® Education HANDBUCH FÜR LEHRER BRÜCKEN EINFÜHRUNG BAUWERKE 78640
EINFÜHRUNG BAUWERKE BRÜCKEN Handbuch Für Lehrer 96568-V4-10/14 ©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.
HEBEL UND FLASCHENZUG Einführung: BRÜCKEN ÜBERBLICK Dieses Lehrerhandbuch wurde entwickelt, um sie beim Einsatz des K’NEX Set Einführung Bauwerke: Brücken 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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Einführung Bauwerke: BRÜCKEN BRÜCKEN Hintergrundinformation ZIELE: Ihre Schüler werden: 1. Verschiedene Brückenarten untersuchen und die Funktion demonstrieren. 2. Die Kräfte, die auf Bauwerke einwirken beschreiben und verstehen. 3. Beschreiben, wie Bauwerke stabilisiert werden und wie sie Lasten abfangen. 4. Aufzeigen, wie Bauwerke bei Belastung einstürzen und Stütztechniken und Möglichkeiten der Verstärkung untersuchen. 5.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Brücken-Eigenschaften: Widerlager: Die Gesteins- oder Betonmasse an jedem Ende einer Bogenbrücke, die die Enden des Bogens fest an ihrem Platz hält und so das Einstürzen der Brücke verhindern. Verankerung: Fundamente/Betonblocks in welchen die Verkabelung einer Hängebrücke befestigt wird. Ausleger: Eine starre, horizontale Komponente einer Brücke Kabel: Ein Bündel Draht, das eingesetzt wird, um die Fahrbahn einer Hänge- oder Schrägseilbrücke zu halten.
BRÜCKEN GRUNDSÄTZE Im Folgenden finden sie eine Zusammenfassung der Schlüsselbegriffe im Zusammenhang mit Brücken, sie soll ein Nachschlagewerk für den Lehrer darstellen. Was ist eine Brücke? Das ist ein Bauwerk, welches das Überqueren eines Hindernisses erleichtert. Zu jeder Zeit sahen sich Reisende oder Händler mit Hindernissen, wie z.B. Flüssen konfrontiert.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN LAST Nutzlast: Das Gewichtdes Verkehrs, der die Brücke überquert. Diese Last ist eine nach unten auf die Brücke gerichtete Kraft. Das Brückendesign muss ENTWEDER die Druckkraft auf die Fundamente verteilen, ODER sie mit einer gegen gerichteten Kraft ausgleichen. Abbildung 6i Abbildung 6ii Eigenlast: Das ist das Gewicht des Brückenbauwerks selbst. Ingenieure versuchen, dieses Gewicht zu verkleinern, indem sie das Bauwerk so leicht wie möglich machen.
BRÜCKEN MATERIAL Die Konstrukteure müssen für den Einsatz beim Brückenbau die Materialeigenschaften berücksichtigen. Material, mit hoher Druckfestigkeit: Holz, Stahlbeton, Stahl, und einige Kunststoffe. Material, mit hoher Zugfestigkeit: Seil, Holz – entlang der Faser geschnitten. Stahlbeton ist eine gute Wahl für viele Bauwerke, einschließlich Brücken. Er besitzt Stahlbalken entlang der Längsseite und besitzt sowohl hohe Druck- wie auch Zugfestigkeit.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Abbildung 16i Rolle das Papier um einen Besenstiel Abbildung 16ii Stark: Zug- und Druckfestigkeit Abbildung 16iii - Schwach: Durchbiegen Das Rollen eines Stück Papier zu einem Rohr macht es erstaunlich stark. Dies kann man sehen, wenn man versucht, das Rohr an seiner Längsseite zu drücken (quetschen). Sie können ausprobieren, welche Art Last dieses Papierrohr tragen kann, bis es einknickt.
BRÜCKEN Formgebung bei Bauwerken 3 Basisformen werden im Allgemeinen bei Bauwerken verwendet: Rechteck, Dreieck und Bogen. Abbildung 20-22 - Üblicherweise bei Bauwerken eingesetzte Formen. Baue diese Formen mit K’NEX Elementen. Was passiert mit diesen Formen, wenn Kräfte darauf einwirken? Rechtecke Wenn an einer Ecke des Rechtecks Druck ausgeübt wird, wird die Form verändert. Aus dem Rechteck wird nun ein Parallelogramm. Abbildung 23-24 - Rechtecke: Druck an einer Ecke.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Dreiecke Wenn eine Last oder Kraft auf eine der Dreieckseiten einwirkt, kann die Seite nach innen biegen. Die Seite ist der schwächste Punkt in einem Dreieck. Abbildung 26 - Kraft wirkt auf die Seite eines Dreiecks. Wirkt die Kraft oder Last jedoch auf eine der Ecken, so verbiegt sich das Dreieck nicht, denn die beiden Seiten werden gequetscht und die Bodenseite gedehnt. Die Kräfte werden über das gesamte Gebilde verteilt und nicht nur auf eine Seite.
