Kräfte und Bewegung an schiefen Ebenen und Hebeln

Ulrike Thesmann, E-Mail: ThesmannU@web.de

Kinder spielen, forschen und entdecken

Kräfte und Bewegung an schiefen Ebenen und Hebeln

Manuskript zur Weiterbildungsveranstaltung für ErzieherInnen unterstützt von der Stiftung Akademie für Kinder, Münster, 2012

Ulrike Thesmann, E-Mail: ThesmannU@web.de

Inhaltsverzeichnis Einleitung Kräfte und Bewegung an schiefen Ebenen Den Hang hinunter Kraft, Schwerkraft I

Ein schräger Balken

schiefe Ebene I, Blick in die Geschichte (Ägypten)

„Kletterparadies“ aus Matratzen Bewegung, Trägheit

„Wir sind Surfer“

Schwerkraft II (Gravitation), Hangabtriebkraft

Eine selbstgebaute Rutsche

naturwissenschaftliche Arbeitsweisen, Blick in die Geschichte (Isaac Newton)

So geht es noch schneller die Rutsche hinunter Reibung

Zusammenstöße am Ende der Rutsche Impuls I

Mit Fahrzeugen den Hügel hinunter Beschleunigung, Bewegungsgesetze

Eine Rampe für das Laufrad schiefe Ebene II

Eine Rampe für die Spielzeugautos

Fallrinne, Blick in die Geschichte (Galileo Galilei)

Spielzeugautos durch Röhren geschickt Fallbeschleunigung, zweites Newtonsches Axiom

Wieviele Bauklötze schafft das Spielzeugauto?

Wechselwirkungsprinzip, Impuls II, Experiment

Murmelbahnen

Kräftegleichgewicht, Lage- und Bewegungsenergie

Wasserrinnen

Hydromechanik, Blick in die Geschichte (Leonardo da Vinci)

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Kräfte und Bewegung an Hebeln „Ihr müsst euch richtig schwer machen“ Hebel, Hebelgesetz, Blick in die Geschichte

Die „Dreckschleuder“ (Katapult) Hebelgesetze im Alltag

„Wir sind Bauarbeiter“ Hebel in der Technik

Wippen

Zweiarmige Hebel

Balkenwaage Gewicht, Masse

Literatur mit Abkürzungsverzeichnis

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Einleitung Rutschen gibt es in jeder Kita und auf jedem öffentlichen Spielplatz. Sobald Kinder laufen können, klettern sie hinauf und fassen Mut hinunter zu rutschen. Sie sind von der Rutsche fasziniert, stellen sich dieser Herausforderung und werden dabei in der Regel von den Erwachsenen ermutigt und unterstützt.

Sobald sich die Kinder beim einfachen Hinunterrutschen sicher fühlen, beginnen sie die Rutsche neu zu erkunden. Dabei verwenden sie alles, dessen sie habhaft werden können. Aber in welcher Kita ist es erlaubt, die Rutsche hinunter zu laufen; auf der Rutschbahn hochzuklettern oder andere Kinder hochzuziehen; Sand am Ende der Rutsche aufzuhäufen; am Ende der Rutsche zu sitzen und Zusammenstöße mit hinunter rutschenden Kindern zu provozieren; Gegenstände hinunterrollen oder -rutschen zu lassen; Wasser hinunter zuschütten?

Jahrelang habe ich als Erzieherin die verschiedenen Herangehensweisen von zwei- bis sechsjährigen Kindern an Rutschen oder andere schiefe Ebenen beobachtet und dokumentiert.

Immer agierten sie mit großer Begeisterung und Freude, versenkten sich in ihr Spiel, erfanden Variationen, entwickelten ihre Ideen weiter und kamen wochenlang immer wieder auf dieses Thema zurück. Meistens geschah dies ohne Erlaubnis der Erzieherinnen. Manchmal ließ man sie gewähren, oft wurde es verboten.

Das wiederholte, intensive und ausdauernde Bedürfnis der Kinder am Spiel mit der Rutsche ließ mich vermuten, dass es sich hier um ein grundlegendes Bildungsthema handeln könnte.

