht vollständig herunterschieben könnt: Die Flüssigkeit wirkt dem von euch ausgeübten Druck
entgegen. Nun drückt den Kolben wieder hoch. Außer der vom Kolben ausgeübten Reibung werdet Ihr
keinen Widerstand spüren.
Nehmt eine Plastikflasche, die zwei oder drei Löcher im Boden hat. Wenn Ihr die Flasche mit Wasser füllt,
könnt Ihr sehen, wie aus den Löchern Wasser herausspritzt. Je nachdem, ob Ihr die Flasche mit der
Verschlusskappe zuschließt oder nicht, könnt Ihr aus den Löchern Wasser herausspritzen sehen oder
nicht.
Belastet den als rechteckiges Parallelogramm geformten Festkörper mit verschiedenen Gewichten. Der
Festkörper behält seine Form.
Belastet die länglichen (mit Luft oder Wasser gefüllten) Ballons mit verschiedenen Lasten. Nur der
Kompressionsdruck wird von den im Inneren des Ballons wirkenden Kräften ausgeglichen.
Bild 18: Auf Festkörper, Flüssigkeiten und Gase ausgeübte Aktionen
E r k l ä r u n g
Anhand dieses einfachen Experiments könnt Ihr feststellen, dass Flüssigkeiten und Gase ausschließlich
einer Druckbelastung standhalten. Festkörper hingegen können jeder Art von Belastung standhalten.
REStARTS – Die Experimente
116
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Flugzeugstrukturen müssen allen Arten von Belastungen standhalten. Deshalb müssen aeronautische
Flugkonstruktionen die Eigenschaften von Festkörpern haben.
REStARTS – Die Experimente
117
Lernabschnitt 2: Welche Kräfte wirken auf e in Flugzeug ein?
Flugzeugteile und Traglast
Zielsetzung 1: Den Lernenden einen Einblick in die hauptsächlichen Funktionen der wichtigsten Teile
eines Flugzeugs zu geben.
Zielsetzung 2: Die Belastungen verdeutlichen, denen jedes Teil eines Flugzeugs standhalten muss.
M a t e r i a l
multimediale Schultafel + Power Point (oder eine gleichwertige Software)
Fotos/Videos
D a u e r :
Eine Stunde.
Bild 3: Kräfte, die auf ein fliegendes Flugzeug wirken
REStARTS – Die Experimente
119
Bild 6: Flugzeugmotor
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Machen Sie Ihre Lernenden mit der Funktionsanalyse eines komplexen Systems vertraut (ein
Flugzeug)
Zeigen Sie den Lernenden die wichtigsten Teile eines Flugzeugs und erläutern Sie deren
Funktionen. Besprechen Sie mit den Lernenden die mit diesen Teilen verbundenen
Sicherheitsprobleme.
Die Lernenden sollen über die von Ihnen gegebenen Informationen diskutieren.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Erklärung der wichtigsten Teile eines Flugzeugs und deren Funktionen.
Verdeutlichung der Sicherheitsprobleme, die mit den von den einzelnen Teilen eines Flugzeugs
zu erfüllenden Funktionen verbunden sind.
REStARTS – Die Experimente
120
Lernabschnitt 3: Wie entwirft man sichere aeronautische
Strukturen? Was ist die maximale Traglast einer aeronautis chen
Struktur?
Zielsetzung 1: Den Lernenden eine allgemeine Vorstellung der Grenzlasten von aeronautischen
Strukturen zu geben.
Zielsetzung 2: Den Lernenden zeigen, dass bei der Konstruktion der Strukturen eines Flugzeugs
vielfältige Probleme zu berücksichtigen sind.
Zielsetzung 3: Den Lernenden die Kriterien für die Konstruktion aeronautischer Strukturen erläutern.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
eine Reihe von Experimentiermitteln
Fotos/Videos
Bilder
D a u e r :
90 Minuten
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Die Lernenden sollen Experimente zur Untersuchung der statischen Grenzlast von
Konstruktionsmaterialien durchführen.
