Bei dieser Ausarbeitung handelt es sich um eine Sammlung von Aufgaben und Lösungen für das Fach Physik der Sekundarstufe I.
Der Schwerpunkt der Aufgaben liegen dabei im Bereich der Mechanik, wobei die Aufgabentypen jedoch vom Bereich des Flaschenzuges, über Aufgaben zu Getriebe und Übersetzung bis zu Berechnung klassischer Dreh- und Längs-Bewegung, beispielsweise bei einer Zahnstange. Abschließend werden zudem noch einige mathematische Ergänzungen, so zum Beispiel aus dem Bereich des Potenzierens und der Multiplikation und Division mit Römischen Zahlen gegeben.
Inhaltsverzeichnis
1 Bezeichnungen bei Zahnrad, Zahnstange und Schnecke
2 Getriebetypen
2.1 Wellenrad
2.2 Übersetzung und Kette
2.3. Schnecke
3 Beispiele mit Aufgaben
3.1 Potenz-Flaschenzug
3.2 Differential-Flaschenzug
3.3 Differential-Winde (Chinesische Winde)
3.4 Schnecken-Winde
3.5 Garnrolle
3.6 Fahrrad
3.7 Hochrad
3.8 Ovales Kettenrad
3.9 Auto mit Druckfeder-Antrieb
3.10 Slalomfahrt
3.11 Zeigerwerk bei einem Wecker
3.12 Zeigerwerk bei einer Holzuhr
3.13 Alkoholischer Antrieb
3.14 Kompensation nachlassender Federkraft
3.15 Kompensation des Temperatureinflusses
3.16 Astronomische Uhr in Strahlsund
3.17 Astronomische Uhr in Lübeck
3.18 Astronomische Uhr in Rostock
3.19 Astronomische Uhr in Straßburg
3.20 Wechselgetriebe
3.21 Unendlichkeitsmaschine
3.22 Turbinen-Untersetzung
3.23 Modell zu 3.21 und 3.22
3.24 Wende-Getriebe
3.25 Differential-Getriebe
3.26 Stufenloses Getriebe
3.27 Planetengetriebe
3.28 Nabenschaltung eines Fahrrads
3.29 Harmonic Drive Getriebe
3.30 Welldrive Getriebe
3.31 Hydraulik-Getriebe
3.32 Hydraulischer Widder
3.33 Herz als Pumpe
3.34 Dampf-Raketen-Boot
3.35 Sphärometer mit drei Referenzfüßen
3.36 Sphärometer mit zwei Referenzfüßen
3.37 Entfernungsmesser (Opisometer)
3.39 Schraubzwinge
4 Beispiele ohne Aufgaben
4.1 Mikrometerschraube
4.2 Kardan-Gelenk
4.3 Ratsche
4.4 Dreh- und Längs-Bewegung
4.4.1 Zahnstange
4.4.2 Schnecke
4.4.3 Mitnehmer und Schnecke
4.4.4 Exzenter-Rad
4.4.5 Exzenter-Rad zum Zählen
4.4.6 Spieldose
4.4.7 Filmtransport
4.4.8 Modell für einen Spiegel des Mikrospiegel-Arrays
4.4.9 Auto mit Gyro-Antrieb
4.4.10 Auto mit Spiralfeder-Antrieb
4.4.11 Gangregulierung (Echappement) bei der Uhr
4.4.12 Perpetual-Uhr
4.4.13 Langsamläufer
4.5 Dreifach-Steuerung
4.6 Durchfluß-Steuerung (Thermostat)
4.7 Mechanischer Addierer und Subtrahierer
4.8 Codeschloß
4.9 Hilfsgeräte für Änderungen des Maßstabes
4.9.1 Proportionalzirkel
4.9.2 Storchschnabel
5 Anhang
5.1 Rechenschieber
5.2 Potenzieren mit Hilfe der Logarithmentafel
5.3 Multiplizieren und Dividieren mit Römischen Zahlen
5.4 Wurzelziehen
5.5 Formeln zu den Sphärometern
5.6 Herleitung der Gullstrand-Formel
5.7 Getriebe als Metapher
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, mechanische Funktionsweisen und Getriebekonstruktionen anhand praktischer Beispiele aus dem Alltag und der Technikgeschichte zu analysieren und physikalisch zu erklären.
- Grundlagen der Mechanik bei Zahnrädern, Zahnstangen und Schnecken.
- Analyse diverser Getriebetypen und ihre Anwendung in Alltagsgeräten.