Dann aber dürfte dieses Spiel nicht mehr durch Verbote eingeschränkt oder nur ausnahmsweise geduldet werden. Im Gegenteil, es müsste geachtet, gewünscht und unterstützt werden. Erst dann würden wir die Interessen der Kinder wirklich wahrnehmen (im Sinne von sehen, erkennen und vertreten/dafür einstehen) und an sie anknüpfen können. Entdeckerfreude und Wissensdrang der Kinder würden zum Auslöser der pädagogischen Arbeit.

Worum geht es also beim Spiel mit schiefen Ebenen? Ist die Auseinandersetzung mit Bewegung und Kräften ein erstes Kennenlernen und Erfahren von Naturgesetzlichkeiten? Bei meiner Suche wurde klar: Wir können in den spielerischen Forschungen der Kinder Themen der Naturwissenschaft erkennen. Sie betreiben auf einer sinnlichen Ebene Physik. „Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik. Man versteht darunter die Lehre von den Bewegungen und Kräften der festen, flüssigen und gasförmigen Körper. Mithilfe von Untersuchungen werden mechanische Gesetzmäßigkeiten aufgestellt. Diese ermöglichen es uns, die Größe von Kräften und Bewegungen, auch in anderen als den bereits untersuchten Fällen, theoretisch zu bestimmen. [...] Mithilfe der Mechanik finden wir auch Erklärungen für das Verhalten von Körpern, zum Beispiel für den Fall eines Apfels vom Baum, das Fließen von Wasser oder das Entweichen von Luft aus einem defekten Reifen. Selbst die Bewegung von Planeten lässt sich nach den Gesetzen der Mechanik vorhersagen.“(wiw46, S. 4) Wir Erwachsenen erkennen diese oft im Verborgenen betriebenen Forschungen der Kinder besser, wenn wir uns mit den naturwissenschaftlichen Hintergründen auskennen und sie als abrufbares Fachwissen in der aktuellen Situation nutzen können. Dann erst sind wir in der Lage zu verstehen, auf welcher Spur die Kinder sich gerade befinden, können ihnen den Rahmen für ihre eigenständigen Explorationen geben und angemessen anknüpfen.

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Den Hang hinunter Kraft, Schwerkraft I

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Kraft und ihre Auswirkung „In der Physik spricht man von Kraft, wenn mindestens ein Körper auf einen anderen einwirkt.

Die Kraft selbst kann man nicht sehen. Wir sehen aber, was die Kraft bewirkt. [...] Beispiel: Verbeultes Auto. Wir schließen auf Kräfte aus den Wirkungen, die sie hinterlassen. Eine wichtige Wirkung von Kräften ist, dass sie die Bewegungen von Körpern verändern. Körper können durch Kräfte beschleunigt werden. Aber auch das Abbremsen von Körpern bewirkt eine Veränderung der Bewegung eines Körpers.“ (wiw 46, S. 7) „Kräfte werden durch drei Merkmale gekennzeichnet: 1. der Punkt, an dem die Kraft angreift 2. die Richtung, in die die Kraft wirkt 3. die Größe, genauer gesagt, der Betrag der Kraft.“ (KienT4-6. S.120) „Wie misst man eigentlich Kräfte? In Gramm? Kräfte haben natürlich ihre eigenen Maßeinheiten: So, wie man Masse in Kilogramm misst, wird Kraft in Newton gemessen. Newton kürzt man mit N ab. Und wie viel ist ein Newton? Die Schwerkraft, die auf eine Schokoladentafel von 100g wirkt, entspricht 1 N.“ (KienP4-6, S. 37)

Schwerkraft I “Wie du weißt, fallen alle Gegenstände zu Boden. Auf die Gegenstände muss daher eine Kraft wirken. Man nennt sie die Schwerkraft oder kurz das Gewicht bzw. die Gewichtskraft.