BRÜCKEN Wirkt eine Last von oben auf den Bogen ein, drückt sie über die Seiten, des Bogens nach untenund nach außen. Abbildung 29 - Auf einen Bogen einwirkende Kraft. Stützt man jedoch die Seiten, wird der Bogen verstärkt und es entsteht ein sehr stabiles Gebilde. Abbildung 30 - Verstärken eines Bogens. Wenn eine Last einwirkt, drückt sie die Seitenteile eines Bogens sich nach außen, aber die äußeren Stützen halten diese zurück und verhindern die seitwärtige Bewegung.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN VERSCHIEDENE BRÜCKENARTEN Es gibt verschiedene Basisbrückenarten, aber weil die individuellen Anforderungen an jede Brücke anders sind, gibt es eine Vielzahl Designvariationen. Die BALKENBRÜCKE Das ist der einfachste Brückentyp, bestehend aus einem geraden Teil - dem Balken – der auf zwei Stützen, jeweils an einem Ende, aufliegt. Konstruktion und Material: Die Balkenbrücke stützt ihr eigenes Gewicht und die Last auf aufrechten oder senkrechten Pfeilern.
BRÜCKEN Abbildung 36 - Fachwerkbrücken Das Hinzufügen von Fachwerkträgern verstärkt einen Balken, dennoch sind auch Fachwerkbrücken eingeschränkt, was die maximale Länge einer solchen Brücke betrifft. LÄNGERE BRÜCKEN Abbildung 37a - Wie überspannt man eine große Lücke Problem: Die Brücke hängt durch und ist schwach. Abbildung 37b - Lösung: Hochdrücken von unten. Abbildung 37c - Lösung: Hochziehen von oben. Wie oben bereits festgestellt, wird sich eine lange Balkenbrücke in der Mitte durchbiegen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Konstruktion und Material: Der Bogen macht sich die hohe Widerstandsfähigkeit von Steinblöcken zu Nutze. Hohe Druckkräfte halten die Steine zwischen den Enden (Widerlagern) zusammen. Der mittlere Stein eines Bogens wird als Schlussstein bezeichnet, alle anderen Steine drücken gegen diesen Stein. Die Form der verwendeten Steine ist entscheidend. Sie müssen keilförmig sein, diese Form erlaubt es dem Bogen, sich selbst zu halten.
BRÜCKEN Abbildung 43 Kräfteeinwirkung bei einer Auslegerbrücke Die Forth Rail Bridge, die den Mündung Firth of Forth bei Edinburgh in Schottland überspannt, ist eine der größten Auslegerbrücken der Welt. Sie besteht aus Stahl und wurde 1890 mit einer Länge von etwa 2.500 Metern gebaut. Die mittlere Brückentafel zwischen den beiden Auslegern ist aber nur ca. 100 Meter breit.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Abbildung 46 Kräfteeinwirkung bei einer Schrägseilbrücke Konstruktion und Material: Kabel werden an einem hohen Turm befestigt und daran die Fahrbahndecke aufgehängt. Die Kabel laufen direkt vom Turm zur Decke. Alle Kabel stehen unter Zugkraft und der Turm stützt das gesamte Gewicht der Brücke und alles, was sich darauf befindet. Die Türme werden in der Regel aus Beton oder Stahl gefertigt, die Kabel zeigen große Designvielfalt.
BRÜCKEN Abbildung 51 Humber Bridge, England Abbildung 50 - Kräfte, die auf eine Hängebrücke einwirken. Die längsten Brückenbauwerke heute sind Hängebrücken. Aktuell ist die längste Hängebrücke der Welt die Akashi-Kaiky?Brücke in Japan. Sie verbindet den Stadtbezirk Tarumi-ku von K?be auf der Hauptinsel Honsh? mit dem Ort Awaji auf der Insel Awajishima mit 2*3 Fahrspuren miteinander.
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Einführung Brücken: BRÜCKEN Vorbereitende Übungen. ZIELE Die Schüler werden: 1. Die Kräfte, die auf Bauwerke einwirken, identifizieren. 2. Zeigen, wie ausgewähltes Material, auf angreifende Kräfte reagiert. 3. Erforschen, wie ausgewählte Forme, auf einwirkende Kräfte reagieren.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Aufgaben HINWEIS für den Lehrer: Informationen und empfohlene Übungen für die Klasse zum Thema KRÄFTE, MATERIAL und FORMEN finden Sie im Punkt Grundsätze auf Seite 5-7 dieses Handbuchs. Eine Übung zum Thema LAST bei Brücken ist unter dem Abschnitt „Sind alle Brücken gleich?“ auf den Seiten 25-28 aufgeführt. Die Website www.pbs.
Einführung Brücken: BRÜCKEN Was machen Brücken? ZIELE Die Schüler werden: 1. Eine operative Definition einer Brücke benennen. 2. Brücken in ihrer näheren Umgebung erkunden. 3. Ein Modell einer Brücke entwerfen und bauen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 3 Hindernisse, die Menschen davon abhalten von einem Ort zum anderen zu gelangen. Wie Menschen solche Hindernisse ohne Brücken überwinden konnten. Flüsse, Täler, Schluchten, Mündungen, Straßen/Autobahnen, Gewässer zwischen Inseln. Sie durchwateten Furten in Flüssen, nützten Trittsteine, durchreisten Täler und Schluchten und suchten nach einem Platz an dem man das Hindernis überqueren konnte.
BRÜCKEN Erklären Sie den Schülern, dass sie mit dem K’NEX Material eine Brücke bauen werden. Besprechen Sie, wie Ingenieure, nachdem sie die ersten Modellzeichnungen angefertigt haben, kleine Modelle bauen und damit die Brücke auf ihre Stabilität, Sicherheit und Design untersuchen und testen. Brückenbauer folgen diesen Plänen, wenn sie eine reale Brücke bauen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Die Schüler sollten darauf vorbereitet sein, nun den ‘Schuhtest’ durchzuführen. Bitten Sie die Schüler eine Definition für die BRÜCKE in ihre Hefte einzutragen und dabei die Worte “Bauwerk” und “Hindernis” zu verwenden.
