7. – 9. Schuljahr

Susanne Heinicke und Alexander Pusch

Einfache Maschinen im Alltag

Klassifizierung, Beispiele und ein Kartenspiel für den Unterricht

Einfache Maschinen, die sich aus
  • Hebel,
  • Keil bzw. schiefer Ebene,
  • Rolle und
  • Seil bzw. Stange
zusammensetzen (s.a. Basisartikel), begegnen uns im Alltag und in der Natur. Häufig nutzen wir sie, ohne dass uns bewusst ist, was wir verwenden und wie. Oft erkennt man die Maschinen auch nicht auf den ers-ten Blick und übersieht sie darum leicht.
Kategorisierung einfacher Maschinen
Wir unterscheiden hier einfache Maschinen in den vier o.g. Kategorien und weiteren Unterkategorien im Sinne der Mindmap in Abbildung 1.
Während das physikalische Prinzip (Richtung und Größe einer Kraft ändern) z.B. für jeden Hebel Geltung hat, kann sich der vom Benutzer intendierte Zweck des Einsatzes des Hebels unterscheiden. So soll z.B. bei einem Nussknacker die resultierende Kraft vergrößert, jedoch bei einem Ruderboot am Ruder vor allem der aufzubringende Weg verringert werden.
Wir haben in der Klassifizierung in Abbildung 1 unterschieden
  • zwischen aufzubringender und resultierender Kraft sowie
  • zwischen aufzubringendem und resultierendem Weg.
Beide sollen durch die einfachen Maschinen verändert (vergrößert oder verkleinert) werden. Allerdings können einfache Maschinen auch dazu dienen, Kräfte auszugleichen (z.B. bei einer Balkenwaage) oder Kräfte umzulenken bzw. Ansatzpunkte einer Kraft zu verändern.
Spezialfälle
Eine Kategorisierung wie die hier vorgestellte ist nicht vollständig eindeutig. Es gibt auch eine Reihe von Spezialfällen, die sich zumindest nicht trivial zuordnen lassen. Beispielsweise dient das Seil beim Ziehen eines Schlittens primär der Änderung des Ansatzpunktes einer Kraft. Gleichzeitig wird durch das Seil aber auch die Richtung der Kraft verändert, da nun nicht mehr gerade nach vorne, sondern schräg nach oben gezogen wird. Bleibt der Anteil der nach vorne gerichteten Kraft gleich, nimmt der Betrag der Gesamtkraft also zu. Wir ändern demnach hier neben dem Ansatzpunkt auch die Richtung und die Größe der Kraft.
Ein weiterer Spezialfall ist die Rolle. Eine Rolle ändert nur die Richtung einer Kraft. Mehrere Rollen, zusammengesetzt zu einem Flaschenzug, ändern aber auch die Größe der Kraft. Ist die Rolle starr, also eine Öse, ist außerdem Reibung im Spiel, was die Größe der aufzuwendenden Kraft und ihre Richtung, aber nicht gleichzeitig den Weg verändert.
Wir haben der Übersichtlichkeit halber bewusst nicht alle Spezialfälle berücksichtigt. Darüber hinaus unterscheidet die Klassifizierung in Abbildung 1 zwischen „klassischen einfachen Maschinen, die aus nur einer Komponente bestehen (Beispiele oben in Abb. 1) von komplexeren Maschinen, die aus mehreren, teils verschiedenen Komponenten zusammengesetzt sind (Beispiele unten in Abb. 1).
Kartenspiel zu den Kategorien einfacher Maschinen
Zu jeder Unterkategorie einfacher Maschinen haben wir im Rahmen des Kartenspiels mindestens ein Beispiel näher betrachtet. Das Kartenspiel hilft dabei, die einfachen (und komplexeren) Maschinen zu entdecken und ihrem jeweiligen technischen Verwendungszweck sowie ihrem physikalischen Grundprinzip auf die Spur zu kommen.
Aufbau der Karten
Die Karten sind zweiseitig gestaltet (s. Beispiel in Abb. 2 ). Auf der Vorderseite gilt es, die einfache Maschine überhaupt zu entdecken und einer der o.g. vier Kategorien zuzuordnen. Auf der Rückseite sind neben der Lösung der Zuordnung noch weitere Informationen zur jeweiligen Unterkategorie und zu den Verwendungszwecken der abgebildeten einfachen Maschine angegeben.
Im Detail bietet die Rückseite:
  • die Auflösung, um welche einfache Maschine es sich in der Abbidlung auf der Vorderseite handelt,
  • eine Angabe des zugrundeliegenden physikalischen Prinzips,
  • Informationen zu ihrem primären Einsatzzweck aus menschlicher Sicht sowie
  • eine Einordnung ihres Verwendungskontextes.
Mögliche Spielansätze
Das Kartenspiel kann auf unterschiedliche...

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