- Physikalische Berechnung von Kräften, Drehmomenten und Übersetzungsverhältnissen.
- Historische und technische Aspekte astronomischer Uhren und mechanischer Rechenhilfen.
- Veranschaulichung mechanischer Prinzipien als pädagogische Metapher.
Auszug aus dem Buch
3.32 Hydraulischer Widder
Bevor die Elektrizität weit verbreitet war wurde an Berghängen mitunter Wasser mit Hilfe eines „Hydraulischen Widders“ von einem Bach aus hochgepumpt. In der Nähe von St. Peter (Arntal) in Tirol war an einer Alm noch 1981 eine solche Einrichtung in Betrieb und ein Einheimischer sagte dazu (natürlich im Dialekt), daß „bei uns Wasser – oh Wunder - auch bergauf fließen kann“.
An der Pumpe hörte man etwa 3 Mal pro 2 Sekunde einen lauten Knack und Wasser spritzte zurück in den Bach. Das Wasser wurde (von mir geschätzt) knapp h = 20 m hochgepumpt. In der Schule hatten wir ein sehr altes noch gut funktionierendes Modell aus Glas.
In Funktion sieht man folgendes: Von links fließt Wasser zu und durch das offene Stopventil rechts weg. Zwischendurch schließt das Stopventil (es klappert) und Wasser fließt in den sogenannten Windkessel W und in das Steigrohr rechts nach oben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Bezeichnungen bei Zahnrad, Zahnstange und Schnecke: Einführung in die wesentlichen physikalischen Variablen und Formeln der Mechanik.
2 Getriebetypen: Klassifizierung und Funktionsweise grundlegender Getriebekonstruktionen wie Wellenrad und Kettentrieb.
3 Beispiele mit Aufgaben: Detaillierte Analyse und Berechnung zahlreicher mechanischer Geräte, von Flaschenzügen bis hin zu komplexen astronomischen Uhren.
4 Beispiele ohne Aufgaben: Beschreibung weiterer mechanischer Mechanismen, darunter Kardan-Gelenke, Filmtransport und diverse Steuerungsmechanismen.
5 Anhang: Ergänzende mathematische Verfahren, Herleitungen und die philosophische Reflexion der Getriebetechnik als Metapher.
Schlüsselwörter
Mechanik, Getriebe, Zahnrad, Drehmoment, Übersetzung, Hydraulik, Physik, Astronomische Uhr, Energieerhaltung, Wellenrad, Flaschenzug, Kinematik, Mechanische Konstruktion, Kraftwandler.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der detaillierten Analyse mechanischer Vorrichtungen und Getriebesysteme, wobei der Fokus auf dem Verständnis ihrer Funktionsweise durch physikalische Berechnungen liegt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Getriebetechnik, die Mechanik von Alltagsgeräten, historische Instrumente wie astronomische Uhren und die Anwendung physikalischer Gesetze auf reale Maschinen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, mechanische Funktionsprinzipien durch konkrete Beispiele verständlich zu machen und die physikalischen Gesetzmäßigkeiten hinter komplexen Bewegungsabläufen zu erläutern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt die Analyse technischer Zeichnungen, physikalische Modellrechnungen sowie den Vergleich technischer Konstruktionen mit theoretischen physikalischen Modellen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in zwei große Bereiche: Beispiele mit konkreten physikalischen Aufgaben und Analysen sowie eine Sammlung weiterer mechanischer Geräte, die ohne Aufgaben beschrieben werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Mechanik, Getriebe, Drehmoment, Energieumwandlung, Übersetzung, Kraftwandler und historische Technik sind die maßgeblichen Begriffe.
Wie erklärt das Dokument die Funktionsweise des Hydraulischen Widders?
Das Dokument erläutert, dass der Widder die kinetische Energie strömenden Wassers nutzt, um durch plötzliches Absperren (Wasserschlag) einen Teil des Wassers in ein höher gelegenes Reservoir zu drücken.
Welche Rolle spielt die Metapher des Getriebes im Anhang?
Der Autor verwendet das Getriebe als Metapher für schulische Hierarchien und Strukturen, um die Komplexität und die Reibungspunkte in pädagogischen Organisationen zu reflektieren.
- Arbeit zitieren
- OStR Hartmut Birett (Autor:in), Getriebe und andere Bewegungswandler. Unterrichtsmaterial für die Sekundarstufe I im Fach Physik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/539478