Sind Alle Brücken gleich? BRÜCKEN Wie Brücken ihre Last stützen. ZIELE Die Schüler werden: 1. Wiederholen, welche Kräfte auf Bauwerke einwirken. 2. Drei Brückentypen unterscheiden. 3. Untersuchen, wie eine Brücke ihre Last stützt. MATERIAL Jede Gruppe von 2 Schülern benötigt: Brückenmodelle aus der vorherigen Stunde - Bauanleitung - Gegenstände, die als Last fungieren (Bücher, Gewichte etc.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor. Schritte 1. Bitten Sie die Schüler, zu untersuchen, wie die Brücke gestützt wird und anschließend zu bestimmen, ob es sich um eine Balken-, Bogen- oder Hängebrücke handelt. 2.
BRÜCKEN (für höhere Klassen geeignet:) Umweltbedingte Last: die Auswirkung von starken Winden, Schnee und Eis und Erdbeben. Stoßlast: der plötzliche, hohe Stoß, den bestimmte Nutzer hervorrufen, wenn sie die Brücke überqueren. Beispiel: ein schwerer Güterzug oder LKW. (c) Die Schüler sollen auf die Liste an der Tafel schauen und die Lasten in die oben genannten Kategorien einteilen. Sie sollten dieses in die Hefte übertragen. 5.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Anwendung Die Schüler sollten eine kurze Beschreibung der Lastarten geben, die von einer Brücke gestützt werden, und die folgenden Zeilen ergänzen: NUTZLAST:___________________________________________________________________________ EIGENLAST:__________________________________________________________________________ (Höhere Klassenstufen:) UMWELTBEDINGTE LAST:______________________________________________________________ STOSSLAST:______________________________________________
BRÜCKEN Die Balkenbrücke: Balken Klassifizierung der Komponenten und Wege, die Balkenbrücke zu verstärken. ZIELE Die Schüler werden: 1. Die Grundeigenschaften einer Balkenbrücke identifizieren. 2. Wortschatz in Zusammenhang mit einer Balkenbrücke verstehen und gebrauchen. 3. Die Vor- und Nachteile, sowie die besten Anwendungsmöglichkeiten einer Balkenbrücke erforschen. 4. Mit K’NEX Elementen Modelle von Balkenbrücken bauen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Bringen Sie den Begriff Pfeiler in Erinnerung, er wird von Brückenbauern als Bezeichnung für die senkrechten Stützen einer Brücke verwendet. Bitten Sie die Schüler andere Teile der Brücke mit ihren eigenen Worten zu benennen und führen Sie dann folgende Begriffe ein: Träger - ein horizontaler Balken, der auf den Pfeilern aufliegt. Decke Träger Spannweite – der Abstand zwischen den Pfeilern Decke – die Oberfläche einer Brücke, die als Gehweg, Fahrbahn oder Schienenbahn dient.
BRÜCKEN Balken 3. Besprechen Sie die Erkenntnisse. Die Schüler sollten entdeckt haben, dass je länger die Spannweite ist, desto schwächer wird die Balkenbrücke. Der Träger beginnt, sich unter seinem eigenen Gewicht durchzubiegen, und kann sogar brechen, auch ohne zusätzliches Gewicht von oben. Im Falle der K’NEX Brücken liegt der Schwachpunkt an den Verbindern. Die gibt die Möglichkeit die Auswirkungen von Druck – und Zugkräften genauer zu betrachten.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 2. Sie sollten dann den Druck auf die mittlere Platte ausüben und beobachten, was nun mit den Stäben und den Pfeilern geschieht. 3. Nun werden an der Mitte der Brücke Gewichte aufgelegt, eins nach dem anderen und die Schüler sollen herausfinden, wie viel Gewicht die Brücke tragen kann, bevor sie anfängt, sich durchzubiegen. Die Beobachtungen können in eine Datentabelle wie unten gezeigt, eingetragen werden.
BRÜCKEN Balken Anwendung Besprechen Sie die Ergebnisse bezüglich der Anwendung von Druckkraft an den beiden Punkten an den zwei Brücken und der Anwendung von Gewichten. Bitten Sie die Schüler, ihre Beobachtungen heranzuziehen, um die folgenden Fragen in ihren Heften zu beantworten: Wo ist der schwächste Punkt jeder Brücke? Die Schüler schlagen vielleicht die Mitte der Brücke und die Verbinder vor. Welche Brücke hat eine höhere Tragfähigkeit? Die kurze Balkenbrücke.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Weiterführend 1. Bitten Sie die Schüler folgendes zu überlegen: „Wenn du eine Brücke entwirfst, die über einen Fluss führt, willst du vielleicht, dass die Brücke möglichst wenige Pfeiler hat. Liste Gründe auf, warum die Brücke aus diese Art gebaut werden soll.“ Sie sollten ihre Antworten in die Hefte übertragen. 2.