Zeigen Sie den Lernenden, dass nicht nur die statische Grenzlast Ausfälle/Schäden bei
aeronautischen Strukturen verursachen können.
Erklären Sie den Lernenden, wie Lasten Deformationen von Teilen der aeronautischen
Strukturen verursachen können und wie man dies verhindern kann.
Die Lernenden sollen über die von Ihnen gegebenen Informationen diskutieren.
S c h l u s s f o l g e r u n g / G e s a m t g r u p p e
Erklärung des Begriffs Grenzlasten und wie diese berücksichtigt werden müssen, um
Ausfällen/Schäden in den Konstruktionsstrukturen zu verhindern.
Erläuterung der Konstruktionskriterien eines Flugzeugs und Einblick in die
Konstruktionsprozeduren, die beim Bau aeronautischer Strukturen angewendet werden.
Einführung in die angewandte aeronautische Forschung.
REStARTS – Die Experimente
121
3. Fliegen in großer Höhe
Lernabschnitt 1: Fliegen in großer Höhe
Zielsetzung 1: Unterstreichen der kritischen Aspekte beim Höhenflug: sehr niedriger Druck und sehr
niedrige Luftaußentemperatur.
Zielsetzung 2: Den Lernenden aufzeigen, wie beim Fliegen in großer Höhe die physikalischen
Lebensvoraussetzungen für die Passagiere und für die Crew erhalten werden.
Zielsetzung 3: Geben Sie Beispiele einiger kritischen Flugbedingungen und erläutern Sie, wie diese
gehandhabt werden.
E r k l ä r u n g :
In den Lehrmaterialien dieses Abschnitts wird erläutert, wie beim Fliegen in großer Höhe die
physikalischen Lebensvoraussetzungen für die Passagiere und für die Crew erhalten werden.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
eine Reihe von Experimentiermitteln
Bilder
Videos
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Zeigen, welche kritischen Bedingungen für die Menschen an Bord eines Flugzeuges in großer
Höhe bestehen.
Beschreibung der technischen Systeme, die während eines Höhenflugs das Leben der Menschen
an Bord sichern.
Zeigen, welche Maßnahmen bei bestimmten kritischen Bedingungen getroffen werden können.
M a x i m a l e D a u e r :
90 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Weshalb gibt es bei Höhenflügen eine tiefe Außenlufttemperatur und einen niedrigen
atmosphärischen Druck?
Haben die bisher angeführten Aspekte eine Auswirkung auf den Motor eines Flugzeugs?
Welche Arten von Unfällen können bei einem Höhenflug vorkommen?
REStARTS – Die Experimente
122
Lernabschnitt 2: Wie ein drucksicherer Flugzeugrumpf
funktioniert
Zielsetzung: Erklären, dass ein Flugzeugrumpf in der Weise konstruiert ist, dass das Flugzeug in großer
Höhe fliegen kann. Außer weiteren Belastungen hat der Rumpf dem Differenzdruck zwischen externem
Druck (atmosphärischem statischem Druck) und dem internen thermodynamischen Druck standzuhalten.
E r k l ä r u n g :
In den Lehrmaterialien wird gezeigt, wie die äußere Oberfläche eines Flugzeugrumpfes dem
Diefferenzdruck standhält.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
Bilder
Bild 7: Druckkabine
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Es werden Bilder (wenn möglich auch Fotos) gezeigt und Experimente durchgeführt, um den
Lernenden zu erklären, wie die äußere Oberfläche des Rumpfs (Rumpfhaut) dem Differenzdruck
standhält.
Die Lernenden sollen einen Vergleich zwischen Flugzeugen und Unterseebooten ziehen.
REStARTS – Die Experimente
123
M a x i m a l e D a u e r :
60 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Wie berücksichtigt man bei der Konstruktion eines Flugzeugs, die Fähigkeit des Flugzeugrumpfes
dem Differenzdruck standzuhalten?
