Wie funktioniert ein Segelboot?

Den Rahmen für das Experiment bietet die Geschichte von Lilus und Alinas Heimreise mithilfe von Wind, einer umweltfreundlichen erneuerbaren Energiequelle. Die Schüler*innen bauen selbst ein Segelboot: Schwimmt oder sinkt es? Welche Materialien können verwendet werden und warum? Die Forschungsfrage „Was ist Wind und wie entsteht er?“ steht im Mittelpunkt der Videos. Am Beispiel der Umwandlung der Luftbewegung in Bewegungsenergie werden die Schüler*innen an das Prinzip der Energieübertragung herangeführt.

Die Aktivitäten bieten den Schüler*innen die Möglichkeit, sich mit den Eigenschaften Schwimmen und Sinken von Körpern und mit den Materialien zu beschäftigen, die beim Bau von Segelbooten verwendet werden. Außerdem erforschen sie die Energiequelle, die das Segelboot in Bewegung hält. Mit dem Projekt sollen Kommunikationsfähigkeit, Zusammenarbeit, analytisches Denken, kritisches Denken, Problemlösungskompetenz, Kreativität und Innovationsfähigkeit gestärkt werden.

Energie ist eine physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, der Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Zu ihren Formen gehören kinetische Energie (Bewegungsenergie), thermische Energie (Wärmeenergie), Strahlungsenergie, chemische Energie, Spannenergie usw. Primärenergie ist in der Energiewirtschaft die in noch nicht weiterverarbeiteten Energieträgern (Sonne, Wind, Wasser usw.) enthaltene Energie. Im Sinne einer didaktischen Reduktion für die junge Zielgruppe wird in der folgenden Einheit nicht zwischen physikalischen Energiearten und Formen von Primärenergie unterschieden. Bei älteren Schüler*innen können die Begriffe differenziert werden.

Bei der Besprechung der oben genannten Fragen können Sie die Schüler*innen die interaktive Übung "Wie bewegt sich ein Segelboot?" durchführen lassen. Die h5p-Datei lässt sich durch Klick auf das "Reuse"-Symbol in der linken unteren Ecke auch herunterladen oder kopieren.

Lösung für Lehrkräfte

Die richtige Reihenfolge ist:

1. Die Sonne erwärmt die Luft.
2. Warme Luft steigt auf.
3. Kalte Luft strömt nach.
4. Die Luftbewegung treibt das Boot an.

Die meisten Transportfahrzeuge werden mit fossilen Brennstoffen betrieben, also mit nicht erneuerbarer Energie. Fossile Brennstoffe sind durch die Fossilisation von Organismen entstanden. Öl, Erdgas und Kohle sind die gängigsten Formen von fossilen Brennstoffen. Diese Ressourcen sind endlich und drohen in Zukunft zur Neige zu gehen. Darüber hinaus verstärkt die Nutzung fossiler Brennstoffe den Treibhauseffekt, weil dabei Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, das sich in der Atmosphäre ansammelt. Aus diesen Gründen ist es für unsere Zukunft sehr wichtig, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren und diese durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen.

Vor diesem Hintergrund bekommen die Schüler*innen die Aufgabe, ein Segelboot zu entwerfen, mit dem Lilu und Alina von der Insel nach Hause zurückkehren können, und zwar mithilfe einer erneuerbaren Energiequelle: Wind. Ziel des Experiments ist es, das Bewusstsein für umweltfreundliche Fortbewegungsmittel zu schärfen und ein Fahrzeug zu präsentieren, das so konstruiert ist, dass es keine fossilen Brennstoffe verbraucht, sondern eine erneuerbare Energiequelle in Bewegungsenergie umwandelt.

Beim Bau von Booten sollten Materialien verwendet werden, die auf Wasser schwimmen. In diesem Video wurde Kork verwendet. Kork wird aus der Rinde der Korkeiche gewonnen. Kork hat eine poröse Struktur. Da die Poren mit Luft gefüllt sind, kann es auf der Wasseroberfläche schwimmen. Im Schwammboot-Video (siehe „Binnendifferenziertes Lernen“) ist genauer zu sehen, wie Stoffe mit luftgefüllten Poren auf dem Wasser schwimmen können.

Die Sonne ist unsere wichtigste Energiequelle. Sonnenenergie kann in verschiedene Energiearten umgewandelt werden. Im Fall der Entstehung von Wind wird Sonnenenergie zunächst in thermische Energie (Wärmenergie) umgewandelt. Da sich Land- und Wasseroberflächen unterschiedlich erwärmen, werden auch die Luftmassen darüber unterschiedlich stark erwärmt. Dadurch entsteht Wind (siehe Abschnitt „Wie entsteht Wind?“). Wenn diese Windenergie auf das Segel des Bootes trifft, wird sie in kinetische Energie (Bewegungsenergie) umgewandelt, die es dem Segelboot ermöglicht, sich vorwärtszubewegen.

• Wind bewegt Luft.
• Warme Luft steigt auf, kalte Luft sinkt ab.
• Wenn warme Luft aufsteigt, fehlt dort etwas, wo vorher die warme Luft war. Dies wird als Tiefdruck bezeichnet. Aus der Umgebung, wo der Luftdruck höher ist, strömt Luft nach. Die Bewegung dieser kälteren Luft ist der Wind, den wir spüren und wahrnehmen können.
• Die Sonne ist unsere wichtigste Energiequelle. In unserer Atmosphäre, an Land und in den Meeren wird Sonnenenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Atmosphäre, das Land und die Meere erwärmen sich unter Sonneneinstrahlung unterschiedlich schnell. Land erwärmt und kühlt sich schneller ab als das Meer. Dieser Temperaturunterschied zwischen Land und Meer löst die Luftbewegung aus, die wir Wind nennen. Die Entstehung von Wind lässt sich beobachten, indem man zwei Behälter – einen mit Sand oder Erde, einen mit Eis gefüllt – unter eine Lichtquelle stellt und ein Räucherstäbchen anzündet.
• Die Windenergie ermöglicht die Bewegung des Segelboots.

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. 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 Segelboot 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 Windentstehung vertiefter behandeln, z. B. indem die Teilchen der Luft, die Teilchenbewegungen und Luftdruck besprochen werden.

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