BRÜCKEN Die Fachwerkbrücke: Fachwerk Experimente zur Stabilität einer Fachwerkbrücke ZIELE Die Schüler werden: 1. Herausfinden, dass Bauwerke einstürzen können und Methoden erforschen, die sie verstärken und festigen können. 2. Verstehen, dass ein Experimentier-Modell für Tests nötig ist. 3. Einen Versuch planen und durchführen. 4. Die Stabilität einer Fachwerkbrücke mit Hilfe von Experimenten untersuchen. 5. Erklären, warum ein Fachwerk eine nützliche Konstruktion für Brücken und andere Bauwerke ist.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Fragen Sie die Klasse, welche anderen Gebilde stark und fest sind – welche Formen werden in diesen Strukturen verwendet. Wenn nötig, erinnern Sie die Schüler, wie rechteckige Gebilde mit einer diagonalen Strebe verstärkt werden können (Triangulation). Die Schüler können das selbst herausfinden, wenn dies in den vorbereitenden Übungen noch nicht gemacht wurde. Übung aus dem Bau-Set (optional) Bitten Sie die Schüler ein Quadrat aus 8 K’NEX Teilen zu bauen.
BRÜCKEN Fachwerk Sie können die Gelegenheit nützen und den Begriff Stabilität einführen. Stabilität ist die Fähigkeit, sich Deformierungen, Ausbeulen und dem Einstürzen zu widersetzen. (Im Punkt Schlüsselbegriffe finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema.) Erklären Sie den Schüler, dass sie mehrere Versionen einer Fachwerkbrücke bauen werden und die Stärke eines Fachwerks untersuchen werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Übung II: Wie stark ist die Brücke wenn eine Fachwerkkonstruktion hinzugefügt wird? Schritte HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. 1. Die Schüler sollten ihr Bauwerk erneut testen und dabei den gleichen Experimentaufbau verwenden wie davor. 2.
BRÜCKEN Fachwerk Anwendung Wiederholen Sie Folgendes mit der Klasse: Wie nennt man das Gerüst aus Dreiecken, das man einer einfachen Balkenbrücke hinzufügt? Was passiert mit der Höhe des Trägers, wenn ein Fachwerk hinzugefügt wird? Warum verwenden Ingenieure Dreiecke für diese Bauwerke? Fachwerk Sie wird größer. Das Dreieck ist für seine Stabilität bekannt und wird verhindern, dass der Träger sich biegt, verdreht oder aus der Form gerät. Es erhöht die Stabilität des Bauwerks und macht es fester.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Weiterführend Die Schüler finden wahrscheinlich heraus, dass beide Brücken Balkenbrücken sind und die gleichen Grundbauteile besitzen. Eine Fachwerkbrücke verwendet aber ein Gerüst aus Dreiecken und ist meist länger und stabiler. Vielleicht vergleichen sie auch die Materialien, aus denen diese Brückenarten gebaut werden können. 1. Fragen Sie, was bei Balkenbrücken und Fachwerkbrücken gleich ist. Wie unterscheiden sie sich? 2.
BRÜCKEN Die Auslegerbrücke: Ausleger Ein Balanceakt: die charakteristischen Eigenschaften von Auslegerbrücken erkennen. ZIELE Die Schüler werden: 1. Das Konzept einer Auslegerbrücke darstellen und erklären. 2. Die Kräfte, die auf eine einfache Pfeiler und Spanndecken Konstruktion einwirken beschreiben. 3. Die räumlichen Beziehungen zwischen den Teilen einer Auslegerbrücke erkennen und verstehen. 4. Die Anwendung des Auslegerprinzips bei anderen Bauwerken identifizieren und beschreiben.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Was ist ein Ausleger? Helfen Sie den Schülern, zu verstehen, dass die Auslegerbrücke eine weitere Variante der Fachwerkbrücke ist. Erklären Sie, dass im Gegensatz zum Fachwerk und der einfachen Balkenbrücke, die Träger bei einem Ausleger keine zwei Pfeiler zur Stütze benötigen, nur einen. Brücken, die dieses Prinzip nützen werden aus mehreren Auslegern zusammengesetzt und beinhalten oft einen zusätzlichen Träger, der von Auslegergebilden unterstützt wird.
BRÜCKEN Ausleger Übung aus dem Bau-Set: Verteilen Sie eine K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe. Bitten Sie, nur Schritt 1 (die Fahrbahndecke) des K’NEX Ausleger Modells auf Seite 6 der Bauanleitung zu bauen. Übung I: Wie kann ein Ausleger ausbalanciert werden? Schritte 1. Die Schüler sollten in Zweiergruppen arbeiten. Bitten Sie sie, ihre Fahrbahndecke an einem Ende horizontal über ihren Tischen zu halten. Dies hilft ihnen, die Kräfte zu spüren, die dabei auftreten. Was fällt ihnen auf? 2.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Aufgabe aus dem Bau-Set: Bitten Sie die Schüler, die Schritte 2-6 der Bauanleitung fertigzustellen und zu untersuchen, wie ihre K’NEX Auslegerbrücke funktioniert. Aufgabe I: Was sind die charakteristischen Teile einer Auslegerbrücke und welche Funktion haben sie? Schritte 1. Bitten Sie die Schüler, zu untersuchen, welche Teile der Brücke ähnlich sind mit Teilen anderer Brücken, die sie bereits erforscht haben.
BRÜCKEN Ausleger (b) Halten Sie das Modell einer K’NEX Auslegerbrücke nach oben und zeigen Sie die entsprechenden Teile beim Modell und der Versuchsanordnung mit den Schülern. Erklären Sie den Schülern, dass die beiden sitzenden Schüler zwei Auslegergebilde darstellen, wobei ihre Körper die Pfeiler/Türme darstellen, ihre Arme repräsentieren die oberen Teile eines Auslegers und die Meterstäbe fungieren als Fachwerk oder Stützen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN (b) Welche Teile der Brücke sind Zugkräften ausgesetzt? 7. 8. Fordern Sie die Schüler auf, das Modell zu untersuchen und den Mittelpunkt zu finden. Sind beide Seiten der Brücke spiegelbildlich? Welches Wort beschreibt das? Bitten Sie die Schüler nachzudenken, ob ihr Ausleger stabil oder instabil ist. Sie sollten ihren Antworten begründungen können. Die Streben über dem Deck stehen unter Zugkraft, wenn die Last nach unten drückt.