Fragen Sie die Lernenden, ob sie einige der bei einem Schaden/einer Funktionsstörung des
Rumpfes anzuwendenden Prozeduren kennen.
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Die Lernenden sollen selbst experimentieren.
Erklären sie den Lernenden anhand der untenstehenden Bilder, wie eine Druckkabine dem
Differenzdruck standhält.
Die Lernenden sollen über die obengenannten Problemstellungen diskutieren.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Der Differenzdruck wird durch die Fähigkeit der inneren Oberfläche des Rumpfs, Zugkräften
standzuhalten, ausgeglichen.
Der Differenzdruck kann Schäden in der Rumpfhaut verursachen oder dazu führen, dass sich die
Flugzeugtüren öffnen.
Die Notfallmaßnahmen bei den oben genannten Störfällen bestehen darin, dass die Piloten das
Flugzeug unverzüglich in eine geringere Höhe bringen und die Passagiere sowie die Crew
Atemmasken benutzen.
E x p e r i m e n t 1 : S t a t i s c h e s F l u g z e u g m o d e l
B e s c h r e i b u n g
Nehmt ein Modellflugzeug (deren einzelne Teile möglichst vollständig vorhanden sind).
Die Lernenden sollen die einzelnen Teile des Flugzeugs benennen.
Sprechen Sie mit den Lernenden über die Kräfte, die auf jedes der Teile wirken.
REStARTS – Die Experimente
124
Bild 15: Flugzeugteile
E r k l ä r u n g
Jedes Teil eines Verkehrsflugzeuges erfüllt mehr als nur eine einzelne Funktion. Eine der wichtigsten
Funktionen der Flugzeugteile ist, Belastungen standzuhalten. Die Konstruktionsweise der einzelnen Teile
hängt von den von ihnen zu erfüllenden Funktionen ab und von den Belastungen, denen sie
standzuhalten haben.
E r g e b n i s s e
Belastungen standzuhalten, ist eine der wichtigsten Funktionen eines Flugzeugteils. Die Art der
Belastungen, denen die Teile ausgesetzt sind, bestimmt in welcher Weise und mit welchem Material, die
Flugzeugteile konstruiert werden.
REStARTS – Die Experimente
125
Lernabschnitt 3: Probleme mit Eis
Zielsetzung 1: Erklären, welche Probleme bei Vereisungsbedingungen auftreten können und wie man
diese lösen kann.
Zielsetzung 2: Einen Einblick in die heutige angewandte Forschung auf dem Gebiet der Aeronautik
geben.
E r k l ä r u n g :
Anhand dieser Lehrmaterialien werden wesentliche Probleme, die bei der Vereisung der Oberfläche eines Flugzeugs entstehen können, dargestellt, und aufgezeigt, wie man diese lösen kann.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
Bild 8: Eis auf einem Flugzeugmodell in einem Windkanal
REStARTS – Die Experimente
126
Bild 9: Simulationsmodell für die Darstellung und Lösung von Problemen, die durch Vereisung entstehen
können
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Anhand von Fotos bzw. Videos werden die Lernenden mit der Technologie vertraut gemacht, die
bei der Vereisung von Flugzeugen eingesetzt wird.
Die Lernenden sollen Beispiele von ähnlichen, im Alltagsleben vorkommenden Problemen finden.
M a x i m a l e D a u e r :
60 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Wie wirkt sich die Bildung von Eis auf der Oberfläche von Flugzeugen auf die Flugsicherheit aus?
Fragen Sie die Lernenden, welche Faktoren dafür verantwortlich sind, wenn Wolken sich in
großer Höhe zu Eis umbilden.
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Erklären Sie den Lernenden, welche Probleme durch Eisbildung auf der Flugzeugoberfläche
entstehen können.
Die Lernenden sollen Vergleiche ziehen, zwischen den Problemen, die durch Eisbildung auf der
Oberfläche von Flugzeugen verursacht werden können, und ähnlichen, im Alltagsleben
vorkommenden Problemen.
