So stark wie Pippi Langstrumpf
Wie man mit Physik die Schwerkraft austricksen kann: Wie können wir das Gewicht eines Steins verändern ohne ihn zu zerstören? Wie können wir Gewichte heben und Berge
versetzen? Wie kann leichtes Papier etwas Schweres tragen? Wieso kippt ein Kran nicht um?
Mit Köpfchen und einfachen Mitteln der Hebe- und Falttechnik kann man unglaubliche Stärke zeigen und sich (fast) wie Pippi Langstrumpf fühlen.
Physiker möchten verstehen, wie das Universum funktioniert. Wie bewegen sich Dinge, wie wirken sie zusammen und warum führt eine Ursache zu einer Wirkung? Physiker erforschen dazu Energie, Kräfte und Teilchen.
Welche Kraft ist denn dafür
verantwortlich, dass ein Mensch der am Südpol steht nicht einfach von der Erde stürzt?
Richtig! Es ist die Erdanziehungskraft. Sie hält nicht nur Menschen und Tiere fest, sondern auch Luft und Wasser. Die Erdanziehungskraft wird auch als
Schwerkraft der Erde bezeichnet. Und Ihr könnt gleich etwas basteln, was Ihr sicher alle könnt. Es hat gleich mit 2 Kräften zu tun: mit der Schwerkraft und dem Auftrieb.
Papierflieger-Anleitung:
Du brauchst:
ein A4-Blatt
Falte das Papier der Länge nach in der Mitte zusammen und wieder auseinander.
Knicke die beiden oberen Ecken zur
Mittellinie. Die entstandene Spitze klappst du großzügig nach unten.
Und noch einmal: Falte die oberen Ecken zur Mittellinie. Von der ursprünglichen Spitze lugt nun noch etwas hervor. Das knickst du nach oben.
Drehe den Flieger auf die Rückseite und mit der Spitze nach links. Klappe die untere Seite auf die obere. Bastele zum Schluss die Tragflächen, indem du die Oberkanten zur Unterkante knickst.
EXPERIMENT: EINE BRÜCKE AUS PAPIER Diese Materialien braucht Ihr:
Zwei Stapel Bücher oder andere gleich hohe Gegenstände
Ein Blatt Papier
Ein Spielzeugauto Experiment:
1. Stellt die Dosen (oder Bücherstapel) mit etwas Abstand als Brückenpfeiler auf und verbindet sie mit dem Blatt Papier.
2. Setzt das Auto auf die Brücke – sie wird einstürzen.
3. Nehmt das Blatt Papier und faltet es wie eine Ziehharmonika.
4. Verbindet wieder die Brückenpfeiler mit dem Papier und setzt das Auto drauf. Was passiert: Es hält!
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Ihr könnt das gleiche Experiment auch mit einer leichten CD-Hülle machen Ihr braucht:
Zwei Stapel Bücher oder andere gleich hohe Gegenstände
Ein Blatt Papier
Eine leere CD-Hülle
Was passiert?
Die einfache Brücke aus dem nichtgefalteten Blatt Papier hält weder Auto noch CD-Hülle aus.
Die gefaltete Brücke dagegen kann mehr tragen. Probiert auch andere Faltungen!
Zum Beispiel ein System aus eng gerollten Papierröhren. Wie viel können sie tragen?
Und was kannst du nun mit deiner Erfindung tun?
Wenn du das gefaltete Blatt zwischen zwei nicht gefaltete Blätter klebst, hast du eine relativ stabile Konstruktion. Mit dem gleichen Prinzip werden übrigens Kartonschachteln hergestellt.
Falten in der Natur
Das Falten wird in der Natur nicht nur zum Stabilisieren eingesetzt, sondern auch, um etwas zu verpacken. Denke nur an den Marienkäfer. Wenn er nicht gerade fliegt, hat er seine Unterflügel schön ordentlich gefaltet unter den Deckflügeln versorgt.Ein anderes Beispiel ist die Mohnblüte. Schau, wie eng die Blütenblätter in der Knospe zusammengefaltet bleiben, bis sich die Knospe endlich öffnet.