BRÜCKEN Warum sind die beiden Seiten der Brücke Spiegelbilder von einander? Ausleger Ein symmetrisches Design hilft, die auf eine Brücke einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht zu halten. Eine symmetrische Brücke sieht auch ansprechender aus. Die Schüler sollten jetzt eine Zeichnung von ihrem Modell anfertigen, es beschriften und Anmerkungen zur Funktion hinzufügen. (Für höhere Klassenstufen geeignet.) Bitten Sie die Schüler, die Demonstration von Bakers Auslegerprinzip zu beschreiben.
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BRÜCKEN Die Klappbrücke: Klappbrücke Eine Brücke, die sich bewegt. ZIELE Die Schüler werden: 1. Das Modell einer beweglichen Brücke bauen und zeigen, wie es funktioniert. 2. Die Einschränkungen einer Klappbrücke identifizieren. 3. Den Betrieb einer Klappbrücke erklären. 4. Wortschatz in Verbindung mit dem Klappbrücken-System verstehen und verwenden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Wie kann dieses Problem gelöst werden? Die Antworten werden variieren. Akzeptieren Sie die Vorschläge und notieren Sie sie an die Tafel. Wenn keine weiteren Vorschläge mehr kommen, kommentieren Sie die Liste im Hinblick auf Praktikabilität. Zum Beispiel würde eine sehr hohe Brücke es ermöglichen, dass die Schiffe passieren könnten, aber der Bau einer sehr hohen Brücke ist nicht immer praktikabel.
BRÜCKEN Klappbrücke Übung I: Wie öffnet und schließt sich eine Klappbrücke? Schritte 1. 2. 3. Fragen Sie die Schüler nach den Hauptunterschieden zwischen dieser Brücke und den Brücken, die sie bereits kennengelernt haben. Die Brückentafel ist in zwei Hälften geteilt. Inwieweit ähnelt sie den anderen Brücken? Falls nötig, weisen Sie die Schüler darauf hin, wie die beiden Seiten der Brücke gestützt werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN (a) Wo sind die schwächsten und stärksten Punkte der Brücke? Die schwächsten Punkte der Brücke finden sich in der Mitte der Fahrbahndecke und auch an den Pfeilern. Ein Gewicht auf der Mitte der Fahrbahn verursacht ein Durchbiegen der Brückentafeln und eine seitwärtige Bewegung und Anhebung der Pfeiler. Die stabilsten Teile finden sich an den Enden der Decke.
BRÜCKEN 2. Bitten Sie die Schüler, die beiden Hälften der Brücke zu trennen und zwei schwarze Platten an den Klappen anzubringen um sie länger zu machen. Nun sollen mit der gleichen Methode wie unter Punkt 5 die Kräfte gemessen werden, die nötig sind, die längere Brückentafel zu heben. Die Messungen sollten in die Hefte eingetragen und mit den anderen verglichen werden. Klappbrücke HINWEIS: Ein Schüler sollte die Basis der verlängerten Hälfte nach unten drücken, während die Messungen vorgenommen werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 2. Design-Aufgabe 2: Untersuche, wie Zugbrücken funktioniert haben. Entwerfe und baue eine Zugbrücke mit dem K’NEX Set oder anderen Materialien, wo sie sinnvoll sind. Die Schüler sollten erst Pläne von ihrer Zugbrücke zeichnen, bevor sie mit dem Bau beginnen. Jedes Team sollte seine Zugbrücke testen und den anderen Gruppen vorstellen. Die Teams sollten: Mitteilen, welche Probleme sie hatten und wie sie sie gelöst haben.
BRÜCKEN Die Bogenbrücke: Bogen Eigenschaften einer einfachen Bogenbrücke. ZIELE Die Schüler werden: 1. Eine Bogenbrücke identifizieren und die Funktion der einzelnen Teile erklären. 2. Bogenbrücken bauen und Experimente durchführen, um die Stabilität der verschiedenen Designs zu vergleichen. 3. Der Begriffe im Zusammenhang mit einer Bogenbrücke verstehen. 4. Die Kräfteverteilung bei einer Bogenbrücke kennenlernen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Wie stark ist ein Bogen? Zeigen Sie mit einem flexiblen hellgrünen K’NEX Stab, wie ein Bogen hergestellt wird und wie damit stabile Gebilde gebaut werden können. (Für weitere Information sehen Sie bitte unter Grundsätze in diesem Handbuch nach oder besuchen Sie das Kräfte Labor unter www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/) Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 4 Schülern (ähnlicher Größe und ähnlichen Gewichts) und erklären Sie, dass sie einen menschlichen Bogen formen werden.
