REStARTS: Das Experimentierbuch · REStARTS: Das Experimentierbuch A u t o r en: VKI - Patricia...

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

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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


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


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...


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.

http://www.fp7-restarts.eu/images/event/introsession/imgp0853.jpg




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


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?


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…


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…

http://www.fp7-restarts.eu/images/event/session1force/imgp0905.jpg

http://www.fp7-restarts.eu/images/event/session1force/imgp0905.jpg


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)


Denkt Ihr, dass Kräfte eine Richtung haben?


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?


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:


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.


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.


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


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’


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?


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.


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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.


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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).


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


45 Minuten


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.


Experimente: Ein sich nicht bewegender Gegenstand ist immer einem Gleichgewicht physikalischer

Kräfte ausgesetzt.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/36-booklets/program-of-sessions-concept-of-force/65-session-4-balance-of-forces-velocity-0


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.


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.


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

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/67-session-1-fakir-bed-or-the-pressure-applied-on-a-solid

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/67-session-1-fakir-bed-or-the-pressure-applied-on-a-solid


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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?


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?


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.


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.


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


30 Minuten


Was ist der Unterschied zwischen dem Druck auf einem Festkörper und dem Druck auf einer Flüssigkeit

oder einem Gas?


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?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/68-session-2-pressure-solid-liquid-gas


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.


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.


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


45 Minuten


Was spürt Ihr, wenn Ihr auf den Grund eines tiefen Schwimmbeckens taucht?


Keine

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/69-session-3-pressure-and-height-experiment-1


22


(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)?


23


Der Druck ist abhängig von der Höhe des Fluids über den Messpunkt.


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


45 Minuten


Keine


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/70-session-4-pressure-and-height-experiment-2


25


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.


Diese Experimente sind eine weitere Illustration desselben Phänomens wie das vorige.


26

Lernabschnitt 5: Druck und Dichte

Zielsetzung: Anhand dieses Experiments können die Lernenden beobachten, dass der Druck in

Relation zur Dichte der Flüssigkeit variiert.


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


45 Minuten


Nehmen Sie mehrere Flüssigkeiten verschiedener Dichte und fragen Sie Ihre SchülerInnen, worin der

Unterschied besteht.


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?


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/71-session-5-pressure-and-density


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…


Nachdem wir verschiedene Höhen des Wassers experimentiert haben, schließen wir daraus, dass der

Druck eines Fluids abhängig von seiner Dichte ist.


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


45 Minuten


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.


Was passiert mit euren Ohren, wenn Ihr in einem Flugzeug fliegt, oder wenn Ihr schnell abwärts durch

einen Tunnel fährt, oder einen Berg hinaufsteigt?


NB: Diese Experimente funktionieren gut, doch braucht man dazu etwas Übung, bevor man sie mit den

SchülerInnen durchführt.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/72-session-6-optional-pressure-of-the-air-if-you-have-a-large-height-difference

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/37-booklets/concept-of-pressure/72-session-6-optional-pressure-of-the-air-if-you-have-a-large-height-difference


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.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/images/experiments/session6pressure/image024.jpg




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)


30 Minuten


Was geschieht, wenn wir einen Gegenstand fallen lassen?


Die Lernenden sollen die Schwerkraft mimisch darstellen.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/38-booklets/concept-of-gravity-force/73-session-1-experiments-on-gravity-concept-1


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)


Die Erde zieht uns und alle Gegenstände an.


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


45 Minuten

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/38-booklets/concept-of-gravity-force/74-session-2-experiments-on-gravity-concept-2


33


Schritt 1: Warum fällt das Blatt Papier langsamer als ein Papierknäuel?

Schritt 2: Fallen schwere Gegenstände schneller oder langsamer als leichte Gegenstände?


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


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?

http://www.youtube.com/watch?v=isVO9AAAhxM&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=SN77b9DqEbc


34


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].


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


30 Minuten


Aufgabe: Geben Sie jeder Gruppe einen aus Knete geformten Ball. Die SchülerInnen sollen den Ball so

langsam wie möglich sinken lassen.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/38-booklets/concept-of-gravity-force/75-session-3-challenge-how-to-create-a-opposite-force-to-gravity

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/38-booklets/concept-of-gravity-force/75-session-3-challenge-how-to-create-a-opposite-force-to-gravity


36


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.

http://www.fp7-restarts.eu/images/experiments/session3gravity/image025.jpg

http://www.fp7-restarts.eu/images/experiments/session3gravity/image025.jpg


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


60 Minuten


Könnt Ihr den Gleichgewichtspunkt eines Gegenstands finden?


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.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/38-booklets/concept-of-gravity-force/84-session-1-find-the-gravity-center-of-an-object


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.