EXPERIMENT: FALTEN IN DER TECHNIK
Der Mensch braucht ausgeklügelte Faltsysteme, um zum Beispiel die Solarsegel an einem Raumschiff bei Bedarf schnell zu entfalten und wieder zu verstauen. Die sogenannte Miura- Faltung erlaubt das Entfalten und Falten in nur einer Bewegung, indem an den
gegenüberliegenden Ecken des gefalteten Materials gezogen bzw. geschoben wird. Das ist bei Solarsegeln von Vorteil, da weniger Motoren nötig sind, um die Segel zu entfalten, was wiederum zu weniger Gewicht führt. Die Miura-Faltung findet aber auch bei Stadtplänen Anwendung.
Faltanleitung: Miura Faltung Ein Blatt Papier wird nach dem Prinzip der Miura-Faltung nach Vorbild der Mohnknospe klein zusammengefaltet.
Du brauchst:
1 DIN A4-Blatt Papier,
Lineal,
Schere Experiment
1. Falte ein Blatt Papier in Längsrichtung in fünf gleichbreite Streifen wie eine Ziehharmonika: Streifenbreite: 4,2 cm.
2. Falte den zusammengefalteten/ entstanden Papierstreifen in der Mitte schräg aufeinander, so dass die diagonal gegenüberliegenden Ecken aneinanderstoßen.
3. Zeichne eine Verbindungslinie zwischen den beiden äußeren Ecken und schneide den überstehenden Rand entlang dieser Linie ab.
4. Falte den Papierstreifen mehrmals parallel zur entstandenen mittleren Falte, so dass acht gleichgroße Felder entstehen.
5. Jede Falte wird nun noch einmal in die Gegenrichtung gefaltet (achte darauf, dass die Schräge der Falten beibehalten wird)
6. Öffne nun das gesamte Papier und falte es nach der folgenden Methode wieder zusammen: Falzreihe 1, 3, 5 und 7 als Talfalte nach unten Falzreihe 2, 4 und 6 als Bergfalte nach oben.
7. Schiebe nun die vorgefaltete Struktur zu einem kleinen Paket zusammen.
8. Das Paket lässt sich ganz einfach entfalten und wieder zusammenfalten, indem du an den äußeren Ecken ziehst bzw. schiebst Hast du eine Idee wofür man solche Faltmechanismen in derTechnik verwenden könnte?
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EXPERIMENT: DER ÜBERHÄNGENDE CD-TURM
Schau dir den überhängenden Turm aus CDs auf dem Bild oben an: Die oberste CD-Hülle liegt außerhalb der Tischkante. Ist das möglich, ohne dass die CD-Hüllen zusammengeklebt sind, oder wurde da geschummelt?
Du brauchst:
Etwa 10 CD-Hüllen So wird’s gemacht:
1. Stelle einen Stapel CD- oder DVD-Hüllen an die Tischkante.
2. Schiebe die oberste Hülle so weit nach außen, dass sie gerade nicht kippt.
3. Jetzt schiebst du die oberen beiden Hüllen gemeinsam nach außen, bis kurz bevor sie kippen. Dann kommen die obersten drei dran usw.
Das passiert:
Es entsteht ein Turm, der unten fast senkrecht aufsteigt und oben immer weiter über die Tischkante hinausragt - die oberste Schachtel ist ganz außerhalb der Tischkante (wie im Bild).
Man kann diesen Turm also bauen, ohne zu kleben!
Warum?
Ob der Turm kippt oder nicht, hat mit dem Schwerpunkt zu tun. Wenn der Schwerpunkt der obersten Hülle außerhalb der Kante der zweitobersten liegt, kippt sie und fällt zu Boden. Also musst du die Hülle ein klein wenig reinrücken, damit der Schwerpunkt auf der 2. Hülle liegt und nicht außerhalb.
