Wie funktioniert ein Propellerboot?

Den Rahmen für das Experiment bietet die Geschichte von Lilu und Alina, die ohne genügend Wind nicht mit einem Segelboot nach Hause zurückkehren können und daher mit einem Propellerboot fahren wollen. Der Fokus liegt auf der Konstruktion und Bewegung eines Propellerbootes und den daran beteiligten Energieumwandlungen.

Im Mittelpunkt steht die Forschungsfrage, wie die für die Drehung des Propellers benötigte Energie gewonnen wird und welche Energieumwandlungen dabei eine Rolle spielen. Das Experiment bietet den Schüler*innen die Möglichkeit, sich mit den Materialien und Energiequellen zu beschäftigen, die beim Bau von Booten mit umweltfreundlichem Antrieb zum Einsatz kommen können. Mit dem Projekt sollen Kommunikationsfähigkeit, Zusammenarbeit, analytisches Denken, kritisches Denken, Problemlösungskompetenz, Kreativität und Innovationsfähigkeit gestärkt werden.

In diesem Experiment bekommen die Schüler*innen die Aufgabe, ein Propellerboot zu bauen, das mit Muskelkraft (Energie) angetrieben wird. Ziel ist es, ein umweltfreundlich betriebenes Fahrzeug zu konstruieren, das die Umwandlung von Strahlungsenergie in chemische Energie sowie die Umwandlung der chemischen Energie in Bewegungsenergie demonstriert, wie es in der Realität bei Tretbooten der Fall ist.

Zum Bau des Bootes werden Kork, Gummi und Holzstäbe für den Propeller verwendet. Kork wird aus der Rinde der Korkeiche gewonnen und hat eine poröse Struktur. Da die Poren mit Luft gefüllt sind, kann das Boot auf der Wasseroberfläche schwimmen.

Das Gummiband, mit dem sich der Propeller drehen kann, ist ein elastisches Material. Elastische Körper wie Gummibänder haben energiespeichernde Eigenschaften. Die Energie, die in elastischen Körpern gespeichert wird, wenn sie zusammengedrückt oder gedehnt werden, wird als Spannenergie bezeichnet. Um ein Gummiband zu dehnen, benötigen wir Muskelkraft, also chemische Energie.

Unsere Muskeln funktionieren nur mit Energie. Dieser Energiebedarf wird aus der Nahrung gedeckt. Die in der Struktur von Lebensmitteln gespeicherte Energie nennen wir chemische Energie; sie wird durch Fotosynthese aus der Strahlungsenergie der Sonne gewonnen. Bei der Kontraktion der Muskeln wird diese chemische Energie in Bewegungsenergie (kinetische Energie) umgewandelt. Die Spannenergie, die wir mithilfe unserer Muskelkraft im Gummiband speichern, ermöglicht es dem Propeller, sich zu drehen und das Boot in Bewegung zu setzen. Die Energie eines rotierenden starren Körpers, also des gedrehten und sich drehenden Propellers, wird als Rotationsenergie bezeichnet.

Die h5p-Datei lässt sich durch Klick auf das "Reuse"-Symbol in der linken unteren Ecke auch herunterladen oder kopieren.

Für Lehrkräfte

Die korrekte Reihenfolge lautet:

1. Strahlungsenergie
2. Chemische Energie
3. Drehenergie (Rotation)
4. Spannenergie
5. Drehenergie (Rotation)
6. Bewegungsenergie

Bitte beachten Sie die in Ihrem Land gültigen Vorschriften, wenn Sie die Materialien für diese Aktivität auswählen. Obwohl der Umgang mit Solarzellen und Elektromotoren bei dieser Aktivität risikolos ist, empfiehlt es sich, die Schüler*innen darauf hinzuweisen, dass mit Strom und Wasser vorsichtig umzugehen ist und die Kabel ordnungsgemäß abgeklebt werden müssen.

Für den Einstieg

Die Aktivität kann auf verschiedene Weise eingeführt werden, um verschiedene Gruppen von Schüler*innen einzubeziehen. Zum Beispiel lässt sich die Geschichte von Lilu und Alina nicht nur durch Lesen oder Vorlesen erzählen; die Kinder können sie auch zeichnen oder als Theaterstück inszenieren. Dies kann helfen, die ganze Klasse zu erreichen. Bringen Sie verschiedene elastische Materialien (Schwamm, Kunststofflineal, Spiralfeder usw.) in den Unterricht mit, um den Schüler*innen das Prinzip der Elastizität vorzustellen. Für Schüler*innen, die Schwierigkeiten mit Gruppenarbeit haben, können individuelle Lernpläne erstellt werden; umgekehrt können Schüler*innen, die Schwierigkeiten mit individuellem Lernen haben, in Gruppen arbeiten. Während das Propellerboot entworfen und gebaut wird, können die Kinder dazu angeregt werden, ihre eigenen Ideen und Überlegungen einzubringen, und erhalten wo nötig individuelle Unterstützung.

Für Fortgeschrittene

In höheren oder leistungsstärkeren Klassen oder Gruppen können Sie das Thema Energieketten vertiefter behandeln. Variablen, die die Bewegung des Propellerboots beeinflussen (z. B. Gummi unterschiedlicher Dicke, Propeller unterschiedlicher Größe, die Richtung und Anzahl der Propellerumdrehungen) können untersucht werden. Darüber hinaus können die Schüler*innen in das wissenschaftliche Arbeiten eingeführt werden, indem sie Messungen vornehmen, Daten sammeln und die Daten tabellarisch sowie ggf. auch grafisch darstellen. In der folgenden Beispieltabelle können die Schüler*innen die Anzahl der Umdrehungen des Propellers und die Strecke, die das Propellerboot auf dem Wasser zurücklegt, eintragen und vergleichen.
 

Im Mittelpunkt dieses Experiments stehen Energieumwandlungen in Konstruktions- und Planungsprozessen. Somit bietet es Anknüpfungspunkte zu den folgenden Berufen und Fachgebieten:

Schiffbau und Meerestechnik

• Maritime Technik
• Marine Engineer (Berufsbild von Meerestechniker*innen auf Englisch)

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

• Was macht ein Ingenieur für Werkstofftechnik?
• Materials Engineer (Berufsbild von Materialwissenschaftler*innen auf Englisch)

Energiesystemtechnik