BRÜCKEN Bogen Erklären Sie, dass diese Form es möglich macht, dass der Bogen sich selbst hält. Die Keilform stellt sicher, dass jeder Stein zwischen seinen Nachbarsteinen eingeklemmt ist und nicht nach unten fallen kann. Zeichnen Sie den keilförmigen Stein an die Tafel. Fragen Sie die Schüler, ob rechteckige Steine verwendet werden können. Warum oder warum nicht? Rechteckige Steine könnten wegrutschen und die Brücke einstürzen lassen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Bau-Tipp: Wenn die Schüler Schritt 1 bauen, empfehlen wir, dass sie von links nach rechts arbeiten und die oberen und unteren Verbinder mit blauen Stäben verbinden. Das ist leichter, als zuerst das gesamte Oberteil und die unteren Reihen zu bauen und sie dann mit den blauen Stäben zu verbinden. Übung I: Wie stabil ist ein Bogen, wenn er allein steht? Schritte 1.
BRÜCKEN Bogen Schritte 1. Bitten Sie die Schüler, die Teile einer Bogenbrücke zu identifizieren. Zeichnen Sie ein Bild an die Tafel und bitten Sie Freiwillige, die Begriffe, die sie bereits kennen, zu benennen. Sie können ihre Begriffe akzeptieren und ersetzen Sie in den nachfolgenden Diskussionen. Die folgenden Teile der Brücke sollten identifiziert werden: Schlussstein, Widerlager, Deck, Keilformen. Weisen Sie darauf hin, dass moderne Bogenbrücken aus Stahl und Beton gefertigt werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Anwendung Bitten Sie die Schüler eine beschriftete Zeichnung der Bogenbrücke anzufertigen und Anmerkungen zu den Teilen und deren Funktion anzufügen. Besprechen Sie mit der Klasse die Ergebnisse zu den Messungen der Stärke der drei Brückenversionen. Helfen Sie, die Unterschiede zu benennen. Ermutigen Sie die Schüler einen kurzen Aufsatz über ihre Ergebnisse zu schreiben. Lassen Sie die Schüler Arbeitsblatt Nr. 3 Bogenbrücke auszufüllen. Weiterführend 1.
BRÜCKEN Die Hängebrücke: Hängebrücke Die Eigenschaften einer Hängebrücke. ZIELE Die Schüler werden: 1. Eine Hängebrücke bauen 2. Die Teile einer Hängebrücke und ihre Funktion identifizieren und beschreiben. 3. Zeigen und erklären, wie auf einer Hängebrücke die einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht gehalten werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Fragen Sie die Schüler, was mit dem Band passiert ist, als sie die Klammern und das Deck angehängt haben. Fragen Sie, was sie tun müssen, um das Bahn anzuheben und zu sichern. Das Band hat sich Richtung Boden durchgebogen. Die Enden müssen gesichert werden. Wenn ihre Brücke gesichert ist, beziehen Sie sich darauf und auf das Foto und erklären Sie die Teile einer Hängebrücke. Die Schüler können die Teile benennen und Sie geben wenn nötig die richtigen Begriffe dafür.
BRÜCKEN Fragen Sie, wo die Verankerung der Kabel angebracht werden soll. Hängebrücke Oben am Ufer. Bitten Sie zwei Schüler, die das Ufer spielen, sich auf den Boden zu setzen und die beiden Ufer zu repräsentieren. Reichen Sie diesen beiden Schülern die Enden des Bandes. Erklären Sie, dass Gewichte in den Eimer gelegt werden und das Ziel dabei ist, den Eimer in der gleichen Position über dem Fluss zu halten.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Zeigen Sie den Schülern weitere Fotos von Hängebrücken. Sie können Bilder der Golden Gate Bridge in der K’NEX Anleitung verwenden (Seite 12) oder sie suchen weitere Fotos im Internet mit denen sie: die Haupteile einer Hängebrücke bestimmen Die Örtlichkeiten von Hängebrücken erforschen. Den Einsatz von Hängebrücken untersuchen und zu sehen, wie sie sich in Bezug auf die Länge von anderen Brücken unterscheidet. Die folgenden Websites sind nützliche Quellen www.freefoto.com; www.
BRÜCKEN Welches sind die schwächsten Punkte der Brücke? Wie erklären sie die Beobachtungen? 3. Ist das Gebilde im aktuellen Zustand stabil oder instabil? Hängebrücke Sie antworten vielleicht, dass das ganze Gebilde schwach ist: Das Deck biegt sich in der Mitte und schwingt hin und her; die Türme bewegen sich und neigen sich gen Mitte. Ungenügende Unterstützung der Brückenteile. Die meisten werden antworten, dass es sehr instabil ist. Besprechen Sie die Ergebnisse.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN 3. Bitten Sie die Schüler, diese Unterschiede im Gedächtnis zu behalten und dann die Brücke mit exakt der gleichen Methode wie vorher erneut zu testen. Sie sollten die Fragen beantworten und die Datentabelle benützen, um ihre Ergebnisse festzuhalten. (a) Hast sich die Tragfähigkeit der Brücke erhöht, ist sie gleich geblieben oder hat sie sich verringert? (b) Was ist der Grund dafür? Sie sollten erkennen, dass sie sich erhöht hat.
BRÜCKEN 7. Wiederholen Sie die Erkenntnisse durch folgende Fragen: (a) Was ist die Funktion der Türme/Pylonen? (b) Welche Funktion haben die Kabel, die über die Türme führen? (c) Warum müssen diese beiden Hauptkabel an beiden Seiten verankert werden? Hängebrücke Die Türme tragen das gesamte Gewicht der Brücke. Die Hauptkabel tragen das Gewicht der Decke. Dieses Gewicht lässt die Kabel durchhängen (unter Zugkraft setzen).
