® Education HANDBUCH FÜR LEHRER ZAHNRÄDER EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 78630
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ZAHNRÄDER Handbuch Für Lehrer 96566-V4-09/14 ©2014 K’NEX Limited Partnership Group und ihre Lizenzgeber K’NEX Limited Partnership Group P.O. Box 700 Hatfield, PA 19440-0700 Besuchen Sie auch unsere Website www.knexeducation.com Email: abcknex@knex.com Telefon: 1-888-ABC-KNEX K’NEX Education ist eine eingetragene Marke der K’NEX Limited Partnership Group. Geschützt durch International Copyright. Alle Rechte vorbehalten.
Einführung: EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ÜBERBLICK Dieses Lehrerhandbuch wurde entwickelt, um Sie beim Einsatz des K’NEX Set Einführung Einfache Maschinen: Zahnräder in ihrer Klasse zu unterstützen. In Verbindung mit dem K’NEX Material und individuellen Schulbüchern, können die Informationen und Hilfsmittel in diesem Handbuch genutzt werden, um das Verständnis ihrer Schüler für wissenschaftliche Zusammenhänge aufzubauen und ihre Experimente in produktive und aussagekräftige Lernerfahrungen zu führen.
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Wheels & Axles EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Zahnräder Hintergrundinformation ZIELE: Ihre Schüler werden: 1. Die Eigenschaften von Zahnradgetrieben untersuchen und verstehen, wie sie funktionieren. 2. Das Verhältnis zwischen den einzelnen Teilen eines Zahnradgetriebes beschreiben. 3. Verschiedene Arten von Zahnradgetrieben bauen und ihre Funktion demonstrieren. 4. Verstehen, welchen Einfluss die unterschiedlichen Zahnradgrößen auf Geschwindigkeit und Kraft haben. 5.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Antriebsrad: Das Zahnrad, an dem die Kraft angreift. Das Antriebsrad überträgt die Energie auf das nächste Zahnrad innerhalb eines Zahnrad-Getriebes, das Abtriebsrad. Abtriebsrad: Das Zahnrad, das die Last bewegt. Zwischenrad: Dieses Zahnrad sorgt dafür, dass sich die Räder auf jeder Seite in die gleiche Richtung bewegen. Mechanische Übersetzung (MA*): (Geeignet für Schüler, die mathematische Kenntnisse über das Rechnen mit Brüchen besitzen und sie anwenden können.
ZAHNRÄDER Für den Betrieb müssen die Zähne von Zahnrädern ineinandergreifen oder durch eine Kette oder ein Band verbunden werden. Ein einfaches Zahnrad-Getriebe umfasst zwei oder mehr verzahnte Zahnräder mit jeweils nur einem verzahnten Zahnrad an jeder Achse. Das Zahnrad an dem die Kraft/Energie angreift, wird Antriebsrad genannt. Bei dem K’NEX Kurbel-Ventilator ist das Antriebsrad das Zahnrad, das an der Kurbel-Achse angebracht ist.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Vervielfachen der angewandten Kraft. Der Einsatz unterschiedlich großer Zahnräder in einem Getriebe oder Kettenantrieb, beeinflusst die Leistung des Abtriebsrades. Ein kleines Zahnrad, das ein größeres Zahnrad antreibt multipliziert Kraft auf Kosten der Geschwindigkeit. (Geeignet für Schüler, die mathematische Kenntnisse über das Rechnen mit Brüchen besitzen und sie anwenden können.
ZAHNRÄDER • Verlangsamung. Ein kleines Antriebsrad, das ein großes Abtriebsrad dreht, verringert die Drehgeschwindigkeit der am Abtriebsrad befestigten Achse. Beispiel: Ein Antriebsrad mit 14 Zähnen vollzieht 6 komplette Umdrehungen, während sich ein Abtriebsrad mit 84 Zähnen dabei nur 1 Mal dreht. In diesem Fall zeigt das Übersetzungsverhältnis von 6:1, dass die Antriebsdrehzahl des kleinen Antriebsrades 6 Mal höher ist als die Abtriebsdrehzahl des großen Abtriebsrades.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Kronräder: Diese Zahnräder liegen im rechten Winkel zueinander. Unterschiedlich große Kronräder drehen mit unterschiedlicher Drehzahl und Kraft. Zahnstangengetriebe: Diese Getriebe bestehen aus einem Rad mit Zähnen und einer geraden Stange mit Zähnen. Zahnstangengetriebe ändern eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung.
