
FNR
benötigtes Material
Zyklus: 3-4
Dauer: 30 Minuten
Ablauf
Um Dich mit dem Ablauf und dem Material vertraut zu machen, ist es wichtig, dass Du das Experiment im Vorfeld einmal durchführst.
Möchtest Du die SchülerInnen das Experiment dokumentieren lassen? Am Ende dieses Artikels (über der Infobox) findest Du ein Forschertagebuch (PDF mit zwei A4 Seiten), welches deine SchülerInnen hierfür nutzen können.
Schritt 1: Stellt eine Frage und formuliert Hypothesen
Die Frage, die Ihr euch in dieser Einheit stellt, lautet:
Wie hoben Römer schwere Lasten?
Zeige den SchülerInnen Bilder bekannter Bauwerke aus der Antike, wie z. B. die Akropolis oder das Kolosseum. Zeige ihnen auch Nahaufnahmen von Säulen, auf denen man gut erkennen kann, dass diese aus einzelnen riesigen, aufeinandergestapelten Steinen bestehen. Aus welcher Zeit stammen diese Bauwerke? Aus welchen Gründen werden diese Bauwerke heute noch bestaunt? Können die Schüler sich vorstellen wie die Menschen damals diese Gebäude errichtet haben? Mit welchen Mitteln haben sie gearbeitet, um die schweren Steine aufeinanderzuschichten? Halte die Hypothesen an der Tafel fest. Die richtige Antwort zu finden ist hier nebensächlich. Es geht vielmehr darum Ideen zu entwickeln und herauszufinden, was die SchülerInnen bereits wissen.

Antike Tempelruine im archäologischen Park von Paestum und Velia in Süditalien.
Schritt 2: Führt das Experiment durch
Um herauszufinden, wie man mit geringem Kraftaufwand schwere Lasten in Bewegung bringen kann, lernen die SchülerInnen bei dem folgenden Experiment das Prinzip des Flaschenzugs kennen. Gehe folgende Schritte gemeinsam mit den Schülerinnen durch, aber lasse sie das Experiment selbst durchführen:
- Lege den Besenstiel zwischen 2 Tische, so, dass eine Brücke entsteht.
- Lege das Gewicht (Bücher oder Steine) in den Eimer.
- Befestige nun ein Fadenende am Henkel des Eimers und lege den Faden über den Besen.
- Ziehe am freien Ende, bis du den Eimer mitsamt Gewicht hochhebst. Ganz schön schwer, oder?
- Löse nun wieder den Knoten am Eimer und befestige das Fadenende mit Hilfe eines neuen Knotens am Stiel.
- Fahre mit dem Faden durch den Henkel des Eimers, dann wieder hoch und über den Besenstiel und lasse das Fadenende frei hängen.Ziehe am freien Fadenende, bis du den Eimer mitsamt Gewicht hochhebst.
- Wiederhole Schritte 7 und 8. Pass auf, dass der Faden sich nicht kreuzt.
- Wiederhole nun noch mal Schritte 7 und 8.
Schritt 3: Beobachtet was passiert
Lasse die SchülerInnen nach jedem Hochheben berichten, was sie beobachtet haben. Wie verändert sich die Kraft von Mal zu Mal, die man anwenden muss, um das Gewicht hochzuziehen? Wie sieht es mit der Seillänge aus, die Du zu dir ziehen musst, um das Gewicht dieselbe Strecke anzuheben?
Sind diese Veränderungen konstant?
Die SchülerInnen werden feststellen, dass der Kraftaufwand von Versuch zu Versuch geringer wird. Je öfter der Faden den Stiel und den Henkel des Eimers umfasst, desto „leichter“ erscheint die Last. Natürlich wird von Mal zu Mal ein längerer Faden benötigt.
Allerdings wird ihnen auch auffallen, dass nach mehreren Umdrehungen der Unterschied nicht mehr so groß wirkt.
Schritt 4: Erklärt das Ergebnis
In unserem Experiment besteht der Flaschenzug aus Besenstiel und Henkel des Eimers. Normalerweise werden hier aber Rollen benutzt. Dabei unterschiedet man zwischen festen Rollen (Umlenkrollen) (Besenstiel) und losen Rollen (Henkel). An letzterem hängt das Gewicht. Ein Seil wird unterhalb der festen Rolle angebracht, führt dann nach unten über die lose Rolle und von da aus wieder nach oben über die feste Rolle. Will man das Gewicht hochheben, wird die Kraft, die man ohne Flaschenzug anwenden müsste, auf zwei Seilstücke aufgeteilt und somit halbiert. Eigentlich kann man die Anzahl der Rollen beliebig erweitern. Hier gilt die Regel, dass die Kraft, die man zum Aufheben anwenden muss, durch die Anzahl der tragenden Seilstücke geteilt wird. Bei unserem Experiment kann man diese Regel aber nicht ganz bestätigen: es entsteht viel Reibung beim Ziehen des Fadens durch den Henkel und über den Stiel. Deshalb scheint es auch so, dass nach mehreren Umdrehungen der Unterschied beim Aufheben nicht mehr so groß ist.
Ein anderes Merkmal des Flaschenzugs ist, dass die Seillänge, die man zum Aufheben eines Gewichtes braucht, mit der Anzahl der Rollen ansteigt. (Goldene Regel der Mechanik: Was man an Kraft spart, muss man an Weg zusetzen, Galileo Galilei).

Eine detailliertere Erklärung und weitere Infos findest Du in der Infobox.
Anmerkung: Du musst als LehrerIn nicht alle Antworten und Erklärungen bereits kennen. Es geht in dieser Rubrik „Ideen für den naturwissenschaftlichen Unterricht in der Grundschule“ vielmehr darum den SchülerInnen die wissenschaftliche Methode (Frage – Hypothese – Experiment – Beobachtung/Fazit) näher zu bringen, damit sie lernen diese selbstständig anzuwenden. Ihr könnt die Antwort(en)/Erklärung(en) in einem weiteren Schritt gemeinsam in Büchern, im Internet oder durch Experten-Befragung erarbeiten.
Oft werfen das Experiment und die Beobachtung (Schritt 2 & 3) neue Fragen auf. Nimm Dir die Zeit auf diese Fragen einzugehen und Schritt 2 und 3 mit Hinblick auf die neugewonnenen Erkenntnisse und mit anderen Variablen zu wiederholen.
Autor: Olivier Rodesch (script), Marianne Schummer (script), Michèle Weber (FNR), scienceRelations (Insa Gülzow)
Konzept: Jean-Paul Bertemes (FNR), Michelle Schaltz (FNR); Joseph Rodesch (FNR), Yves Lahur (script)
Lade Dir diese Experimentbeschreibung als vollständigen Unterrichtsentwurf oder in Kurzfassung (ohne erweiterte Experimente, Ausflugsziele, und weitere zusätzliche Infos) als PDF Datei herunter.

Die Ausarbeitung dieser Rubrik wurde von science.lu in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l´Innovation pédagogiques et technologiques) durchgeführt.