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.


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


45 Minuten


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]

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/47-booklets/concept-of-lift-force/76-session-1-preparation-for-the-concept-of-lift


40


Diese drei Objekte fliegen, doch nicht auf dieselbe Weise. Könnt Ihr die Unterschiede erklären?


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?


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?


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.


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


45 Minuten


Wisst Ihr wie die Tragflächen eines Flugzeuges funktionieren?


http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/47-booklets/concept-of-lift-force/77-session-2-lift-of-the-airfoil-of-the-airplane


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.


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.


44


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.


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


45 Minuten


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]


Zeigen Sie die Bernoulli-Windbeutel und fragen Sie die SchülerInnen, ob sie sich vorstellen können, wie

man diese füllen kann.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/47-booklets/concept-of-lift-force/78-session-3-bernoulli-bag-another-surprising-application-of-the-bernoulli-theorem

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/47-booklets/concept-of-lift-force/78-session-3-bernoulli-bag-another-surprising-application-of-the-bernoulli-theorem


46


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.


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


30 Minuten


Was ist die Reibungskraft?

Ist die Reibungskraft in unserem Leben nützlich?

Was ist der Unterschied zwischen Reibungskräfte bei Festkörpern und bei Fluide?


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?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/40-booklets/concept-of-friction-force/79-session-1-feel-the-friction-force


48


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.


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.


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


45 Minuten


Wie kann man die Fortbewegungsstrecke eines Autos reduzieren?

Wie können wir unsere Testergebnisse miteinander vergleichen?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/40-booklets/concept-of-friction-force/80-session-2-how-can-we-change-the-friction-force-step-1-challenge-and-conception-of-the-experiments

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/40-booklets/concept-of-friction-force/80-session-2-how-can-we-change-the-friction-force-step-1-challenge-and-conception-of-the-experiments


50


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.


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.


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.


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


45 Minuten


Besprechen Sie mit den SchülerInnen den Begriff "wissenschaftlicher Ansatz".


Diskutieren Sie mit den SchülerInnen, was im vorigen Lernabschnitt passierte und bereiten Sie mit ihnen

den jetzigen Lernabschnitt vor.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/40-booklets/concept-of-friction-force/81-session-3-how-can-we-change-the-friction-force-step-2-scientific-approach

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/40-booklets/concept-of-friction-force/81-session-3-how-can-we-change-the-friction-force-step-2-scientific-approach


52


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.


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.


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

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/41-booklets/concept-of-thrust-force/83-session-1-thrust-and-aircraft-motor


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


60 Minuten

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/42-booklets/concept-of-balanced-forces-and-gravity-center/141-session-1-find-the-gravity-center-of-an-object


55


Könnt Ihr den Gleichgewichtspunkt eines Gegenstands finden?


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.


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.



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


45 Minuten


Was ist der hauptsächliche Unterschied zwischen der Fortbewegung eines Flugzeuges und der

Fortbewegung eines Autos?


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/42-booklets/concept-of-balanced-forces-and-gravity-center/142-session-2-displacement-of-a-plane-in-the-three-dimension-space

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/42-booklets/concept-of-balanced-forces-and-gravity-center/142-session-2-displacement-of-a-plane-in-the-three-dimension-space


57


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


45 Minuten


Wie ändern Flugzeuge ihre Richtung?


Die Lernenden sollen zusammenfassen, was sie im vorigen Lernabschnitt über die Bewegungsrichtungen

von Flugzeugen gelernt haben.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/42-booklets/concept-of-balanced-forces-and-gravity-center/143-session-3-paper-planes-and-direction


58

Fragen Sie die Lernenden, wie ihrer Meinung nach Flugzeuge ihre Richtung ändern?


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 )




59


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 )




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.


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.


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).


40 Minuten

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/54-ii-greening-air-transport

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/54-ii-greening-air-transport

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/103-session-1-sound-generation

http://ec.europa.eu/transport/air/doc/flightpath2050.pdf

http://ec.europa.eu/transport/air/doc/flightpath2050.pdf


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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)

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/105-session-3-sound-visualisation

http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en?mid=1022,

http://audacity.sourceforge.net/


65


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?


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.


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.


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.


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.


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.


69


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.


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)

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/106-session-4-sound-level-measurement


71

Bild 6: Schalldruckpegeldiagramm zur Veranschaulichung der logarithmischen Skalierung der dB-Werte


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).


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?


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)


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.


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.


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.


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.


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.


30 Minuten

M a t e r i a l

ein Schlauch

2 Trichter

eine Startklappe oder ein Paar Holzblöcke

eine Stoppuhr

ein Maßband

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/107-session-5-sound-source-detection


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


78


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?