ZAHNRÄDER Der Kurbel-Ventilator: Kurbel-Ventilator Beispiel für den Einsatz eines Stirnradgetriebes. ZIELE: Die Schüler werden: 1. Die Bewegungsübertragung mittels eines Stirnradgetriebes verstehen und beschreiben. 2. Die Beziehung zwischen Zahnradgröße, Drehzahl und Kraft erforschen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Erklären Sie, dass Zahnräder einfach Maschinen sind, die Energie in Form von Bewegung von einem Ort auf einen anderen übertragen. Nehmen sie ein Zahnradspielzeug oder ein Getriebe, das Sie aus Karton gefertigt haben und zeigen sie, was geschieht, wenn sie ein Zahnrad, das in Kontakt mit einem anderen ist, drehen. Vorschlag: Nehmen sie Kartonkreis und kleben sie Eisstiele daran fest. Sie stellen Zahnräder dar.
ZAHNRÄDER Kurbel-Ventilator An dieser Stelle wollen Sie vielleicht den Begriff Bewegung und die korrekten Bezeichnungen für die Bewegungsarten Als Bewegung im physikalischen einführen, die die Schüler in der vorangegangen Übung Sinne versteht man die Änderung des genützt haben. Einige der Begriffe lauten: Antriebsbewegung Ortes eines Beobachtungsobjektes mit (die Hand des Schülers, die das erste Zahnrad dreht), der Zeit. Drehbewegung (Drehung um einen Punkt), lineare Bewegung.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN (c) Bitten Sie die Schüler, zu erklären, wie das Zahnradgetriebe die Ventilatorflügel dreht. Helfen Sie den Schülern, zu verstehen, dass die Zahnräder ineinander passen und auf gleicher Linie liegen. Erinnern Sie die Schüler an die vorangegangene Übung als die Zahnräder ein einer Linie flach auf dem Tisch lagen. Erklären Sie, dass bei dieser Anordnung, die als Stirnradgetriebe bezeichnet wird, die Zahnräder auf einer Linie oder in einer Ebene ineinandergreifen (verzahnen).
ZAHNRÄDER Kurbel-Ventilator 4. Bitten Sie die Schüler, an dem Ende eines Ventilatorflügels einen kleinen Aufkleber zu befestigen und einen Bezugspunkt auszuwählen, so dass sie die Bewegung des Flügels bei der Drehung verfolgen können, wenn sie an der Kurbel drehen. (a) Bitten Sie die Schüler, an der Kurbel zu drehen und dabei eine Umdrehung zu vollziehen. Beim weiteren Drehen an der Kurbel sollen die Schüler nun die Drehgeschwindigkeit variieren.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN HINWEIS: Wir empfehlen, dass für Punkt 5 zwei Gruppen zusammenarbeiten. Eine Gruppe sollte das Modell mit dem großen Zahnrad als Antriebsrad bauen, die andere Gruppe das Modell mit dem kleinen Zahnrad als Antriebsrad. Wenn beide Modelle zur Verfügung stehen, ist der Vergleich einfacher. 5.
ZAHNRÄDER Kurbel-Ventilator Anwendung Wiederholen Sie die Ergebnisse aus Schritt 3. Drehten sich die Kurbel und das Zahnrad an ihrer Achse mit der gleichen Geschwindigkeit? Sie bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit: eine Drehung der Kurbel (Rad) führt zu einer Umdrehung des Zahnrads auf der gleichen Achse. War das Ergebnis gleich, wenn ein kleineres Zahnrad verwendet wurde? Ein größeres Zahnrad? Ja.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Weiterführend (mit empfohlenen Klassenstufen.) [3.-4. Klasse] 1. Schlagen Sie vor, dass die Schüler im Internet nach weiteren Informationen über Zahnradgetriebe suchen. Sie sollten dabei eine Suchmaschine wie Google einsetzten und den Suchbegriff Zahnräder eingeben. [Klasse: 5] 2. (a) Erinnern Sie die Schüler daran, dass sie An- und Abtriebsgeschwindigkeit mit einer sehr simplen Methode bestimmt haben. (siehe Schritte 4(e), 5(c) und 5(e).