Die Lernenden sollen selbst Ideen entwickeln, wie die mit der Eisbildung verbundenen Probleme
gelöst werden könnten.
REStARTS – Die Experimente
127
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Erklären, dass Eisbildung zu einem Höhenverlust und unkontrollierbaren Verhalten des
Flugzeugs führen kann. Die Eisbildung kann ebenfalls zum Motorbrand oder sogar zur Explosion
des Motors und zu Fehlanzeigen von Fluginstrumenten oder deren Ausfall führen.
Den Lernenden werden die verschiedenen Vorrichtungen gezeigt, die bei der Bildung von Eis
eingesetzt werden.
E x p e r i m e n t 2 : P f e i l u n d B o g e n
B e s c h r e i b u n g
Ein Lernender soll mit einem Bogen einen Pfeil abschießen.
Die Lernenden sollen alle die beim Bogenschießen wirkenden Kräfte und die daraus
resultierenden Verformungen von Pfeil und Bogen (sowie vom Arm und der Hand des
Bogenschützen) benennen.
Bild 16: Pfeil und Bogen
E r k l ä r u n g
Beim Bogenschießen wirken folgende Kräfte: Kompression, Traktion, Biegungsmoment, Drehmoment,
etc. Jede dieser Kräfte verursacht Verformungen der beim Bogenschießen beteiligten Elemente:
Verkürzungen, Verlängerungen, Biegungen, etc.
E r g e b n i s s e
Die aeronautischen Strukturen sind verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Deshalb müssen sie in der
Weise konzipiert und hergestellt werden, dass sie allen Belastungen, die auftreten können, standhalten.
REStARTS – Die Experimente
128
4. Kritische Situation bei der Start- oder
Landephase
Lernabschnitt 1: Kritische Situation bei der Start - oder
Landephase
Zielsetzung 1: Hervorheben, dass es während der Startphase zu kritischen Situationen kommen kann.
Zielsetzung 2: Die Wichtigkeit von Seitenleitwerk und Seitenruder eines Flugzeugs erklären.
Zielsetzung 3: Die Anwendung von passiven Sicherheitsmaßnahmen zeigen (Kollisionssicherheit).
E r k l ä r u n g :
Die Lehrmaterialien dieser Abschnitte zeigen die Kontrollmöglichkeiten eines Flugzeugs, falls es zum
Ausfall eines Motors kommt oder falls es Seitenwind beim Starten oder Landen gibt. Darüber hinaus wird
veranschaulicht, wie die technologischen Verfahren zur Gewährleistung der Kollisionssicherheit im Fall
einer harten Landung Menschenleben retten oder schwere Verletzungen verhindern können.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
eine Reihe von Experimentiermitteln
Bilder
Videos
Bild 10: Startphase
REStARTS – Die Experimente
129
Bild 11: Landephase
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Anhand von Bildern und Experimenten wird gezeigt werden, wie ein Flugzeug der Piste entlang
fliegen kann, falls es zum Ausfall eines Motors kommt oder oder falls es starken Seitenwind gibt.
Falls möglich werden einige Videos solcher Situationen gezeigt.
Es können einige Videos einer Notlandung, bei der es zum Bruch des Flugzeugrumpfes kommt,
gezeigt werden. Ein einfaches Experiment wird durchgeführt, um die technologischen Verfahren
zur Gewährleistung der Kollisionssicherheit zu demonstrieren.
M a x i m a l e D a u e r :
90 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Ist der Gefährlichkeitsgrad eines Motorausfalles von der Flugzeugkonfiguration abhängig?
Gibt es Seitenwindbedingungen, denen ein Flugzeug nicht gewachsen ist?
Weshalb sind der Ausfall eines Motors und starker Seitenwind in großer Höhe weniger
bedenklich?