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Anwendung Besprechen Sie die Ergebnisse zur Hängebrücke Bitten Sie die Schüler, die Teile der Hängebrücke aufzulisten und kurz die Funktion zu beschreiben. Fordern Sie die Schüler auf, die Hauptunterschiede zwischen einer echten Brücke und ihrem Modell niederzuschreiben. Fragen Sie die Schüler, wie sich das Hinzufügen von Kabeln auf die Stärke und Stabilität der Hängebrücke auswirkt.
BRÜCKEN Hängebrücke 3. Befestige ein Ende des Seils an einem Baum, das andere an einen Pfeil. Schieße den Pfeil auf die andere Seite über den Fluss. 4. Klettere nach unten und schwimme durch den Fluss, klettere auf den anderen Seite nach oben, finde den Pfeil und befestige das Seil an den Baum. 5. Hangle dich per Hand an dem Seil entlang und befestige weitere Seile an der Brücke. 6. Binde die Seile zusammen und forme einen Weg mit Handlauf. 3.
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BRÜCKEN Schrägseilbrücke: Schrägseil Die Merkmale einer Schrägseilbrücke. ZIELE Die Schüler werden: 1. Das Modell einer Schrägseilbrücke bauen und es erforschen. 2. Eine Schrägseil- und eine Hängebrücke vergleichen. 3. Begriffe im Zusammenhang mit einer Schrägseilbrücke verwenden und erklären.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Erklären Sie den Schülern, dass ein weiterer Unterschied der beiden Designs darin liegt, wie die Decks gebaut sind. Das Deck einer Hängebrücke wird erst installiert, wenn die Kabel über den Türmen aufliegen und die Hänger von den Kabeln hängen. Bei einer Schrägseilbrücke kann das Deck von den Türmen aus gebaut werden, weil es sich dabei um ein Ausleger-System handelt. Die Kabel können angebracht werden, wenn jeder Abschnitt an seinem Platz ist.
BRÜCKEN 4. (a) Wo werden die Enden der Kabel befestigt? (b) Wie unterscheidet sich das von der Hängebrücke? 5. Untersuche die Form der Kabel in deinem Brückenmodell. Welche Form kannst du erkennen? Was weißt du über diese Form? Büschel-/Bündelsystem Schrägseil Am Turm und am Deck. Die Kabel einer Hängebrücke müssen in großen Betongebilden verankert werden, die im Baugrund versenkt werden. Die Schrägseilbrücke benötigt diese Verankerung nicht.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Kräfte, die auf eine Schrägseilbrücke einwirken 8. Beziehen Sie sich auf vorangegangene Übungen zum Thema Stabilität einer Brücke und sprechen Sie über mögliche Probleme, die Ingenieure bei der Entwicklung von Schrägseilbrücken erfahren haben. Was passiert zum Beispiel mit der Fahrbahndecke, wenn sie sie vom Turm nach außen bauen? Helfen Sie den Schülern, zu sehen, dass so, auch wenn das Gebilde im Gleichgewicht ist, die Brücke leicht einstürzen kann.
BRÜCKEN Schrägseil Weiterführend 1. Bitten Sie die Schüler, die Schrägseilbrücke mit den beiden Türmen auf Seite 15 der Bauanleitung zu bauen. Sie sollten danach ein echtes Modell betrachten, einen illustrierten Bericht mit Fakten und Zahlen dazu schreiben und erklären, warum es für den Standort geeignet ist. Hätten die Schüler hier auch eine Schrägseilbrücke eingesetzt? Sie sollten ihre Antworten erklären können. (z.B.
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BRÜCKEN Eine Brücke entwerfen: Zeit- und Kostenfaktor. ZIELE Die Schüler werden: 1. Das Modell einer Brücke entwerfen und bauen. Dabei muss eine Reihe von Kriterien berücksichtigt werden. 2. Die Kosten des für den Brückenbau benötigten Materials kalkulieren. 3. Mit anderen Teams einen Wettstreit austragen, bei dem das kostengünstigste Modell gefunden werden soll. Das Modell muss innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens erstellt werden und alle Anforderungen erfüllen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN Das Material kann im “Lehrer-Geschäft“ zu folgenden Preisen gekauft werden: Papier 21 x 27 cm € 5 /Blatt Klebeband € 1 /10 cm Streifen Büroklammer € 0,50 / Stück Trinkhalm € 1 /Stück Pfeifenreiniger € 2 /Stück Schnur/Kordel € 1 /10 cm Stück Diejenigen, die am besten planen, haben am Ende kein Material übrig. Überschüssiges Material wird vom LehrerGeschäft zum halben Preis zurückgekauft.
BRÜCKEN Anwendung Im Anschluss an den Wettstreit bitten sie die Schüler: Probleme, die sie eventuell hatten, mitzuteilen und zu beschreiben, wie sie diese gelöst haben. Zu beschreiben, wie ihr Design verbessert werden könnte – wo sind die Schwachstellen und wie könnten sie verstärkt werden. Zu erklären, wie sie ihr Brückenmodell mit weniger Material verstärken könnten.
