Class Set Simple Machines

Einführung ins Thema

Der Klassensatz Simple Machines ermöglicht einen niederschwelligen Zugang zu wichtigen mechanischen Grundlagen und deren physikalischer Wirkung für den Sachunterricht in der Primarstufe. Alltägliche technische Funktionsbereiche werden spielerisch und praxisnah konstruiert, erforscht und regen zum Reflektieren an. Selbständig oder im Team bauen Schüler*innen einfache und anspruchsvollere Maschinen, Automaten, Werkzeuge und physikalische Modelle. Prozessbezogene Kompetenzen werden durch das Lösen von Problemstellungen, dem vertieften Erforschen und Anregungen für kreative Änderungen der Modelle gefördert.
Der Spaß am Tüfteln und die Freude an einer einwandfrei funktionierenden Mechanik sind ebenso wichtige Elemente wie die spielerische Erarbeitung relevanter Fachbegriffe anhand einer Vielzahl von Aufgaben und deren Lösungsbeispielen. Durch die Beschäftigung mit den einfachen Maschinen trägt der Sachunterricht dazu bei, dass Schülerinnen und Schüler ihre Umwelt anders wahrnehmen und die Wirkprinzipien einfacher Maschinen wie ein Muster in den vielfältigen Alltagsanwendungen wiedererkennen.

Was sind einfache Maschinen?

Unter dem Begriff „einfache Maschinen“ (auch als kraftsparende, kraftumformende oder arbeitserleichternde Maschinen bezeichnet) werden Werkzeuge oder mechanische Vorrichtungen zusammengefasst, die der Umwandlung einer Kraft dienen oder die Wirkung einer Kraft optimieren. Beispiele für einfache Maschinen sind das Seil, der Hebel, die Rolle und die schiefe Ebene (Keil), die in irgendeiner Kombination in fast jeder Kraftmaschine vorkommen. [1]

Daraus ergibt sich eine große Themenvielfalt, die spielerisch leicht von den Schülerinnen und Schülern erforscht werden kann. Die Aufgabenblätter sind entsprechend den Bildungsplänen kompetenzorientiert formuliert. Ziel ist es, das eigene Denken beim Problemlösen zu kontrollieren, reflektieren und zu bewerten und so neues Wissen aufzubauen. Probleme sollen erkannt, Problemlösestrategien entwickelt und angewendet werden.

• Gelenke und Scharniere: Wie kann etwas drehbar und gelenkig gelagert werden?
• Sperrklinken in vielen Formen und Anwendungsfällen: Wie kann etwas daran gehindert werden, sich in die falsche Richtung zu bewegen?
• Hebelmechaniken: Erfahren der Wirkung von Hebeln, schwenkende Hebel, mehrere gekoppelte Hebel.
• Exzenter: Die Umsetzung einer Drehbewegung in eine hin- und her-Bewegung, gezeigt an unterschiedlichen Szenarien.
• Federnde Mechanismen: Zurückstellen von Mechaniken mittels Federkraft, Federn als Energiespeicher – dargestellt in natürlichen und leicht begreifbaren
• Modellsituationen.
• Seilzüge und Flaschenzüge – in verschiedenen Ausbaustufen Schritt für Schritt zum Ausprobieren.
• Lineare Bewegungen entlang von Führungsschienen.

Schauen wir uns ein wenig um, sehen wir fast überall einfache und komplexe Mechaniken. Sie spielen in der Lebenswelt eine große, wenn auch häufig unerkannte oder versteckte Rolle. Vom einfachen Hebel über die Mechanik in einer Zimmertür über Kräne bis zu vielfältigen, raffinierten mechanischen Lösungen ein und derselben Aufgabenstellung. 
Ihre Berechtigung hat die Auseinandersetzung mit den einfachen Maschinen aufgrund des hohen Lebensweltbezugs und des kulturell verankerten Wissens, das mit ihnen verknüpft ist. [2]

Historie

Mechanische Konstruktionen gibt es seit Menschengedenken, angefangen mit einfachen Hebeln über die Erfindung des Rades bis zu immer komplexeren Maschinen. Rolle, Hebel und Wellrad wurden in Verbindung mit Seilen schon im Altertum zu Hebewerkzeugen und kranähnlichen Konstruktionen zusammengesetzt. Diese wurden vor allem am Bau verwendet. Schon um 700 v. Chr. war das Prinzip des Flaschenzugs in Griechenland bekannt, der Hebel schon seit Urzeiten. Archimedes (287-212 v. Chr.) formulierte die sogenannten Hebelgesetze. In der Antike wurden auch die ersten empirisch gemachten Erfahrungen mit Hilfe von Geometrie, Mathematik und reichem Erfindergeist systematisiert, immer besser verstanden und bis heute in kaum zählbaren Einsatzzwecken zur Anwendung gebracht.
Heron von Alexandria, ein griechischer Mathematiker und Ingenieur des ersten nachchristlichen Jahrhunderts erfasste in seinen Schriften Rad, Rolle, Hebel, Keil und Schraube als Elemente einfacher Maschinen. Im Mittelalter in Vergessenheit geraten wurde sein Text in einer arabischen Übersetzung in der Renaissance wiederentdeckt. Die Ingenieure jener Epoche fügten noch die schiefe Ebene zu den einfachen Maschinen hinzu. Gemeinsam ist diesen, dass sie die Grundbausteine jeder komplexeren Maschinenmechanik sind – heute würden wir sie jedoch eher als Maschinenelemente bezeichnen. Fast ein wenig trivial erscheinen sie uns im Informationszeitalter. Und doch sind sie das Fundament, auf dem die technische Zivilisation entstand. [3]

Weiterführende Informationen

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Einfache_Maschine
[2] Einfache Maschinen, Unterricht Physik | Ausgabe Nr. 169/2019, Friedrich Verlag
[3] Niels Boeing, Einfache Maschinen als Fundament der Moderne, Werkspuren 2|2013