Kaum ein Gerät ist so antiquiert und gleichzeitig so aktuell wie das Katapult. Im Mittelalter und in großen Fantasy-Blockbustern als Kriegsmaschine zur Belagerung der Festungen des Feindes eingesetzt, findet das Prinzip der Schleuder heutzutage großen Anklang in der Umsetzung von Apps für Tablets wie beispielsweise in „Angry Birds“. Aus gut verfügbaren Materialien wie Holz bestehend kann es leicht nachgebaut werden: Eine Astgabel, ein Gummiband und fertig ist die Steinschleuder, mit der man Dosentürme einstürzen lassen kann. Es wirkt zunächst als einfaches Prinzip: schnell hergestellt und dennoch große Effekte erreichend.
Zugleich ist das Katapult eine Apparatur, bei der mehrere physikalische Sachverhalte und Abläufe ineinandergreifen. Von Rotation über Drehmoment und Federkraft bis zum schiefen Wurf sind Aspekte im Ablauf zu finden, die dann schließlich zum Aufschlag des Geschosses führen. Über diesen Teil machen sich die Wenigsten Gedanken. Sie genießen die bildgewaltigen Kämpfe im Fantasy-Epos, ohne auf die Wurfparabel der Geschosse zu achten. Sicherlich, der CGI-animierte Einschlag ist ja auch imposanter.
In dieser Arbeit soll aber gerade deswegen ein Augenmerk auf die versteckten, nicht unbedingt kleinen Zusammenhänge gelegt werden. Dafür wird das Katapult von seiner theoretischen Seite her betrachtet und die relevanten physikalischen Aspekte werden erläutert. Im Anschluss daran werden experimentelle Untersuchungen und Videoanalysen verschiedener Katapultarten genutzt, um die theoretischen Erkenntnisse zu konkretisieren, bevor analysiert wird, wie die Filmstudios in Spielfilmen das Katapult und seine Wirkungen darstellen. Als Beispiele werden Peter Jacksons "Der Herr der Ringe - Die Rückkehr des Königs", "Wickie und die starken Männer" in der Realverfilmung von Michael "Bully" Herbig und Pixars Animationsfilm "Merida" dienen. Den Abschluss bildet eine Ausführung, wie diese Erkenntnisse im Physikunterricht genutzt werden können, um kontextorientiert und mediengestützt die verschiedenen Aspekte des Katapults zu vermitteln, wobei ein besonderes Augenmerk auf kooperatives Lernen gelegt wird. Im Anhang finden sich dazu Kopiervorlagen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Vorbemerkungen
2. Theorie der Katapulte
2.1. Aufbau eines Katapults und Ablauf der Bewegung
2.2. Hebel, Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit
2.3. Energien im System des Katapults
2.4. Die Wurfbewegung des Geschosses
3. Katapulte in der Praxis
3.1. Das selbstgebaute Gegengewichtskatapult
3.1.1. Bau des Katapults
3.1.2. Berechnung der theoretischen Reichweite
3.1.3. Messreihen
3.1.4. Bild- und Videoanalysen
3.2. Das Gegengewichtskatapult mit variablem Drehmoment
3.2.1. Messreihen
3.2.2. Bild- und Videoanalysen
3.3. Das Federkatapult
3.3.1. Bild- und Videoanalysen
3.4. Zusammenfassung Katapulte in der Praxis
4. Filmszenenanalysen
4.1. Der Herr der Ringe – Die Rückkehr des Königs
4.1.1. Abschätzungen, Messungen und Festlegungen zur Überprüfung
4.1.2. Überprüfung der Reichweite
4.1.3. Überprüfung der Katapultkonstruktion
4.1.4. Impuls des Geschosses
4.1.5. Objektspurverfolgung
4.2. Wickie und die starken Männer
4.2.1. Abschätzungen, Messungen und Festlegungen zur Überprüfung
4.2.2. Wurfweite des Federkatapults
4.2.3. Überprüfung der Katapultkonstruktion
4.3. Merida
4.3.1. Abschätzungen, Messungen und Festlegungen zur Überprüfung
4.3.2. Überprüfung der Flugparabel über den Scheitelpunkt
4.4. Zusammenfassung Filmanalysen
5. Umsetzung im Unterricht
5.1. Vermittlung physikalischer Aspekte
5.2. Behebung gängiger Präkonzepte
5.3. Methodenvorschläge
5.3.1. Medieneinsatz – Videoanalyse
5.3.2. Medieneinsatz - „Fake Check“
5.3.3. EggRace zur Förderung kooperativen Lernens
6. Fazit
7. Literatur
7.1. Texte
7.2. Filme
7.3. Internetquellen und Bildnachweise
7.4. Erworbene Bausätze
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das Katapult als physikalisches System, indem sie theoretische Grundlagen mit experimentellen Untersuchungen und Videoanalysen verknüpft, um darauf aufbauend Methoden für einen kontextorientierten Physikunterricht zu entwickeln, die Fehlvorstellungen bei Schülern adressieren.