So geht es Hülle um Hülle nach unten: Die obersten beiden Hüllen haben einen gemeinsamen Schwerpunkt, der nicht außerhalb der 3. Hülle liegen darf usw. Der Schwerpunkt aller darüber liegenden Hüllen zusammengenommen darf jeweils nicht außerhalb der nächsten Hülle sein.
Wenn der Schwerpunkt aller Hüllen zusammen außerhalb der Tischkante liegt, dann kippt der Turm!
Quelle: "Überall Physik", SJW Nr. 230
EXPERIMENT: WIR BAUEN EIN KARUSELL MIT EINEM KUGELLAGER Diese Materialien braucht ihr:
2 Untertassen
13 -15 gleich große Murmeln Experiment:
1. Was passiert, wenn man zwei Untertassen aufeinanderstellt und zu drehen versucht? Nicht viel, denn die Reibung zwischen den beiden stumpfen Flächen ist zu groß.
2. Lege jetzt die untere Untertasse voll mit Murmeln.
3. Setze die andere Untertasse darauf. Was passiert jetzt?
Das passiert:
Ein Kugellager ist dazu da, die Reibung zwischen zwei Dingen zu verringern. So kann man etwas mit wenig Kraftaufwand bewegen.
Wendet nun das gleiche Prinzip auf Rollen an.
Diese Materialien braucht ihr:
30 Zahnstocher aus Holz
Deine Hand Experiment:
1. Reibe deine Hände gegeneinander. Spürst Du, wie sie warm werden? Wo etwas warm wird, ist viel Energie im Spiel, d.h. viel Kraft.
2. Wenn man etwas nach vorne schiebt, also eine schwere Last einige Meter weit transportieren will, braucht man viel Kraft. Will man weniger Kraft einsetzen, dann braucht man Rollen. Denn auf Rollen
verringert sich die Reibung.
3. Drücke zuerst deine Hand fest auf den Tisch und schiebe sie dann ein Stück nach vorne.
4. Mach den Vergleich: Lege die Zahnstocher nebeneinander auf den Tisch. Schiebe jetzt darauf deine Hand nach vorne.
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Diesen Trick benutzten schon die Ägypter beim Bau der Pyramiden. Große Felsbrocken rollten sie über Baumstämme.
Quelle: Technik – Forschen, Bauen, Staunen von A bis Z, Beltz & Gelberg
EXPERIMENT: Papier zerreißen
"Papier zerreißen" klingt ganz einfach, aber es kann auch eine ganz schön schwierige Aufgabe sein, ein Stück Papier auf eine bestimmte Weise zu zerteilen.
Du brauchst:
ein rechteckiges Stück Papier
eine Schere
1. Schneide an den kurzen Seiten einen etwa fingerbreiten Streifen fast ab.
Das heißt, er soll sozusagen noch am seidenen Faden am Mittelstück hängen. Die Verbindung sollte ungefähr 1 bis 2 mm breit sein - also ganz vorsichtig einschneiden.
2. Die schwierige Aufgabe besteht nun darin, dass du die beiden schmalen Streifen jeweils mit einer Hand festhältst und versuchst, so an ihnen zu ziehen, dass beide auf einmal abreißen, so dass das Mittelstück einfach runterfällt.
Probiert es aus! Was passiert?
In der Regel wird das nicht funktionieren, ohne dass man bestimmte Tricks anwendet, bei denen man mehr oder weniger schummeln muss.
Tricks, wie es dann doch funktioniert:
(ziemlich geschummelt) indem man mit den Zähnen - die beiden Hände sind ja schon in Benutzung - das Mittelstück festhält.
(nicht ganz so sehr geschummelt) indem man ein kleines Gewicht am Mittelstück anbringt - etwa ein Pfennigstück.
Papier zerreißen - Wie funktioniert das?
