Die "sinnloseste" Kiste der Welt

Projektmappe

Das Projekt zum Bau der Sinnlosen Kiste umfasst viele Themengebiete der Technik und der Physik. Ich habe den Bau der "Sinnlose Kiste" im 7. Jahrgang im Rahmen eines Physikkurses ausprobiert. Ziel ist es die Theorie mit einem Praxisteil zu verknüpfen, um  einen (wenn auch sinnlos) Alltags-gegenstand herzustellen.

Alle Arbeitsschritte und Messreihen können in einer Projektmappe festgehalten werden. Zu allen theoretischen Elementen der Unterrichtsreihe gibt es verschiedene Übungsaufgaben mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgraden. Auch eine App  zur Ermittlung von Drehmomenten hat geholfen das Thema "Hebel" zu vertiefen (s.u.). Technische Zeichnungen, Schaltpläne, Tafel-anschriebe, Versuche, Übungsaufgaben und eigene Mitschriften werden in der Projekt-mappe gesammelt und dienen als gute Vorbereitung für eine Klassenarbeit...

Start: Funktionsbeschreibung der sinnlosen Kiste:

Die "Sinnlose Kiste" wird den SuS als "Black-Box" präsentiert. Zunächst sind alle sehr fasziniert von diesem "Spielzeug" und wollen durch "sinnloses" Betätigen des Schalters die Kiste in Action sehen. Lenkt man den Fokus auf die Funktionsweise der Kiste, kommen sehr schnell viele Fragen auf. Zur genaueren Analyse dient die Funktionsbeschreibung in kleinen Teilschritten. Mit dem Arbeitsblatt sollen die einzelnen Funktionsschritte in eine richtige Reihenfolge gebracht werden:

Nun kann überlegt werden, welche Bauteile erforderlich sind, um diese Funktionsschritte zu gewährleisten. Schnell lässt sich dazu ein Mind-Map an der Tafel erstellen. Teilweise fließen bereits gute Vorkenntnisse der SuS mit ein und das innere der "Black-Box" wird Schritt für Schritt enttarnt.

Einen Motor steuern:

Sind die Bauteile bekannt, sollen diese nun in ihrer Funktionsweise ausprobiert werden. Einziger Knackpunkt ist der 2 polige ON/ON Kippschalter...

Ein Multimeter hilft dabei !!

Aufgabe 1: Der 2 polige ON/ON Schalter wird zu Beginn in seiner Funktion grob erklärt. Die SuS erhalten zusätzlich die Möglichkeit ein Multimeter mit Durchgangsprüfer (Ton) zu verwenden. Alle anderen erforderlichen Bauteile liegen am Pult bereit und die SuS probieren ohne weitere Vorkenntnisse einfach aus. Zum Verbinden der Bauteile dienen einfache Kroko-Klemmen. Die Motoren sind aus alten Geräten ausgebaute Kleinspannungsmotoren (ca. 4 V). Die Stromversorgung erfolgt durch Batteriefächer. 

Aufgabe 2: Einbau des Mikrotaster, um die Drehbewegung des Motors in eine Richtung stoppen zu können.Der Taster mit seinen drei Anschlüssen ist den SuS nicht bekannt, wodurch das Experimentieren und Umstecken angeregt wird.

Aufgabe 3: Funktioniert die Schaltung so wie vorgegeben, soll die Schaltung zunächst skizziert werden. Dazu dient das Arbeitsblatt mit den abgebildeten Bauteilen. Im Anschluss oder als Hausaufgabe soll diese Skizze in einen Schaltplan übertragen werden. Hier sollen die richtigen Schaltsymbolen verwendet werden. Die Tabelle unten dient zur Übertragung der Skizze zum gezeichnetem Schaltplan:

Kräfte messen:

Schnell wird klar, dass der kleine Motor niemals den Hebel des Kippschalters bewegen kann. Dazu reicht seine Kraft nicht aus. Was der Begriff "Kraft" meint und welche Kraft erforderlich ist, um den Schalter zu bewegen, wird nun ermittelt:

Kräfte messen und zeichnen:

Übertragung von Kräften durch ein Zahnradgetriebe - Wie funktioniert das denn?

Eine sehr anschauliche Möglichkeit die Übertragung von Kräften bei einem Zahn-radgetriebe zu verdeutlichen, bietet ein Simulations-Programm des Informationsportals zur Ausbildung in der Metall- und Elektro-Industrie.                                                                             (https://www.me-vermitteln.de/unterrichtsmaterialien/experiminte/zahnradgetriebe)

Mit diesem QR-Code lässt sich die Simulation im Unterricht schnell aufrufen. Mit dem Arbeitsblatt (unten) habe ich versucht eine sinnvolle Auseinandersetzung mit der Simulation anzuregen. Ähnliche Arbeitsvorschläge bietet auch die Internetseite. Außerdem werden dort noch weitere Simulationen und Unterrichtsbeispiele vorgestellt. Ein Besuch lohnt sich!

Übersetzungsverhältnisse an einem Zahnradgetriebe:

Mit diesem Arbeitsblatt soll zunächst ein Übersetzungsverhältnis zwischen zwei Zahn-rädern ermittelt werden. Die Berechnung der Übersetzung lässt sich anhand der Zähnezahl der Zahnräder oder anhand der Anzahl der Umdrehungen ermitteln.

Übung zur Berechnung der Übersetzung:

Der Unterschied zwischen Welle und Achse:

Übersetzungen an einem mehrstufigen Getriebe

Um den Kippschalter der "Sinnlosen Kiste" zu betätigen, ist eine hohe Übersetzung vom "Schnellen" ins "Langsame" erforderlich. Dies gelingt nur mit mehreren Übersetzungspaaren in Form eines mehrstufigen Getriebes. Wie sich die Gesamtübersetzung bei solchen Zahnradanordnungen ermitteln lässt, zeigt dieses Arbeitsblatt:

Aufbau unseres Getriebes für die "Sinnlose Kiste"

Bei der Firma Opitec gibt es für 3,30€ einen Getriebemotor-Bausatz.                                                                           (http://de.opitec.com/opitec-web/articleNumber/224105/zz/cID/c3I6Z2V0cmllYmU3/p/3)

 Anhand einer Messreihe mit verschiedenen Getrieben mit unterschiedlichen Übersetzungen, haben wir uns für eine Gesamtübersetzung von 625:1 entschieden. Es handelt sich also um eine Übersetzung vom "Schnellen" ins "Langsame". 625 Umdrehungen am Motorritzel erzeugt eine Umdrehung am letzten angetriebenen Zahnrad. Die Montageanleitung ist bei Opitec als PDF-Datei verfügbar.

Drehmoment und Hebel:

Der Begriff "Drehmoment" muss genauer geklärt werden. Als anschauliches Beispiel dient hierzu eine Wippe. Auf beiden Seiten der Wippe wirkt jeweils ein bestimmtes "Drehmoment" ein. Sind beide Drehmomente gleich groß, ist die Wippe im Gleichgewicht. Am einfachsten lässt sich dies durch eine Gleichung darstellen:

Zur Übung:

Mit der "Balanceakt-Simulation" von "Phet-Colorado" können die folgenden Aufgaben sehr einfach überprüft werden. Hier ist der Link zur Simulation: