STEM Simple Machines

Ein Querschnitt wichtiger mechanischer Grundlagen und deren physikalischer Wirkung 

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Einführung ins Thema

STEM Simple Machines bietet einen Querschnitt wichtiger mechanischer Grundlagen und deren physikalischer Wirkung für den Unterricht in der Sekundarstufe. Aber nicht einfach losgelöst für sich, sondern – das ist die Prämisse des Baukastens – immer im Kontext von konkreten Anwendungen. Alltägliche technische Funktionsbereiche werden 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.
 

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]
Sie spielen in der Lebenswelt eine große, häufig durchaus auch unerkannte Rolle. Rollstuhlrampen, das Schraubgewinde, die Schnürung eines Schuhs oder die Türklinke sind Beispiele dafür. Durch die Beschäftigung mit den einfachen Maschinen kann Physikunterricht dazu beitragen, dass Schülerinnen und Schüler ihre Umwelt anders wahrnehmen und die physikalischen Prinzipien der einfachen Maschinen wie ein Muster in den vielfältigen Alltagsanwendungen wiedererkennen. [2]

Einfache Maschinen sind ein traditionelles Thema des Physikunterrichts, das in vielen Lehrplänen zu Beginn der Sekundarstufe I seinen Platz hat. Gelegentlich wird dieses Thema bereits für den Sachunterricht der Grundschule empfohlen. Ihre Berechtigung hat die Auseinandersetzung mit den einfachen Maschinen aufgrund des hohen Lebensweltbezugs und des kulturell verankerten Wissens, das mit ihnen verknüpft ist. [3]

Folgende Themen und Fachbegriffe werden meist in Kombination über mehrere, ganz unterschiedliche Anwendungsmodelle aus dem Alltag behandelt:

  •  Kurbelgetriebe
  • Kardangelenke
  • Exzenter
  • Parallelkurbel
  • Zahnradgetriebe
  • Kniehebel-Mechaniken
  • Zählen
  • Sperrklinken
  • Seilwinden
  • Flaschenzüge
  • Ausgleichsgetriebe
  • Schnecken- und Spindelgetriebe
  • Kräfte und ihre Messung

Die Modelle, vom Omnibus-Scheibenwischer bis zum Flugzeugfahrwerk, vom Zählwerk bis zum Warenautomaten, gewähren durch eine einfach gehaltene Konstruktionsweise und den leicht verständlichen Erklärungen umfassende Einblicke in verschiedene Mechaniken und die Grundsätze physikalischer Wirkprinzipien.

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.

  • Wo stecken konstruktive Schwachstellen in einem Aufbau?
  • Wie kann man diese lösen?
  • Warum sind bestimmte Details so und nicht anders gelöst?
  • Gibt es Alternativen? Was wären die Konsequenzen?

Auf diese Art wird echtes Technik-Wissen vermittelt – spielerisch leicht, aber fundiert bis in die Tiefe ganz nach Wunsch und Bedarf. Ganz nebenbei werden räumliches Vorstellungsvermögen, logisches Denken, Problemanalyse, physikalische Grundlagen sowie das Verständnis täglich eingesetzter Technik trainiert und im selbst durchgeführten Experiment erfahren.

 

Historie

Systematisch erfasst wurden die einfachen Maschinen bereits in der Antike in einer Schrift Herons von Alexandria, eines griechischen Mathematikers und Ingenieurs des ersten nachchristlichen Jahrhunderts. Neben Rad, Rolle, Hebel und Keil führte Heron die Schraube auf. 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. [4]
 

Weiterführende Informationen

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