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.


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.


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.


45 Minuten

M a t e r i a l

ein Wecker

eine Stimmgabel

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/108-session-6-noise-reduction


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


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


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?


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.


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.


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.


83


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.


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


60 Minuten


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?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/109-session-7-measuring-the-noise-level-and-the-noise-spectrum-of-a-noise-generator-speaker

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/55-ii-greening-air-transport/the-noise/109-session-7-measuring-the-noise-level-and-the-noise-spectrum-of-a-noise-generator-speaker


85

5. Welche Frequenzen beinhalten das weiße Rauschen?

6. Was ist eine Bandbreite?

7. Welches Geräusch ist störender? Das Breitbandgeräusch oder das Schmalbandgeräusch?


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.


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.


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.


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)?


87


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.


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

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/110-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-shape-of-the-object

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/110-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-shape-of-the-object


89


60 Minuten


Was ist Strömungswiderstand?

Was beeinflusst den Strömungswiderstand?

Weshalb hat die Form eines sich in der Luft bewegenden Objektes einen Einfluss auf dessen

Strömungswiderstand?


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.


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.


90


Das geringste Quantum an Strömungswiderstand wird durch ein aerodynamisches Profil generiert.


91


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


20 Minuten


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?


Fragen Sie die SchülerInnen, was mehr Viskosität hat: Wasser, Öl oder Honig? Die SchülerInnen sollen

ihre Auswahl erklären.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/111-session-2-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-viscosity-of-the-fluid

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/111-session-2-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-viscosity-of-the-fluid


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.


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.


93


von der Glätte oder Rauheit der Oberfl äche beeinflusst wird

Zielsetzung: Veranschaulichen, dass der Strömungswiderstand von der Oberflächenbeschaffenheit des

umströmten Objekts abhängt.


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


15 Minuten


Wisst Ihr, wie sich die Oberfläche eines Flugzeugs anfühlt?

Weshalb ist die Oberfläche eines Flugzeugs so glatt?


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?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/112-session-3-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-smoothness-or-roughness-of-the-surface

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/112-session-3-demonstrating-that-drag-is-influenced-by-the-smoothness-or-roughness-of-the-surface


94


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?


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.


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.


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


1 Stunde


Nach diesen vorhergehenden Experimenten und dem nun folgenden sollen die Lernenden Ihnen sagen,

was den Strömungswiderstand beeinflusst und weshalb.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/57-ii-greening-air-transport/drag/113-session-4-measuring-the-drag-of-different-forms-different-degrees-of-roughness-and-at-different-wind-speed





96


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


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


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.


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?


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


10 Minuten


Was ist Strömung?

Wie viele Arten von Strömungen gibt es?

Könnt Ihr diese beschreiben?

Könnt Ihr Beispiele nennen?


Fragen Sie die Lernenden, was Strömung bedeutet. Zeigen Sie Ihnen die folgenden Bilder und fragen Sie

sie, ob auf den Bildern Strömungen dargestellt sind.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/114-illustrate-laminar-and-turbulent-flow-in-a-very-simple-way

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/114-illustrate-laminar-and-turbulent-flow-in-a-very-simple-way


99


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.


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.


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.


101

Lernabschnitt 2: Veranschaulichung turbulenter Strömung

mittels Tinte

Zielsetzung: Ein besseres Verständnis zu bekommen, was Strömung ist und wie man diese besser

visualisieren kann.


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


20 Minuten


Was wird eurer Meinung nach mit der Tinte passieren?


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.


Die Strömung ist nahe des der Strömung ausgesetzten Objektes laminar und verwandelt sich dann in

eine turbulente Strömung.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/115-session-2-illustrate-turbulent-flow-using-ink

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/115-session-2-illustrate-turbulent-flow-using-ink


102


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.


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.


45 Minuten


Was beeinflusst eurer Meinung nach die Strömung?


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).


Beim ersten Experiment werden Gegenstände verschiedener geometrischer Form in den Luftstrom

gebracht.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/116-session-3-illustrate-turbulent-flow-using-a-smoke-generator

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/58-ii-greening-air-transport/turbulences/116-session-3-illustrate-turbulent-flow-using-a-smoke-generator


104

Starten Sie den Ventilator zunächst mit der niedrigsten Drehgeschwindigkeit und schalten Sie den

Rauchgenerator an. Die Lernenden beobachten den vom Ventilator bewirkten Luftstrom.


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.


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.


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.


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


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.


30 Minuten


Die Lernenden sollen sagen, welcher Teil eines Flugzeugs wichtig für die Sicherheit ist.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/50-booklets-safety/what-is-safety-in-air-transportation/89-twhat-is-safety-in-air-transportation


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.