Wie man schon am zweiten (aber auch am ersten) Trick erkennen kann, hat das mit der Masse (dem Gewicht) des Mittelstücks zu tun. Nach Newtons Gesetz hängt die Kraft, die man benötigt, um einen
Gegenstand zu beschleunigen von dessen Masse (Gewicht) ab.
Papier wiegt nun sehr wenig, so dass die Kraft mit der man an den beiden Streifen zieht, immer ausreicht, um auf der einen Seite nicht nur
den schmalen Streifen, sondern auch das Mittelstück zu beschleunigen. Also wird das Mittelstück immer (in der Regel) von einem Streifen mitgenommen.
Wenn das Gewicht des Mittelstücks nun erheblich größer ist (wenn also ein Pfennigstück daran klebt oder ein ganzer Mensch mit seinen Zähnen dranhängt), benötigt man viel größere Kräfte, um das Mittelstück genauso zu beschleunigen wie die beiden Streifen. Diese Kräfte halten die schmalen Verbindungen zwischen den Streifen und dem Mittelstück nie aus und reißen ab. Das Mittelstück bleibt, wo es war und fällt demnach runter.
EXPERIMENT: SCHWERKRAFT UND ANDERE KRÄFTE
Alles, was man fallen lässt, fällt nach unten. Daran ist die Schwerkraft schuld. Aber nicht alle Gegenstände fallen gleich schnell.
Diese Materialien braucht ihr:
• Eine Streichholzschachtel
• Ein Stück Papier
Experiment:
1. Lass die Streichholzschachtel und das Papier gleichzeitig los. Was kommt schneller auf dem Boden an? Die Streichholzschachtel.
2. Leg das Papier auf die Streichholzschachtel und lass sie fallen. Beide kommen gleichzeitig an.
Das passiert:
Eine Streichholzschachtel fällt schneller nach unten als ein Stück Papier. Nicht, weil sie schwerer ist, sondern weil der Widerstand der Luft unterschiedlich auf beide wirkt! Wenn das Papier auf der Streichholzschachtel liegt, kommen beide gleichzeitig unten an, denn ohne Luft fällt alles gleich schnell: Das bewirkt die Schwerkraft.
Soll etwas langsam zu Boden fallen, muss man den Widerstand durch die Luft erhöhen: So funktioniert ein Fallschirm!
Quelle: www.wissensforscher.de
WESHALB WIEGT MAN IM WASSER WENIGER?
Du brauchst:
1 Küchenwaage
1 Bleistift
Klebeband
Etwas Schnur
1 Glas
Wasser
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1 Stein
1. Klebe den Bleistift auf der Waage fest.
2. Binde den Stein fest.
3. Knote mit dem losen Ende der Schur eine Schlaufe.
4. Hänge den Stein an den Stift. Wie viel wiegt er?
Fülle Wasser in das Glas. Was wiegt der Stein, wenn Du ihn in das Glas hängst?
Das passiert:
Die Waage zeigt es Dir an: Das Gewicht des Steins verändert sich. Er wird leichter, obwohl seine Größe und sein Aussehen gleich bleiben.
Warum wird der Stein leichter?
Der Stein wird in Wirklichkeit natürlich nicht leichter. Das geringe Gewicht, dass die Waage plötzlich anzeigt, hat mit dem
verdrängten Wasser zu tun. Sobald der Stein ins Glas taucht,
drückt er auf das Wasser. Ein größerer Stein verdrängt dabei mehr Wasser als ein kleinerer Stein. Das Wasser wehrt sich gegen das Verdrängen und drückt mit der Auftriebskraft dagegen. Deshalb wird der Stein nicht mehr so stark von der Schwerkraft nach unten gezogen und die Waage zeigt weniger an.
Flugzeuge nutzen eine andere Form der Auftriebskraft, um die Schwerkraft der Erde zu überwinden. Wichtig dabei ist die Form der Flügel oder Tragflächen: Da sie nach oben gewölbt sind, strömt die Luft oben schneller vorbei. So entsteht eine Art Luftwirbel, der das Flugzeug nach oben zieht. Durch die schnelle
Vorwärtsbewegung beim Start strömt an
den Flügeln sehr viel Luft vorbei. Der Luftwirbel wird so groß, dass das Flugzeug abhebt.