REStARTS – Die Experimente
130
Lernabschnitt 2: Ausfall eines einzelnen Motors
Zielsetzung 1: Einführung in die wesentlichen Strategien beim
Ausfall eines Motors bei der Start - und Landephase
Zielsetzung 1: Einführung in die wesentlichen Strategien beim Ausfall eines Motors bei der Start- und
Landephase.
Zielsetzung 2: Veranschaulichen, welche Probleme es geben kann, falls es zum Ausfall eines Motors bei
der Start- und Landephase kommt.
E r k l ä r u n g :
Diese Lehrmaterialien zeigen Beispiele von Maßnahmen, die bei einem Ausfall eines Motors oder bei
Problemen beim Starten oder Landen getroffen werden.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Videos
Bilder
Bild 12: Ausfall eines Motors
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Anhand von Bildern und (wenn möglich) Videos wird die Handhabung kritischer Probleme, die es
beim Ausfall eines Motors bei der Start- und Landephase geben kann, veranschaulicht.
Die Lernenden sollen sich Extremsituationen vorstellen, die im Fall des Ausfalls eines Motors bei
bei der Start- und Landephase vorkommen können.
REStARTS – Die Experimente
131
M a x i m a l e D a u e r :
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist der wichtigste Teil eines Flugzeugs, um beim Ausfall eines Motors die Kontrolle über das
Flugzeug zu behalten?
Was ist für die einzelnen Flugzeugkonfigurationen das größte Problem, wenn es zum Ausfall
eines Motors kommt?
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Erklären, dass Eisbildung zu einem Höhenverlust und unkontrollierbaren Verhalten des
Flugzeugs führen kann. Die Eisbildung kann ebenfalls zum Motorbrand oder sogar zur Explosion
des Motors und zu Fehlanzeigen von Fluginstrumenten oder deren Ausfall führen.
Den Lernenden werden die verschiedenen Vorrichtungen gezeigt, die bei der Bildung von Eis
eingesetzt werden.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Mittels des Seitenruderausschlags wird der auf den Schwerpunkt wirkende Kraftmoment der
aktiven Schubkraft von der aerodynamischen Seitenkraft, die auf das Seitenleitwerk wirkt,
ausgeglichen.
Es ist unbedingt nötig, dass das Flugzeug bei der Start- oder Landephase in der Pistenrichtung
bleibt.
REStARTS – Die Experimente
132
Lernabschnitt 3: Seitenwind
Zielsetzung 1: Darstellung der wesentlichen Strategien, die bei starkem Seitenwind während der Start-
und Landephase eingesetzt werden.
Zielsetzung 2: Veranschaulichen, welche Probleme es geben kann, falls es starken Seitenwind während
der Start- und Landephase gibt.
E r k l ä r u n g :
Diese Lehrmaterialien zeigen Beispiele von Maßnahmen, die bei starkem Seitenwind während der Start-
und Landephase getroffen werden.
M a t e r i a l :
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
Bilder
Bild 13: Wirkung des Seitenwinds
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Anhand von Bildern und (wenn möglich) Videos wird die Handhabung kritischer Probleme, die es
beim Auftreten von starkem Seitenwind bei der Start- und Landephase geben kann,
veranschaulicht.
REStARTS – Die Experimente
133
Die Lernenden sollen sich Extremsituationen vorstellen, die im Fall des Auftretens von starkem
Seitenwind bei der Start- und Landephase vorkommen können.
M a x i m a l e D a u e r :
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Was ist der wichtigste Teil eines Flugzeugs, um bei starkem Seitenwind die Kontrolle über das
Flugzeug zu behalten?
Was ist für die einzelnen Flugzeugkonfigurationen das größte Problem, wenn starker Seitenwind
auftritt?
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Den Lernenden soll veranschaulicht werden, welche Maßnahmen getroffen werden, falls starker
Seitenwind bei der Start- und Landephase auftritt.
Die Lernenden sollen sich Extremsituationen vorstellen, die im Fall des Auftretens von starkem
Seitenwind bei bei der Start- und Landephase vorkommen können.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Mittels des Seitenruderausschlags wird der auf den Schwerpunkt wirkende Kraftmoment der
durch starken Seitenwind bewirkten aerodynamischen Kraft, die auf das Seitenleitwerk wirkt,
ausgeglichen.