ZAHNRÄDER Kurbel-Ventilator [Klasse: 5.] (c) Bitten Sie die Schüler, das Übersetzungsverhältnis des Getriebes in ihrem Kurbel-Ventilators zu ermitteln. Die Schüler sollten das Übersetzungsverhältnis in ihre Hefte eintragen und mit eigenen Worten beschreiben, was das Übersetzungsverhältnis über ihren Ventilator aussagt. (d) Ermutigen Sie die Schüler, ihnen zu sagen, was mit diesem Getriebe erzielt wird. Wenn sie mehr Erläuterung benötigen, fragen Sie, ob ihr Ventilator sich schnell oder langsam dreht.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN HEFTEINTRÄGE: Die Schüler sollten ihre Ergebnisse festhalten. Die folgenden Einträge sind Beispiele für mögliche Hefteinträge: 4 Beschriftete Skizze des Kurbel-Ventilators mit Pfeilen. 4 Beobachtungen der Schüler. 4 Vorhersagen. 4 Fazit. 4 Eine Tabelle wie unten gezeigt, die die Ergebnisse zusammenfasst. ZAHNRADGETRIEBE VENTILATOR GESCHWINDIGKEIT ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNIS GESCHWINDIGKEIT ./.
ZAHNRÄDER Autofenster Das Autofenster: Beispiel eines Stirnradgetriebes, das eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung wandelt. ZIELE: Die Schüler werden: 1. Ein Modell konstruieren, das einen Gegenstand des täglichen Lebens repräsentiert. 2. Beobachten, wie eine Drehbewegung mit Hilfe eines Stirnradgetriebes in eine lineare Bewegung gewandelt wird. 3. Stirnräder als Hilfsmittel zur Multiplikation der Abtriebskraft kennenlernen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Fragen Sie die Schüler, was sie mit ‚Arbeit‘ meinen. Die Schüler sollten eine entsprechende Definition ähnlich der unter der Liste Schlüsselbegriffe auf Seite 3 dieses Handbuchs geben können. Erklären Sie, dass das Öffnen eines Fensters üblicherweise das manuelle hoch- und runterkurbeln des Fensters erforderte. (Vollziehen Sie die Bewegung des Hochkurbelns eines Fensters und anschließend kurbeln Sie es wieder runter.
ZAHNRÄDER Autofenster • Beschreibe die Bewegung des Fensters (Abtriebsbewegung.) • Warum wird für die Drehung des großen Abtriebsrades ein kleines Zahnrad als Antriebsrad eingesetzt? • Wie kann die Geschwindigkeit der Abtriebsbewegung kontrolliert werden? • Warum dreht sich die Kurbel mehrfach, während sich das Fenster nur langsam nach oben bewegt? Die Beobachtungen sollten in die Hefte eintragen werden. 2. Wiederholen Sie die Schritte vom Einsetzen der Kraft am Griff bis zum Heben des Fensters.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN DATENTABELLE 1 1.
ZAHNRÄDER Autofenster (c) Platziere einen Punktaufkleber auf dem großen 82-zahnigen Rad. Senke das Autofenster wieder und drehe die blaue Kurbel um 1 volle Umdrehung, um das Fenster zu heben. Beobachte das 82-zahnige gelbe Zahnrad und zähle die Zähne um die es sich dreht. (i) Wie weit dreht es sich? Wie schnell dreht es sich im Vergleich zu den anderen Zahnrädern? Es bewegt sich um ca. 6-7 Zähne, oder fast um ein Zwölftel (1/12) einer kompletten Umdrehung – eine sehr kleine Strecke.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Anwendung Bitten Sie die Schüler, eine Skizze des Autofensters in ihre Hefte zu zeichnen. Sie sollten folgendes beschriften: Kurbel, Antriebsrad, Abtriebsrad und Hebel. Ihre Skizzen sollten zwei Antriebsräder und zwei Abtriebsräder aufzeigen. Die Schüler sollten Pfeile in ihre Skizzen einfügen, und damit die Bewegung der beweglichen Teile beim Heben des Fensters darstellen.
