9. – 10. Schuljahr

Martin Ernst Kraus

Komplexe Maschinen

Analyse und Konstruktion von komplexen Maschinen auf der Basis von Prinzipzeichnungen

Die „einfachen Maschinen, die der Physikunterricht normalerweise vorstellt, werden von Schülerinnen und Schülern vermutlich gar nicht als solche erkannt: Die Physik an der schiefen Ebene, an Zahnrädern, Hebeln und Rollen bildet letztlich auch nur die Grundlage des Verständnisses.
Die in diesem Artikel mithilfe technischer Zeichnungen vorgestellten Maschinen sind hingegen so komplex, dass man ihre Funktionsweise oft erst auf den zweiten Blick durchschaut.
Konzeption des Unterrichts
Erprobt wurde die Analyse und Konstruktion dieser Maschinen im Rahmen eines mathematisch-naturwissenschaftlichen Praktikums. Die Lernenden wurden aufgefordert, funktionsfähige Modelle mit Konstruktionsspielzeug nachzubauen.
Materialien
Eingesetzt wurde Fischertechnik® (s. Abb. 1 ). Auch die Verwendung von LEGO Technik® wäre möglich.
Die Maschinen 1 und 4 lassen sich sogar als Papiermodelle in ihrer Funktion darstellen. Die Umsetzung kann dann freilich nur das Prinzip zeigen.
Um komplexere Mechaniken umzusetzen, werden von der Spielzeugindustrie oft auch vorkonfektionierte Spezialbausteine gefertigt, etwa Kardangelenke oder Differenziale.
Fachinhalte
Die einzelnen Maschinen (s. AB 1 – 3 ) zeigen verschiedene Prinzipien des Baus mechanischer Maschinen mit zunehmendem Schwierigkeitsgrad:
1.Die Dezimalwaage nutzt das Hebelprinzip zweifach, so dass eine große Last durch ein kleines Gegengewicht (oft im Verhältnis 1:10) gehalten werden kann. Sie wurde zuerst vom Uhrmacher Jean-Baptiste Schwilgué konstruiert.
2.Der Scheibenwischer, zuerst vom polnischen Konzertpianisten (!) Józef Hofmann entworfen, ...
3.... und das Lenkgetriebe (Carl Benz) setzen eine Drehbewegung in eine Schubbewegung um.
4.Das Differenzial nutzt nicht nur einfache Zahnräder, sondern auch Kegelräder. Für den Fahrzeugbau wurde es vom Franzosen Onésiphore Pecqueur entwickelt.
5.Die Nähmaschine koordiniert nicht nur drei Bewegungen, sondern verwendet auch noch Exzenter. In dieser Bauform wurde sie 1846 vom Amerikaner Elias Howe erfunden.
Gute Informationstexte, z.T. auch mit Animationen, findet man bei Wikipedia für alle fünf Maschinen unter den oben angegebenen Bezeichnungen der Maschinen.
Unterrichtseinsatz
Der Bau der hier vorgestellten Maschinen ist anspruchsvoll und seine Umsetzung benötigt viel Zeit, insbesondere bei der Konstruktion der Aufhängungen. Während sich die Maschinen 1 – 3 (s. AB 1 – 2) je nach Verfügbarkeit der Teile, technischer Erfahrung und Geschick in weniger als einer Doppelstunde realisieren lassen, ist gerade Maschine 5 (s. AB 3) zeitaufwendig.
Varianten
Alternativ zur Konstruktion der Maschinen lassen sich die Arbeitsblätter 1 – 3 auch anderweitig nutzen:
  • Die Schülerinnen und Schülern können aufgefordert werden, anhand der Zeichnungen detailliert zu beschreiben, wie die einzelnen Bauteile ineinandergreifen.
  • Da diese Maschinen nicht in den Kerncurricula zu finden sind, eignen sie sich zudem für Differenzierungsmaßnahmen für besonders leistungsstarke oder technisch versierte Jugendliche.
  • Die Wikipedia-Artikel zu den fünf Maschinen enthalten wertvolle Zusatzinformationen, gerade in den Animationen: Sie können in einem Tablet-gestützten Unterricht leicht hinzugezogen werden.

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