Lernziele:
• Die Schüler sollen das Phänomen Schwimmen beschreiben können.
• Sie können Stoffe nennen, die schwimmen, sinken, aber auch schweben und können dies am Begriff „Dichte“erklären.
• Sie lernen den Umgang mit Raspel, Feile und Schmirgelpapier.
• Sie strukturieren die einzelnen Bootsarten nach div. Gesichtspunkten.
• Sie erfahren die Bedeutung von Funktionseinheiten (Antrieb, „Träger“).
Anmerkungen zum Thema:
1.1 Wasserfahrzeuge
Schon früh begann sich die Menschheit mithilfe primitiver Flöße auf dem Wasser fortzubewegen. Die Verbindung vom Festland zu vorgelagerten Inseln, der Transport von Nahrung oder anderen Lasten hat die Menschen von jeher beschäftigt.
Im Verlauf von Jahrhunderten entwickelten sich verschiedene Boots- und Schiffstypen.
1.2 Warum ein Schiff schwimmt
Grundlage der Schwimmfähigkeit eines Schiffs ist das „Archimedische Prinzip“. Nach diesem Prinzip wird jeder Körper, der in eine Flüssigkeit getaucht wird, um so viel leichter, als die von ihm verdrängte Flüssig- keitsmenge wiegt.
So wird man feststellen, dass ein massiver Würfel aus Aluminium, sofern er gerade einen Liter Rauminhalt hat, 27 N wiegt, taucht man ihn aber in Wasser, so wiegt er nur noch 17 N.
Der Aluminiumwürfel ist, da er 1 Liter Volumen hat und infolgedessen 1 Liter (und damit 10 N) Wasser verdrängt, um das Gewicht der von ihm verdrängten Wassermenge leichter geworden. Auf ihn wirkt also eine in ihrer Richtung der Schwerkraft entgegengesetzte (gewichtsmindernde) Kraft, die so genannte Auftriebskraft A.
Diese senkrecht nach oben wirkende Auftriebskraft greift am Formschwerpunk des Volumens an, das von dem in die Flüssigkeit eintauchenden Körper eingenommen wird (gleich Volumen der verdrängten Flüssig-
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Ein Würfel aus Holz, der bei einem Liter Rauminhalt etwa 8 N wiegt, taucht so weit ins Wasser ein, bis er 0,8 Liter, d. h. 8 N Wasser verdrängt hat (Abb. 2).
Die restlichen 0,2 Liter Holz tauchen nicht ein, weil schon vorher Gleichgewicht zwischen dem Eigenge- wicht und dem Auftrieb besteht; man sagt in diesem Fall: der Körper schwimmt.
Nun besitzt Holz eine geringere durchschnittliche Dichte als Wasser (die Dichte ist gleich der Masse m geteilt durch das Volumen V eines Körpers) und schwimmt.
Metall und andere Stoffe dagegen haben eine größere durchschnittliche Dichte und gehen unter.
Damit ein eisernes Schiff schwimmt, muss sein Inneres sehr viel Luftraum enthalten, sodass seine durch- schnittliche Dichte geringer wird als die des Wassers.
Viele Hohlräume verringern die Dichte des Metallkörpers.
Ein Schiff muss jedoch zusätzlich zur Schwimmfähigkeit noch die Eigenschaft besitzen, sich aus einer geneigten Lage wieder aufrichten zu können. Bei symmetrischer Gewichtsverteilung liegen der Gewichts- schwerpunkt G und der Formschwerpunkt F des Antriebs lotrecht übereinander auf der Mittschiffslinie.
Bei unsymmetrischer Gewichtsverteilung oder durch Einwirken äußerer Kräfte querschiffs, wie Windruck oder Trossenzug, oder längsschiffs entstehen Krängung (Abb. A) bzw. Trimmung (Abb. B) des Schiffs.
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1.3 Der Katamaran
Katamarane werden seit über 2000 Jahren von den Inselvölkern in Südostasien und der Südsee gebaut.
Das Wort Katamaran stammt aus der tamilischen Sprache und bedeutet „zusammengebundene Hölzer“.
Die Grundkonstruktion ist genial einfach: Ein schmaler Bootskörper wird durch Ausleger gegen das Kentern ( = „umkippen“) gesichert. Alle Teile des Bootes sind nur durch Schnüre (häufig aus Kokosfasern geflochten) miteinander verbunden.
Abbildung aus „Mensch Umwelt Technik“, Klassenstufe 5/6, Seite 12
Heutzutage versteht man unter einem Katamaran ein Segelboot zu Sportzwecken, das auf zwei Schwim- mern aufgebaut ist. Es wird hauptsächlich im Rennsport eingesetzt, da es besonders schnell ist.
Abbildung aus „Mensch Umwelt Technik“ Klassenstufe 5/6, Seite 14
Alle verwendeten Materialien sind sehr leicht und sehr stabil (Metalle: Titan, Aluminium, ...).
1.4 Das Löten
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Aluminium, bestimmte Stähle und Chrom lassen sich mit einfachen Mitteln nicht benetzen – das Lot perlt ab. Diese Stoffe müssen hartgelötet werden.
Um elektrische Verbindungen herzustellen, genügt das Weichlöten.
Als so genanntes Weichlot wird allgemein eine Legierung aus Blei und Zinn verwendet, das so genannte Lötzinn. Reines Blei hat einen Schmelzpunkt von 327°C, reines Zinn von 232°C; eine Legierung aus bei- den Metallen mit 60 % Zinnanteil schmilzt schon bei ca. 180°C! Der niedere Schmelzpunkt erleichtert die Lötarbeit, da nicht soviel Wärme zugeführt werden muss. Ein Lot mit 60 % Zinnanteil wird mit „Sn 60“
bezeichnet (Zinn stannum).