(Unterdruck)
EXPERIMENT: Kraft der Reibung
Wenn Du zwei Papierbögen aneinander reibst, wirst Du feststellen, dass sie leicht übereinander gleiten. Die Reibung ist sehr klein. Bei diesem Experiment summiert sich die Reibungskraft und wird sehr groß.
1. Nimm zwei Bücher oder dicke Hefte. Lege immer eine Seite des Buchs über eine des anderen.
2. Versuche jetzt, die Bücher auseinanderzuziehen. Am besten geht es zu zweit.
Was passiert? Schaffst Du das?
Und so funktioniert Reibung
Reibung ist die Kraft, die verhindert, dass ein
Gegenstand leicht über einen anderen gleitet. Papier sieht glatt aus, aber wenn Du genau hinschaust, hat es
viele kleine Erhebungen, die sich an einer anderen Oberfläche verhaken können. Das ist einer der Gründe für Reibung. Wenn Du die Seiten von zwei Büchern miteinander verzahnst, trägt jede Seite, die über einer anderen liegt, ein bisschen zur Reibung bei, bis man die Bücher nicht mehr auseinanderziehen kann.
EXPERIMENT KORKKOMPASS
Wenn man mit einem Schiff auf Reise geht, darf eine Karte nicht fehlen. Allerdings muss man auch wissen, wie herum sie zu halten ist. Auf der Karte ist nördliche Richtung mit einem Pfeil eingezeichnet. Fehlt dieser Pfeil, so gilt die Vereinbarung, dass die Nord-Richtung auf der Karte oben ist. Doch wo ist Norden?
Dies zu bestimmen war für viele, viele Seefahrer (auch für Kolumbus!) die Aufgabe eines Kompasses: denn Norden ist (in etwa) dort, wohin die Kompassnadel zeigt.
Um dir schnell und einfach einen Kompass zu bauen ….
..brauchst du:
einen Nagel aus Eisen (am besten lang und schmal),
einen Korken,
einen Magneten,
eine Schüssel mit Wasser
und etwas Spülmittel.
Experiment:
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1. Streiche mit einem Magneten mehrmals in gleiche Richtung über den Nagel und stecke ihn durch einen kleinen Korken (Abb. rechts).
2. Jetzt setze den Korken zusammen mit dem Nagel in eine Schüssel mit Wasser.
Der Korken beginnt sich zu drehen und kommt in Nord-Süd- Richtung zum Stillstand.
Wenn sich der Korken nicht dreht, kannst du etwas Spülmittel in das Wasser hineingeben und spätestens danach sollte sich der Korken in Richtung der Erdmagnetpole ausrichten.
Warum?
Magnete ziehen sich untereinander an oder stoßen sich ab. Je nachdem mit welcher Seite sie zu einander gebracht werden. An jedem Magneten gibt es zwei Stellen, wo er andere
Magnete am stärksten anziehen oder abstoßen kann. Diese Stellen nennt man Nordpol und Südpol eines Magneten. Der Südpol eines Magneten und der Nordpol des anderen
Magneten ziehen einander immer an. Die gleichen Pole (zum Beispiel Nordpole) zweier Magneten stoßen sich immer ab. Bevor der Nagel in den Korken gesteckt wurde, hast du den Nagel magnetisiert. Das heißt, aus ihm wurde ein Magnet mit einem Süd- und Nordpol. Als du den Korken mit dem Nagel ins Wasser gelegt hast, wo er sich frei drehen konnte, war der Kompass fertig! Im Mittelalter wurden genau solche schwimmenden Kompasse von
Seefahrern zur Navigation benutzt. Man hat nämlich bemerkt, dass eine frei bewegliche Magnetnadel sich immer in Nord - Süd - Richtung einstellt
