5. – 11. Schuljahr

Rita Wodzinski

Einfache Maschinen alles andere als einfach!

Fachliche Hintergründe und didaktische Hinweise

Wer erinnert sich nicht aus dem Physikunterricht an die Goldene Regel der Mechanik „Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen oder den Merksatz „Kraft mal Kraftarm ist Last mal Lastarm? Wenig andere Zusammenhänge werden so gut erinnert wie diese, vermutlich auch, weil es zahlreiche Anwendungen im Alltag gibt. Die sog. einfachen Maschinen, um die es hier geht, spielen in der Lebenswelt eine große, häufig durchaus auch unerkannte Rolle. Rollstuhlrampen, das Schraubgewinde, die Schnürung eines Schuhs oder die Türklinke sind Beispiele dafür. Durch die Beschäftigung mit den einfachen Maschinen kann Physikunterricht dazu beitragen, dass Schülerinnen und Schüler ihre Umwelt anders wahrnehmen und die physikalischen Prinzipien der einfachen Maschinen wie ein Muster in den vielfältigen Alltagsanwendungen wiedererkennen.
Einfache Maschinen sind ein traditionelles Thema des Physikunterrichts, das in vielen Lehrplänen zu Beginn der Sekundarstufe I seinen Platz hat [1]. Gelegentlich wird dieses Thema bereits für den Sachunterricht der Grundschule empfohlen (s. z.B. [2]). Ihre Berechtigung hat die Auseinandersetzung mit den einfachen Maschinen aufgrund des hohen Lebensweltbezugs und des kulturell verankerten Wissens, das mit ihnen verknüpft ist. Innerphysikalisch hat die Goldene Regel der Mechanik als ein Ausdruck der Energieerhaltung in der Mechanik besondere Bedeutung. Das Hebelgesetz bzw. die Goldene Regel der Mechanik gehören darüber hinaus zu den ersten quantitativen Zusammenhängen, denen Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht begegnen. Die einfachen Maschinen bieten deshalb auch Gelegenheiten, über das Wesen der Naturwissenschaften nachzudenken, insbesondere über die Rolle von Idealisierungen und Mathematisierung sowie über das Verhältnis von Physik und Technik.
Didaktische Herausforderungen bestehen beim Thema einfache Maschinen darin, dass traditionelle Erklärungen zu einfachen Maschinen sich gewissermaßen als Altlast erweisen. Dies betrifft z.B. die Unterscheidung von losen und festen Rollen oder von ein- und zweiseitigen Hebeln. Zudem ist man als Lehrkraft mit zahlreichen sprachlichen Gratwanderungen konfrontiert, die ihre Ursache ebenfalls in tradierten Darstellungsweisen haben. Wie geht man im Unterricht z.B. mit der Formulierung der Goldenen Regel „Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen um, die zwar verständlich, aber bildungssprachlich nicht akzeptabel ist, da zwei Größen (Kraftersparnis und Wegänderung) in Beziehung gesetzt werden, die gar nicht direkt vergleichbar sind. Und was soll der Begriff der Last repräsentieren: eine Masse oder eine Gewichtskraft oder einen zu hebenden Körper? Eine eindeutige Antwort zu diesen Fragen gibt es nicht. Es spricht vieles dafür, kulturell geteiltes Wissen auch in der gewohnten Weise weiterzugeben, aber damit verknüpfte Schwierigkeiten bis zu einem gewissen Maß offenzulegen. Wichtig ist in jedem Fall, sich der Schwierigkeiten bewusst zu sein, um bewusste Entscheidungen treffen zu können, wie man damit im Unterricht umgeht. Hierfür sensibilisiert dieser Beitrag und bietet eine Orientierung.
Was sind einfache Maschinen?
Unter dem Begriff„einfache Maschinen (auch als kraftsparende, kraftumformende oder arbeitserleichternde Maschinen bezeichnet) werden mechanische Vorrichtungen zusammengefasst, die die Wirkung einer Kraft optimieren oder deren Anwendung vereinfachen. Zu den Prototypen einfacher Maschinen zählen
  • das Seil und die Stange,
  • die Rolle,
  • der Hebel,
  • der Keil und die schiefe Ebene.
Die Festlegung ist keineswegs eindeutig. Der Flaschenzug als Kombination aus losen und festen Rollen zählt häufig ebenfalls zu den einfachen Maschinen. Das Wellrad ist ein weiteres Beispiel einer einfachen Maschine, die vom Grundprinzip dem Hebel zuzuordnen ist. Aus technischer Perspektive gehören auch alle Arten von einfachen...

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