Bei allen Lötvorgängen muss das Lot die Oberfläche benetzen – es muss fließen. Hierzu ist es nötig, dass beide Kabelenden (bzw. die Enden des Kabels und des zu lötenden Bauteils) und das Lot gleichförmig erhitzt werden.
Feinste Teilchen des heißen Lotes dringen in die Oberflächen ein und bilden mit dem Grundmaterial eine hauchdünne Legierungsschicht. Während des Abkühlens darf die Lötstelle nicht erschüttert werden.
Bestimmte Lötdrähte sind innen hohl und mit Kolophonium, einem so genannten Flussmittel, versehen.
Flussmittel fördern die Benetzung und verhindern eine Oxidation beim Lötvorgang.
Weitere Löthilfen sind „Lötwasser“ (Chlorzinklösung) und Salmiaksteine – beide Mittel sind giftig.
Die Löttemperatur muss dem Lot angepasst sein: Bei zu großer Hitze verbrennen Lot und Flussmittel, bei zu geringer Hitze fließt das Lot nicht genügend.
Zum Weichlöten verwendet man elektrische Lötkolben bis 500 Watt, je nach Größe des Werkstücks.
Vorbereitung/Benötigte Materialien:
• Für die Schülerversuche: Glaswanne (z.B. aus Chemiesammlung), div. Materialien zum Experimentieren (evtl. auch „Kartesischen Taucher“ aus Physik) z.B. Knet, Glasmurmel, Metallkugel, Styrodurstück, Stein, Kunststoffschale, Holz, ...
• Styrodur 2000S (für die Schwimmer; im Baufachhandel), Sperrholz- oder Kunststoffplatten (ca. 3 mm), wasserfester Lack, Zweikomponentenkleber, Kabelmaterial, evtl. Schalter (falls gewünscht), Solarzelle, Solarmotor (mit Luftschraube – Fachhandel).
Vernetzungsmöglichkeiten mit anderen Fächern:
Physik: Der Auftrieb Chemie: Die Dichte
Angaben zur Unterrichtsmethode:
Experiment, Unterrichtsgespräch, Fertigungsaufgabe
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Sicherheitshinweise:
Beim Lötenbesteht Verbrennungsgefahr, daher muss darauf geachtet werden, dass die heißen Teile (Löt- kolben, Ablageständer, ...) nicht berührt werden.
Das Kabel des Lötkolbens darf nicht mit der heißen Lötspitze berührt werden. Ist ein Kabel angeschmort, darf der Lötkolben nicht mehr verwendet werden – es besteht u.U. Lebensgefahr!
Um eine Beschädigung der Werkbank zu vermeiden, muss der heiße Lötkolben auf einen Ablageständer oder eine andere feuerfeste Unterlage abgelegt werden.
Unterrichtsverlauf:
Schritt 1:Das Phänomen Schwimmen Schritt 2:Bootsarten
Schritt 3:Bau des Modells
Varianten und Alternativen:
• Wasserschraube für „bessere“ Schüler:
Hierzu muss Achse ins Wasser eingesetzt werden. Die Luftschraube wird durch eine Wasserschraube (Bastelbedarf: Modellbau) ersetzt.
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Schritt 3: Bau des Modells - Bauanleitung 1. Schritt: Herstellung der Schwimmer
Aus Styrodur 2000®werden zwei Schwimmer hergestellt:
Ablängen der Rohlinge (durch die Lehrkraft, Band- oder Kreissäge): 30x5x5 cm Formgebung: Zunächst wird die Grobform (siehe Foto „Detail Kufen – Untersicht) mit der Raspel herausgearbei- tet. Nach der Kontrolle durch den Lehrer wird dann zunächst mit der Feile, später mit grobem und abschließend mit feinem Schmirgelpapier weitergearbeitet. Das Endprodukt sollte von der Oberflächen- beschaffenheit ungefähr so glatt sein, wie der ursprüngliche Styrodurblock!
2. Schritt: Der Aufbau
Der Aufbau des eigentlichen Bootskörpers erfolgt auf einem dünnen Holzbrettchen, das auf der Unterseite lackiert wird (Was- serschutz). Die Maße betragen ca. 20x15 cm.
Auf dieses Brettchen wird nun die „Kabi- ne“ aufgebaut. Das Aussehen ist freige- stellt; man muss allerdings darauf achten, dass später noch die Solarzelle und der Solarmotor auf diesem Aufbau befestigt werden können.
Um die einzelnen Bauteile aneinander zu fügen wurde in der Hauptsache Zweikomponenten- kleber verwendet (Stabilität).
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Schwimmen – Schweben – Sinken
Gibt man verschiedene Probestücke in Wasser, so kann man verschiedene Phänomene feststellen:
Manche Materialien schwimmen auf dem Wasser, andere gehen sofort unter. Einige wenige Stoffe schweben im Wasser, d. h. sie bleiben immer dort im Wasser „stehen“, wo man sie hindrückt.
Der Grund hierfür ist die unterschiedliche Dichte eines Stoffs:
Die Dichte eines Stoffs ist definiert (= festgelegt) als Masse pro Kubikzentimeter (ein Kubikzentimeter ist ein Würfel, dessen Seiten jeweils 1 cm lang sind).
Abgekürzt schreibt man:
Dichte℘(sprich rho) = Masse pro Volumen
= M / V ( g / cm3)
Ist die Dichteeines Stoffs größerals die von Wasser, so geht er unter.
Ist die Dichte kleinerals die des Wassers, so schwimmter.
Ein Stoff schwebtim Wasser, wenn seine Dichte gleich großist wie die von Wasser.