Die Ursache der Gewichtskraft ist die gegenseitige Anziehung zwischen Körpern. Die Größe dieser Kraft ist abhängig von der Masse und von der Entfernung zwischen den beteiligten Körpern. Die Erde zieht alle Massen in Richtung Erdmittelpunkt (natürlich, sonst würde man ja auf der Südhälfte der Erde herunterfallen).“ (Holst, F., S. 63) „Galilei war ein berühmter Forscher und Erfinder, der vor 400 Jahren in Italien lebte. Er hat vieles über die Schwerkraft herausgefunden, zum Beispiel, dass sie auf gleich große Gegenstände gleich wirkt – egal wie schwer sie sind.“ (Dahle, G., S. 78 ) „Gegenstände fallen durch die Luft senkrecht nach unten, weil sie von der Schwerkraft angezogen werden. Genauso werden Gegenstände auf einer geneigten Fläche von der Schwerkraft angezogen und rollen oder rutschen auf dem direkten (d.h. dem kürzesten Weg zwischen dem Startpunkt oben und dem Zielpunkt unten) die geneigte Fläche hinunter.“ (KienP2-3. S. 56) „Der neugeborene Mensch muss sich direkt nach der Geburt mit dem Thema „Schwerkraft“ auseinandersetzen. Bei den Stützversuchen auf den Unterarmen und bei dem Anheben des Kopfes wird dies sichtbar. Ein Kleinkind versucht, sich gegen die Schwerkraft an Tischen oder Schränken hochzuziehen und aufzurichten.“ (Physik in der Turnhalle, S. 36)

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Ein schräger Balken

schiefe Ebene I, Blick in die Geschichte

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Schiefe Ebene I „An vielen öffentlichen Gebäuden (oder ausklappbar in Bussen) findet man heute Rampen, über die Rollstuhlfahrer (aber auch Kinderwagen) Höhenunterschiede überwinden können.

Mechanisch gesehen ist eine solche Rampe eine schiefe Ebene. Im Querschnitt betrachtet, bildet eine schiefe Ebene zusammen mit einer Waagerechten ein rechtwinkliges Dreieck. Wenn man den Rollstuhl in den Bus heben müsste, wäre er sehr schwer. Je flacher die Rampe ist, umso weniger Kraft braucht man, allerdings ist der Weg dann auch länger.“ (wiw46)

s.a.: http://de.wikipedia.org/wiki/Schiefe_Ebene

Blick in die Geschichte „Wie schafften die alten Ägypter beim Pyramidenbau die schweren Steinquader in die Höhe?

Wie sie im Einzelnen vorgegangen sind, ist nicht bekannt, wir wissen jedoch dass sie z.B. die Rampe oder schiefe Ebene verwendeten. Wahrscheinlich haben sie vom Boden aus um die immer höher werdende Pyramide herum Rampen errichtet, über die sie dann die Steinquader hinauf schafften. Zieht man Lasten über eine vollkommen glatte Schräge, erfordert dies zwar weniger Kraft als das direkte Hochhieven, man muss dabei allerdings eine längere Strecke überwinden.“ (sswKuB, S. 8) s.a.: http://www.cheops-pyramide.ch/pyramidenbau-theorien.html http://www.pyramidenbau.eu/BAUTECHNIK/index.htm http://www.planet-wissen.de/laender_leute/aegypten/pyramidenbau/video_pyramidenbau.jsp

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„Kletterparadies“ aus Matratzen Bewegung, Trägheit

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Was ist Bewegung „Du weißt, dass sich ein Auto bewegt. Aber wie lässt sich das aus mechanischer Sicht beschreiben? Wenn sich das Auto bewegt, befindet es sich zu verschiedenen Zeiten an einem anderen Ort. Wir verstehen Bewegung deshalb als eine Veränderung der räumlichen Lage eines Körpers im Verlauf der Zeit. Die Bewegung eines Körpers wird als Bahn bezeichnet.“ (wiw46)

Trägheit „Startet der Fahrstuhl, spüren wir, wie wir in die Knie gehen (auch der Bauch signalisiert etwas).

Wir wollen unseren ursprünglichen Bewegungszustand der Ruhe beibehalten. Man sagt, wir haben ein gewisses Beharrungsvermögen, wir sind träge. [...]

Wird der Fahrstuhl abgebremst, haben wir das Gefühl, leichter zu werden; nun wirkt eine verminderte [...] Kraft auf uns. Körper großer Massen haben ein großes Beharrungsvermögen: ‚Masse macht träge’.“ (Holst, F., S. 65) „Es ist keineswegs so, dass auf einen Gegenstand unausgesetzt eine Kraft einwirken muss, damit er weiterrollt. Der Wagen würde sogar endlos in der einmal eingeschlagenen Richtung und mit der Ausgangsgeschwindigkeit weiter rollen, würde er nicht durch Gegenkräfte wie etwa Reibung oder Luftwiderstand abgebremst.“ (KienT2-3, S. 14)

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„Wir sind Surfer“

Schwerkraft II (Gravitation), Hangabtriebkraft

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