Es ist unbedingt nötig, dass das Flugzeug bei der Start- oder Landephase in der Pistenrichtung bleibt.
Experiment: ein Luftballon
B e s c h r e i b u n g
Die Lernenden sollen einen Luftballon aufblasen, bis er explodiert.
E r k l ä r u n g
Wenn man ein Luftballon aufbläst, wird die Luftmasse innerhalb des Luftballons größer. Entsprechend
der Gasgesetze (Thermodynamik) wird der Druck im Luftballon höher und überwindet den externen
atmosphärischen (statischen) Druck, sodass der Luftballon sich mit Luft füllt. Die dünne Hülle des Ballons
gleicht den Differenzdruck aus, dank seiner Eigenschaft, Zugkräften standzuhalten. Wenn die maximale
Zugkraft, die der Ballon standhalten kann, überschritten wird, explodiert der Ballon.
REStARTS – Die Experimente
134
Bild 19: Luftballon
E r g e b n i s s e
Die Druckkabine eines Flugzeugs, das in großer Höhe fliegt, ist einem Differenzdruck zwischen dem
externen atmosphärischen Druck (bei 10.000 m ist dieser rund 1/3 geringer als über dem Meeresspiegel)
und dem internen Druck (der dem Druck in 2000 m Höhe entspricht) ausgesetzt. Die durch den
Differenzdruck resultierende Kraft wird durch die Rumpfhaut des Flugzeugs absorbiert, sodass diese den
Zugkräften standhalten kann.
Die Druckkabine eines Flugzeugs muss also in der Weise konstruiert sein, dass sie dem Differenzdruck
wie auch anderen Belastungen standhalten kann.
REStARTS – Die Experimente
135
Lernabschnitt 4: Kollisionssicherheit
Zielsetzung 1: Ein Beispiel für die Kollisionssicherheit geben (passive Sicherheit).
Zielsetzung 2: Zeigen, wie die aeronautische Technologie dazu beitragen kann, die Kollisionssicherheit
zu gewährleisten.
E r k l ä r u n g
Die Lehrmaterialien geben ein Beispiel, wie man ein passives Sicherheitsproblem lösen kann.
M a t e r i a l
multimediale Schultafel + Power Point (oder gleichwertige Software)
Fotos/Videos
eine Reihe von Experimentiermitteln
Bild 14: CIRA Crashtest
H a u p t a k t i v i t ä t e n
Experimente und Bilder sollen ein Beispiel eines passiven Sicherheitsproblems und deren
Lösungsmöglichkeiten verdeutlichen.
Die Lernenden sollen über ihre Kenntnisse in Bezug auf die passive Flugsicherheit reden.
M a x i m a l e D a u e r :
30 Minuten
D i e w i c h t i g s t e n F r a g e n , d i e z u s t e l l e n s i n d :
Wie wirken sich die passiven Sicherheitsanforderungen auf die Kosten für den Flugverkehr aus?
REStARTS – Die Experimente
136
Die Lernenden sollen sagen, wie wichtig ihrer Meinung nach die passiven
Sicherheitsanforderungen für den Flugverkehr sind.
D u r c h f ü h r u n g d e r A k t i v i t ä t
Veranschaulichen Sie anhand eines kleinen Experiments, welche Maßnahmen bei einer
Bruchlandung getroffen werden können.
Erklären Sie den Lernenden, wie wichtig passive Sicherheitsmaßnahmen für den Flugverkehr
sind.
E r g e b n i s s e d e r A k t i v i t ä t
Ein Aspekt der passiven Sicherheit ist die Fähigkeit der Flugzeugstrukturen durch Deformation
die kinetische Energie zu absorbieren.
Es gibt weitere Probleme, die bei einem Flugzeugabsturz zu lösen sind.