ZAHNRÄDER Der Mixer: Mixer Beispiel eines Kronenradgetriebes. ZIELE: Die Schüler werden: 1. Den Mechanismus eines Systems bauen und erforschen, der in ein Objekt des täglichen Lebens eingebaut ist. 2. Beobachten, wie eine Drehbewegung mit einem Kronenradgetriebe von einer Ebene in eine andere übertragen wird. MATERIAL Jede Schülergruppe benötigt: Sie benötigen: - 1 K’NEX Zahnräder Bau-Set mit Bauanleitung - Einen Mixer + Lebensmittel zu Demonstrationszwecken.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Zeigen Sie, wie ein echter Mixer funktioniert und besprechen Sie: die verschiedenen Aufgaben eines Mixers. wie einige Mixer unterschiedliche Geschwindigkeiten für das Schneiden, Schlagen oder Mischen von Nahrungsmitteln einsetzen. Benützen Sie den K’NEX Mixer als Beispiel und zeigen Sie an der Tafel wie einfache beschriftete Skizzen mit Pfeilen gezeichnet werden können, um damit die Drehrichtung der Zahnräder zu zeigen.
ZAHNRÄDER (b) Um welche Art von Bewegung handelt es sich bei der Antriebsbewegung? (c) Wo vollzieht sich die Abtriebsbewegung? Um welche Art Bewegung handelt es sich? (d) Vergleiche Antriebs- und Abtriebsbewegung. Inwieweit sind diese Bewegungen gleich? Wie unterscheiden sie sich? (e) Untersuche und beschreibe die Bewegung jedes Teiles. Dreht sich das Teil in einer horizontalen oder vertikalen Ebene? Mixer Die Antriebsbewegung ist eine Drehbewegung. Die Abtriebsbewegung vollzieht sich am Häcksler.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Anwendung Erklären Sie den Schülern, dass sie ein Kronenradgetriebe erforscht haben. Bitten Sie die Schüler, eines der extra Zahnräder aus dem Set zu nehmen und Gründe für die Bezeichnung „Krone“ zu nennen. Wenn nötig, zeigen Sie den Schülern, dass das gelbe Zahnrad Zähne hat, die im 90°-Winkel zur Oberfläche des Zahnrads angebracht sind. Von der Seite betrachtet sieht es aus wie eine Krone.
ZAHNRÄDER Mixer 1. Wiederholen Sie die Ergebnisse – ein Kronengetriebe hilft, eine Arbeit zu leisten, indem es die Bewegungsrichtung ändert. Die heißt, die Antriebskraft kann in die Richtung erfolgen, in die es am leichtesten fällt, die Arbeit aber kann in einer anderen Richtung stattfinden. 2. Bitten Sie um einen Vergleich des Platzbedarfs der beiden Getriebearten (Stirnrad und Kronrad). Die Schüler sollten erkennen, dass es sich bei einem Kronenradgetriebe um eine kompaktere Anordnung handeln kann.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Hefteinträge: 4 4 4 4 4 4 4 Identifikation des Zahnradmechanismus. Beschriftete Skizze des Mixers mit Angabe von Richtungspfeilen. Aufzeichnung der Beobachtungen der Schüler unter Schritt 3. Identifikation der jeweiligen Bewegung der Teile. Identifikation der Änderung der Bewegungsrichtung und der Kraft. Wie kam das Kronrad zu seinem Namen. Vorteile eines Kronenradgetriebes hinsichtlich der Änderung der Bewegungsrichtung.