- Physikalische Analyse von Katapulten (Gegengewichtskatapulte und Federkatapulte)
- Experimentelle Validierung durch Modellbau und Messreihen
- Physikalische Überprüfung der Katapultdarstellung in Spielfilmen
- Methodische Ansätze für den Medieneinsatz im Physikunterricht (Videoanalyse, "Fake Check")
- Förderung kooperativen Lernens durch EggRace-Projekte
Auszug aus dem Buch
3.1.2. Berechnung der theoretischen Reichweite
Bevor Wurfversuche mit dem Katapult durchgeführt wurden, interessierte die Reichweite, die dieses Katapult unter idealisierten Bedingungen in Abhängigkeit von Geschossmasse und Gegengewichtsbeladung erreichen könnte. Reibungsverluste wurden bei den folgenden Berechnungen vernachlässigt.
Aus der Energiebilanz (9) kann die Winkelgeschwindigkeit ω ermittelt werden mit ω = Wurzel aus (2g(m_Korb*delta_h_Korb - m_Geschoss*delta_h_Geschoss) / (J + m_Arm*r_s^2 + m_Geschoss*l_Geschoss^2 + m_Korb*l_Korb^2)).
Folgend kann über die Winkelgeschwindigkeit und den Zusammenhang der Bahngeschwindigkeit mit dieser die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses berechnet werden durch (1). Abschließend kann (10) für die Wurfweite der Wurfbewegung mit gegebener Abwurfhöhe und nicht idealem Winkel, da der Abwurfwinkel bei Abwurfhöhe kleiner als 45° sein sollte, angewandt werden, um die Wurfweite zu berechnen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Thematik des Katapults als historisches und modernes, physikalisch interessantes Gerät sowie Vorstellung der verwendeten Programme.
2. Theorie der Katapulte: Erläuterung der physikalischen Grundlagen wie Rotation, Drehmoment, Energiebilanz und Wurfparabel.
3. Katapulte in der Praxis: Detaillierte Darstellung des Baus und der Messreihen von Eigenbaumodellen sowie deren Auswertung mittels Videoanalyse.
4. Filmszenenanalysen: Wissenschaftliche Untersuchung der physikalischen Plausibilität von Katapulteinsätzen in bekannten Filmen wie "Der Herr der Ringe", "Wickie und die starken Männer" und "Merida".
5. Umsetzung im Unterricht: Diskussion didaktischer Strategien, um physikalische Präkonzepte durch moderne Medien und kooperative Lernformen wie das EggRace abzubauen.
6. Fazit: Zusammenfassende Bewertung, dass das Katapult ein hervorragender, motivierender Kontext für den Physikunterricht ist.
Schlüsselwörter
Katapult, Physikunterricht, Videoanalyse, Gegengewichtskatapult, Federkatapult, Energiebilanz, Wurfparabel, Filmanalyse, Impuls, Drehmoment, Trägheit, Kontextorientierung, Medienkompetenz, Kooperatives Lernen, EggRace
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Funktionsweise von Katapulten und deren didaktischer Einsetzbarkeit im Physikunterricht durch Verknüpfung von Theorie, Experimenten und Medienanalysen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Mechanik (Drehmoment, Energie, Wurf), der praktischen Modellierung, der Analyse filmischer Darstellungen und der fachdidaktischen Umsetzung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die physikalischen Zusammenhänge des Katapults zu verstehen, deren Darstellung in Spielfilmen kritisch zu hinterfragen und Wege aufzuzeigen, wie dieser Kontext Schüler zu motivieren und ihre Medienkompetenz zu fördern vermag.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Modellierungen, physikalische Berechnungen (z.B. Energiebilanz), experimentelle Messreihen mit Modellbau und computergestützte Videoanalysen (EVA) eingesetzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert theoretische Grundlagen, den praktischen Bau von Gegengewichts- und Federkatapulten, führt quantitative Videoanalysen von Wurfbewegungen durch und prüft die physikalische Korrektheit von Filmszenen.
Welche Rolle spielt die Videoanalyse?
Sie dient als Werkzeug, um Bewegungsabläufe (z.B. die Wurfparabel) sichtbar zu machen, Messwerte zu generieren und physikalische Fehlvorstellungen der Schüler gezielt zu adressieren.
Warum wird die Szene aus "Merida" analysiert?
Die Szene dient als Beispiel für eine computeranimierte Darstellung, bei der die physikalische Realität zugunsten der filmischen Unterhaltung vernachlässigt wird, was als "Real Check" im Unterricht dienen kann.
Inwiefern unterscheiden sich Gegengewichtskatapult und Federkatapult im Modellbau?
Während das Gegengewichtskatapult auf die Schwerkraft als primäre Antriebsenergie setzt, nutzt das Federkatapult gespeicherte Spannenergie aus Blattfedern oder verdrillten Seilen.
- Arbeit zitieren
- Stefanie Rahder (Autor:in), 2015, Physik der Katapulte, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/338826