BRÜCKEN ARBEITSBLATT 1 BALKENBRÜCKEN Beschreibe mit kurzen Sätzen, welche Funktion die folgenden Teile einer Balkenbrücke übernehmen. 1. PFEILER_______________________________________ _________________________________________________ 2.TRÄGER________________________________________ _________________________________________________ 3. SPANNWEITE___________________________________ _________________________________________________ 4.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORTEN: ARBEITSBLATT 1: BALKENBRÜCKEN PFEILER: senkrechte Stützen, die eine Balkenbrücke halten. TRÄGER: Horizontales Rahmenwerk, das auf Pfeilern aufliegt. SPANNWEITE: Abstand zwischen den Pfeilern. BRÜCKENDECKE: Grundlage, auf der die Fahrbahn oder der Gehweg gebaut ist. RAMPE: Schräger Abschnitt, der das Land mit dem Balken verbindet. GELÄNDER: Schutzvorrichtung entlang der Decke, die verhindert, dass Dinge oder Menschen von der Brücke fallen.
ARBEITSBLATT 2 BRÜCKEN FACHWERK-MIX Während in Deutschland die Fachwerkträger vorwiegend nach der äußeren Form unterschieden werden (z.B. Parallelträger, Trapezträger), werden in Nordamerika die Fachwerkträger nach dem Konstrukteur oder der Bahngesellschaft bezeichnet, die einen bestimmten Trägertyp vorwiegend einsetzte. Eine bebilderte Darstellung findest du unter: http://www.karl-gotsch.de/Lexikon/Fachwerk.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORT: ARBEITSBLATT 2: FACHWERK-MIX BALTIMORE (PRATT) WARREN PENNSYLVANIA (PRATT) LATTICE PRATT WHIPPLE Education®
BRÜCKEN ARBEITSBLATT 3 BOGENBRÜCKE Kannst du die folgenden Sätze über eine Bogenbrücke vervollständigen? Benutze dazu die Wörter aus dem Kasten unten. Nachdem du alle fehlenden Wörter eingetragen hast, kannst du mit Hilfe der Buchstaben auf den fett unterlegten Platzhaltern die nachfolgende Frage beantworten: Wofür wurden Bögen vor dem Brückenbau genützt? — — — — — — — — — — 1. 1.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORTEN: ARBEITSBLATT 3: BOGENBRÜCKEN 1. Widerlager 4. Druckkraft 2. Stein, Beton, Stahl 5. Römer 3. Aquädukte 6. Schlussstein Bögen dienten als DEKORATION.
BRÜCKEN ARBEITSBLATT 4 DIE HÄNGEBRÜCKE Hier findest du einige Aussagen über die Hängebrücke. Sind sie wahr oder falsch? Wenn eine Aussage falsch ist, ändere sie so ab, dass sie richtig wird. _______1. Alle Hängebrücken haben drei Dinge gemeinsam: zwei sehr hohe Türme/Pylonen; starke Verankerungen; Kabel, die aus vielen Drähten gefertigt sind. _______2. Die Decke hängt an den Kabeln. _______3. Hängebrücken haben üblicherweise die längste Spannweite von allen Brücken. _______4.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORT: ARBEITSBLATT 4: DIE HÄNGEBRÜCKE 1. Wahr 2. Wahr 3. Wahr 4. Falsch: Je länger eine Hängebrücke ist, desto höher müssen die Türme/Pylonen sein. 5. Falsch: Der schlimmste Feind einer Hängebrücke ist Wind, denn er kann dafür sorgen, dass die Brücke schwingt oder sich verdreht. 6. Wahr 7. Falsch: Die Kabel einer Hängebrücke stehen unter permanenter Zugkraft. 8. Falsch: Einer der letzten Arbeitsschritte beim Bau einer Hängebrücke ist das Hängen des Decks.
BRÜCKEN ARBEITSBLATT 5 SCHRÄGSEILBRÜCKEN Im Folgenden findest du verschiedene Brückeneigenschaften. Setze einen Haken neben die Aussagen, die auf eine Schrägseilbrücke zutreffen. _______ Zwischen Turm und Decke sind Kabel gespannt. _______ Diese Brückenart überspannt leicht Entfernungen unter 1.000 Metern. _______ Ein Turm stützt einen sich im Gleichgewicht befindenden Abschnitt des Decks. _______ Es sind keine Verankerungen am Ende des Kabels nötig.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORT: ARBEITSBLATT 5: SCHRÄGSEILBRÜCKEN Die folgenden Prinzipien gelten für Schrägseilbrücken: 4 Zwischen Turm und Decke sind Kabel gespannt. 4 Diese Brückenart überspannt leicht Entfernungen unter 1.000 Metern. 4 Ein Turm stützt einen sich im Gleichgewicht befindenden Abschnitt des Decks. 4 Es sind keine Verankerungen am Ende des Kabels nötig. 4 Zugkraft wirkt auf die Kabel ein.
BRÜCKEN ARBEITSBLATT 6 BENENNE DIESE BRÜCKE Im Folgenden findest du Aussagen über die verschiedenen Brückenarten, die du kennengelernt hast. Trage jeweils den richtigen Brückennamen neben die Aussage. Die Brückennamen können mehrmals genannt werden. BOGEN BALKEN AUSLEGER HÄNGE FACHWERK KLAPP SCHRÄGSEILBRÜCKE 1. Weil Brücken wie ich lang und leicht sind und hoch in die Luft ragen, ist unser größter Feind der Wind._____________________________________________ 2.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN ANTWORT: ARBEITSBLATT 6: BENENNE DIESE BRÜCKE 1. Hängebrücke 2. Bogenbrücke 3. Schrägseilbrücke 4. Klappbrücke 5. Balkenbrücke 6. Fachwerkbrücke 7. Auslegerbrücke 8. Schrägseilbrücke 9. Hängebrücke 10.
