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Antriebe

In unserem Alltag kommen sich bewegende Gegenstände aufgrund der stets vorhandenen Reibung nach einer Weile zur Ruhe, wenn es nicht eine ständig wirkende Antriebskraft gibt, die die Reibung kompensiert (Treten beim Fahrrad, Motor beim Auto oder bei Schiffen). Um ein Fahrzeug aus der Ruhe in Bewegung zu setzen, braucht man auf jeden Fall eine antreibende Kraft. Bei selbst zu bauenden Spielzeugen im Sachunterricht bieten sich vorwiegend Antriebe an, die auf der Eigenschaft Elastizität von Materialien beruhen. Darunter versteht man die Eigenschaft, bei Verformung von selbst wieder den Ausgangszustand annehmen zu können. Ein typisches Beispiel ist Gummi: wird ein Gummiring gedehnt oder verdreht, nimmt er nach Loslassen die ursprüngliche Form an. Auch Luft lässt sich – z.B. in der Luftpumpe - zusammendrücken und dehnt sich auf das ursprüngliche Volumen wieder aus, wenn man den Pumpenkolben loslässt. Bei einem aufgeblasenen Luftballon wird die Luft vorwiegend durch die gespannte Gummihaut des Ballons herausgepresst.

In den letzten Jahren sind kleine, mit Batterien zu betreibende Elektromotoren sehr preisgünstig geworden. Allerdings drehen sie sich sehr schnell, so dass sich die Räder eines Spielzeugautos ohne ein die Drehzahl reduzierendes Getriebe zu schnell drehen würden. Für den Antrieb durch einen Luftpropeller oder eine Wasserschraube sind sie aber geeignet.

Man kann anhand von Spielzeugen bereits mit einer ersten Einführung in den Energiebegriff beginnen. Beim Dehnen eines Gummiringes oder einer Stahlfeder wird in den Muskeln chemische Energie umgesetzt und (teilweise) als Spannenergie in dem Gummiring oder der Feder gespeichert. Diese Spannenergie kann beim Loslassen des Autos in Bewegungsenergie des Fahrzeugs umgewandelt werden. Den Ertrag einer so frühen Einführung in den sehr abstrakten und komplexen Energiebegriff sehen wir allerdings als nicht sehr hoch an.

Gummiantriebe I und elastische Federn

Bei der ersten Art von Gummiantrieb wird ein langer Gummi an einer Stelle des Spielzeugs und an der Achse, welche sich später drehen soll, befestigt. Die Achse wird solange gedreht, bis sich der Gummi ausreichend gespannt hat. Der Gummi besitzt eine elastische Eigenschaft, das heißt er versucht immer seine ursprüngliche Gestalt einzunehmen. Im Fall des ersten Gummiantriebes wird das Gummiband, indem es um eine Achse gewickelt wird, der Länge nach ausgedehnt. Gibt man dem Gummi die Möglichkeit sich zu entspannen, so zieht er sich wieder zusammen. Das führt dazu, dass sich die Achse in der zum Aufziehen entgegen gesetzten Richtung dreht und das Fahrzeug antreibt.

In der Energiesprache: Lässt man das Auto fahren, wandelt sich die Spannenergie des Gummirings in Bewegungsenergie um.
Beim Springteufel wird die Elastizität einer Feder ausgenutzt: Eine zusammengedrückte Feder dehnt sich sehr schnell aus und kann dabei einen Gegenstand hochschleudern.

  • Rennwagen
  • Wackeldackel
  • Boot I
  • Springteufel
Gummiantrieb II

Die Funktionsweise des Gummiantriebs II beruht auf der Verdrillung eines Gummiringes. Dieser wird an einem Ende fest mit dem Spielzeug verbunden. Das andere Ende wird frei beweglich an einem Schaschlikspieß befestigt. Durch Drehen des Schaschlikspießes verdreht sich der Gummiring. Die elastische Eigenschaft des Gummis bewirkt, dass dieser seine ursprüngliche Form wieder einzunehmen versucht, sich also zurückdrehen will. Würde dies nicht behindert, würden sich Schaschlikspieß und Spielzeug in entgegen gesetzten Richtungen zurückdrehen. Wenn allerdings der Schaschlikspieß an dieser Bewegung gehindert wird, da sich beispielsweise sein langes Ende gegen den Boden drückt, dann kann die Kraft nur auf das Spielzeug übertragen werden, welches sich als einziges dreht. Im anderen Fall, wenn das Spielzeug keine Drehbewegung ausführen kann, dreht sich vorwiegend der Schaschlikspieß.

  • Karussell
  • Rasende Rolle
  • Boot II
Gummiantrieb III

Das Prinzip des Gummiantriebs III liegt wie bei Antrieb I in einer Längsausdehnung des Gummiringes. Der Gummi wird fest an einem Stab und lose an einem Spielzeug befestigt. Durch Verschieben des Spielzeugs parallel zum Stab, dehnt sich der Gummiring aus. Da der Gummi elastisch ist, versucht er seinen entspannten Anfangszustand wieder einzunehmen. Im Fall des Gummiantriebs III wird die vorher hineingesteckte Spannenergie in Bewegungsenergie umgewandelt und so die Rakete in die Luft geschossen.

  • Rakete
Luftballonantrieb (Rückstoßantrieb)

In den Bildern ist ein aufgeblasener Luftballon dargestellt. Die elastische Gummihaut ist gedehnt und presst die Luft zusammen. Die zusammengepresste Luft drückt nach allen Seiten gegen die Gummihaut. Sie drückt nach rechts genauso stark auf die Haut wie nach links, nach oben genauso stark wie nach unten. Diese Kräfte auf die Gummihaut heben sich beim geschlossenen Luftballon auf, er bleibt liegen. Anders ist es beim Luftballon, der an einer Seite offen ist. Im Bereich der Öffnung drückt die Luft nicht gegen die Gummihaut (siehe Abb. 1). Nach rechts drückt insgesamt eine größere Kraft auf die Haut als nach links und der Ballon bewegt sich deshalb nach rechts. Wird der Luftballon fest mit einem Objekt verbunden, überträgt sich die beschleunigende Kraft auch auf dieses. Das Objekt bewegt sich ebenfalls. Der Luftballonantrieb kann verwendet werden, um eine Auto, ein Schiff oder ein Raketenmodell zu bewegen.

sachinfos_abb_01
Abb. 1: Bei geöffnetem Luftballon bleibt – im dargestellten Beispiel - eine nach rechts gerichtete Kraft übrig, die die zusammengepresste Luft im Ballon auf diesen ausübt und ihn damit nach rechts beschleunigt.

  • Auto mit Luftballonantrieb
  • Rakete mit Luftballonantrieb
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