ZAHNRÄDER Der Heimtrainer: Heimtrainer Beispiel eines Kettengetriebes. ZIELE: Die Schüler werden: 1. Den Mechanismus eines Systems bauen und erforschen, der in ein Objekt des täglichen Lebens eingebaut ist. 2. Beobachten, wie Bewegung und Kraft mit einem Kettengetriebe über eine Strecke übertragen werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Besprechen Sie, dass der Heimtrainer auf der Basis eines Fahrrads mit zwei Rädern entwickelt wurde. Stellen Sie wenn möglich ein Fahrrad zur Verfügung, das die Schüler untersuchen können. Alternativ können Sie die Schüler auch bitten, auf die Seiten 12 und 13 der Bauanleitung zu sehen und zu erklären, wie sie sich die Funktionsweise dieses Mechanismus vorstellen.
ZAHNRÄDER Heimtrainer (c) Bitten Sie die Schüler, eine Skizze ihren Fahrrads zu zeichnen. Fordern Sie sie auf, den verschiedenen Teilen ihres Modells Namen zu geben. Sie können diese dann formalisieren oder auch nicht. Die folgenden Begriffe könnten dabei hilfreich sein: Kettenzahnrad, Kette, Pedal, Antrieb, Glieder, Antriebsrad, Abtriebsrad, Antriebsachse, Abtriebsachse. (d) Lassen Sie die Schüler Pfeile an ihrer Skizze anbringen, die die Bewegungsrichtung jedes einzelnen Teils darstellen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Wenn die Schüler damit fertig sind, bitten Sie einzelne Schüler, ihre Gedanken der Klasse mitzuteilen. Notieren Sie die Antworten der Schüler an der Tafel. Gehen Sie die Liste durch. Bitten Sie die Schüler, an andere Maschinen zu denken, die Bewegung über eine Strecke hinweg übertragen. Sagen Sie den Schülern, dass nicht nur Ketten Bewegung über eine Strecke übertragen können.
ZAHNRÄDER ZAHNRÄDER: Änderung von Richtung, Geschwindigkeit und Kraft… Ein Zahnrad ist ein Rad mit Zähnen an seinem äußeren Rand. Zahnräder können: Die Bewegungsrichtung eines Objektes ändern. Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Objektes ändern. Die Kraft ändern, die nötig ist, ein Objekt zu bewegen. www. k nexeduc at ion.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ZAHNRÄDER: In Bewegung… Antriebsrad Abtriebsrad ANTRIEBSRAD: Das Zahnrad, an dem die Energie/Kraft einwirkt. ABTRIEBSRAD: Das Zahnrad, das in das Antriebsrad greift.
ZAHNRÄDER ZAHNRADGETRIEBE: Änderung der Drehrichtung… Zwischenrad Antriebsrad Antriebsrad Zwei oder mehr Zahnräder, die ineinandergreifen formen ein Zahnradgetriebe. Verzahnte Zahnräder drehen gegensinnig. Ein Zwischenrad lässt die Räder auf beiden Seiten gleichsinnig drehen. www. k nexeduc at ion.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN KRONRÄDER: Änderung der Ebenen… Ein Kronrad liegt im rechten Winkel (90° Grad) zu einem anderen Zahnrad und ändert die Bewegungsrichtung. Ein Zahnrad dreht sich vertikal, während das andere Zahnrad horizontal dreht.
ZAHNRÄDER ZAHNRÄDER: Änderung von Geschwindigkeit und Kraft… Großes Antriebsrad (langsam) Kleines Abtriebsrad (schnell) ÜBERSETZUNG INS SCHNELLE: Ein großes Antriebsrad lässt ein kleines Abtriebsrad schneller drehen. Eine Übersetzung ins Schnelle steigert die Drehzahl, reduziert aber die Kraft. Großes Antriebsrad (langsam) Kleines Abtriebsrad (schnell) ÜBERSETZUNG INS LANGSAME: Ein kleines Antriebsrad lässt ein großes Abtriebsrad langsamer drehen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ZAHNRÄDER: Versuche dies… In welche Richtung drehen sich die Zahnräder? 40 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Education®