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


Fotos und/oder Videos

Bild 1: Flugzeugunglück

Bild 2: Flugzeugunglück

D a u e r :

30 Minuten

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/50-booklets-safety/what-is-safety-in-air-transportation/90-active-safety-in-the-air-transportation


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.


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 :


Fotos und/oder Videos

Materialien für die Experimente

D a u e r :

30 Minuten


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.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/50-booklets-safety/what-is-safety-in-air-transportation/91-session-1-2-passive-safety-in-air-transportation


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.


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.


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 :


Fotos/Videos

eine Reihe von Experimentiermitteln

Bilder


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.


2 Stunden

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/51-booklets-safety/which-materials-for-a-transport-airplane/92-materials-for-a-transport-airplane


114


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


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.


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


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.


116


Flugzeugstrukturen müssen allen Arten von Belastungen standhalten. Deshalb müssen aeronautische

Flugkonstruktionen die Eigenschaften von Festkörpern haben.


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

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/51-booklets-safety/which-materials-for-a-transport-airplane/94-section-2-1-which-forces-act-on-a-flying-airplane-airplane-parts-and-loads

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/51-booklets-safety/which-materials-for-a-transport-airplane/94-section-2-1-which-forces-act-on-a-flying-airplane-airplane-parts-and-loads


118

Bild 4: Teile eines Flügels

Bild 5: Heckteile


119

Bild 6: Flugzeugmotor


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.


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.


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 :



Fotos/Videos

Bilder

D a u e r :

90 Minuten


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.


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/51-booklets-safety/which-materials-for-a-transport-airplane/95-section-2-2-how-design-safe-aeronautical-structures-which-maximum-load-can-an-aeronautical-structure-withstand-to




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.


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 :



Bilder

Videos


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.


90 Minuten


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?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/52-booklets-safety/flight-at-high-altitude/96-section-3-0-flight-at-high-altitude


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.


In den Lehrmaterialien wird gezeigt, wie die äußere Oberfläche eines Flugzeugrumpfes dem

Diefferenzdruck standhält.

M a t e r i a l :


Fotos/Videos

Bilder

Bild 7: Druckkabine


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/52-booklets-safety/flight-at-high-altitude/97-session-3-1-how-works-a-pressurized-fuselage

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/52-booklets-safety/flight-at-high-altitude/97-session-3-1-how-works-a-pressurized-fuselage


123


60 Minuten


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.


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.


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


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.


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.


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.


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 :


Fotos/Videos

Bild 8: Eis auf einem Flugzeugmodell in einem Windkanal

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/52-booklets-safety/flight-at-high-altitude/98-session-3-2-ice-problems


126

Bild 9: Simulationsmodell für die Darstellung und Lösung von Problemen, die durch Vereisung entstehen

können


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.


60 Minuten


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.


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.


127


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


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.


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).


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 :



Bilder

Videos

Bild 10: Startphase

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/53-booklets-safety/critical-situation-in-take-off-or-landing-phase/99-4-0-critical-situation-in-take-off-or-landing-phase

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/53-booklets-safety/critical-situation-in-take-off-or-landing-phase/99-4-0-critical-situation-in-take-off-or-landing-phase


129

Bild 11: Landephase


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.


90 Minuten


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?


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.


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 :


Videos

Bilder

Bild 12: Ausfall eines Motors


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/53-booklets-safety/critical-situation-in-take-off-or-landing-phase/100-4-1-one-engine-out-condition


131


30 Minuten


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?


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.


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.


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.


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 :


Fotos/Videos

Bilder

Bild 13: Wirkung des Seitenwinds


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.

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/53-booklets-safety/critical-situation-in-take-off-or-landing-phase/101-4-2-side-wind-condition


133

Die Lernenden sollen sich Extremsituationen vorstellen, die im Fall des Auftretens von starkem

Seitenwind bei der Start- und Landephase vorkommen können.


30 Minuten


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?


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.


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


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.


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.


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


Fotos/Videos


Bild 14: CIRA Crashtest


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.


30 Minuten


Wie wirken sich die passiven Sicherheitsanforderungen auf die Kosten für den Flugverkehr aus?

http://www.fp7-restarts.eu/index.php/home/root/state-of-the-art/results/the-experiments/53-booklets-safety/critical-situation-in-take-off-or-landing-phase/102-4-3-crashworthiness


136

Die Lernenden sollen sagen, wie wichtig ihrer Meinung nach die passiven

Sicherheitsanforderungen für den Flugverkehr sind.


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.


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.

Date post:	17-Sep-2018
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