Bürstenroboter-Challenge: Baue den schnellsten Mini-Racer!

Ziel der Challenge: 

Baut in Teams einen vibrierenden Bürstenroboter aus einem Motor, einer Bürste und ein paar weiteren Materialien. Euer Ziel: Ein Rennroboter, der eine Strecke in Rekordzeit meistert!

Materialliste:

Diese Materialien benötigen Sie für jedes Team (max. 4 Personen pro Team):

• Motorset mit Kabeln, Knopf und Batteriehalterung (z. B. ein 8er-Set für ca. 11 € online: hier erhältlich)
• 2 AA-Batterien
• Eine Handbürste
• Lüsterklemme (Domino-Verbinder) oder Korken
• Schraubenzieher
• Material zum befestigen z.B.: Doppelseitiges Klebeband, Gummibänder, Kabelbinder, Isolierband oder Papierklebeband
• Schere
• Gewichte (z. B. Münzen, Muttern)
• Bücher, um eine Rennstrecke zu bauen
• Optionales Material für kreative Lösungen:, Heißkleber, Pfeifenreiniger, Schaschlikspieße, Schalter, Krokodilklemmen, Säge.

Vorbereitung:

Teams bilden: Teile die Klasse in Teams von maximal vier Personen auf.

Material austeilen: Jedes Team erhält das gleiche Material.

Rennstrecke bauen: Mit Büchern lässt sich einfach eine kleine Test- und Rennstrecke aufbauen.

Im Video zeigen wir Dir, wie ein Bürstenbot aussehen kann.

Challenge Frage:

Wie baut man einen Bürstenroboter, der möglichst schnell fährt?

Gebe den Teams zwei Hinweise:

• Der Motor muss fest auf der Bürste montiert werden.
• Befestigt etwas Unsymmetrisches an der Motorachse, damit der Motor vibriert

Hypothese:

Bevor die Teams loslegen, sollen sie ein paar Minuten über ihre Baupläne diskutieren und Ideen sammeln. Jede(r) im Team soll sich einbringen können.

Experiment: Der Bau des Bürstenroboters

Fixiere nun eine Zeit (30-45 Minuten) wo die Schüler frei darauf los bauen können. Sie sollen dabei folgende Etappen selbstständig durchlaufen.

1. Stromkreis aufbauen : Die erste Herausforderung ist es, einen einfachen Stromkreis zu bauen: Vom Pluspol der Batterie über den Schalter zum Motor und zurück zum Minuspol der Batterie.

Achtung: Falls die Schüler oder Schülerinnen noch keinerlei Erfahrung mit Stromkreisen haben, sollte man ihnen erklären, dass Strom immer im Kreis läuft und dass man die Batterien auf keinen Fall kurzschließen soll.

2. Unwucht befestigen: Wie am Anfang erwähnt, sollen die Schüler eine Lüsterklemme oder ein anderes unsymmetrisches Objekt an der Motorachse befestigen, um die Vibration zu erzeugen.
3. Der Motor sowie die Batteriehalterung muss man jetzt mit Hilfe von doppelseitigem Klebeband, Kabelbindern und/oder Gummibändern auf der Bürste befestigen.
4. Die Teams müssen ihre Konstruktionen anschließend testen und auf Geschwindigkeit optimieren. Sie können z. B. mit der Position des Motors und der Unwucht experimentieren, verschiedene Bürstenhaare kürzen oder den Schwerpunkt des Gefährts anpassen, um die Bewegung zu verbessern.

Wettbewerb: Wer hat den schnellsten Roboter?

Nach einer Bauphase kommt der große Moment:

Startet die Bürstenroboter der Teams nacheinander auf derselben Rennstrecke und messt die Zeit.

Das schnellste Team gewinnt!

Diskussion und Optimierung:

Besprecht alle zusammen:

Warum war der Gewinnerroboter so schnell?

Welche Anpassungen könnten die anderen Roboter verbessern?

Filmtdie Roboter mit der  Slow Motion Funktion des Smartphones und versucht,die Funktionsweise zu erörtern (siehe hierzu Abschnitt: Physik des Bürstenroboters).

Falls noch Zeit ist, können die Teams ihre Roboter weiter optimieren und in einer zweiten Runde gegeneinander antreten.

Alltagsbezug: Wo finden wir die Technik des Bürstenroboters im Alltag?

Das Prinzip, auf dem der Bürstenroboter basiert, wird zum Beispiel in Handys genutzt. Die Vibrationen werden auch durch einen kleinen Motor mit einer unsymmetrisch angebrachten Masse erzeugt.

Auch in Waschmaschinen tritt dieses Phänomen auf, wenn die Wäsche in der Trommel ungleich verteilt ist. Das Ungleichgewicht führt dazu, dass die Maschine während des Schleudergangs vibriert oder sogar „hüpft“.

Physik des Bürstenroboters

Die Unwucht des Motors erzeugt Vibrationen, die bewirken, dass die Borsten der Bürste abwechselnd gebogen und wieder aufgerichtet werden. Die Borsten biegen sich und speichern dabei elastische Energie. Sobald die Drehung vom Motor den Druck entlastet, richten sich die Borsten wieder auf und „katapultieren“ das gesamte Fahrzeug leicht nach vorne. Die Position des Motors beeinflusst den Schwerpunkt des Roboters und somit auch die Bewegrichtung. Die Grösse und die Gewichtsverlagerung der Unwucht beeinflusst, wie stark die Bürste schwingt. Auch die Beschaffenheit des Untergrundes, und somit der Haftung beeinflusst die Bewegung.

Da Tims Bürstenroboter eher langsamer ist erkennt man hier deutlich die zuvor erklärte Funktionsweise. Hier könnt ihr euch die Episode anschauen, in der die Kandidaten diese Challenge gemacht haben (ab Minute 22:55) :

Autor: Joseph Rodesch (FNR)

Editorin: Lucie Zeches (FNR)