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Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Andreas K. E. Rueff

Physik-Studium in Kaiserslautern, anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken, Promotion in Saarbrücken, anschließend Zusatzqualifikation zum Lehramt für Mathematik und Physik.

Bibliographische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über www.dnb.de abrufbar.

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© 2016 Dr. Andreas Rueff, Kaiserslautern

Herstellung und Verlag: Books on Demand GmbH, Norderstedt

ISBN 978-3-739-268590

1. Auflage, 2016

Internetseite zum Heft: http://mathematik-sek1.jimdo.com

Bildquellen: WIKIMEDIA COMMONS und PIXABAY (oder wie jew. angegeben)

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Vorwort

Die Ausbildung zu fördern und die erworbenen Kenntnisse für den Gebrauch in der Schule und im Alltag griffbereit zu erhalten ist das Ziel dieser Skriptsammlung. Die Zusammenstellung orientiert sich an den Inhalten der Unterrichtseinheiten im Fach Technik. Es ist aus zahlreichen Unterrichtsvorbereitungen der vergangenen Jahre hervorgegangen und soll die wichtigsten Inhalte zusammenfassen. Die vorliegende Zusammenstellung fasst dabei alle Skripte zum Fach Technik als Sammlung zusammen und stellt eine korrigierte Fassung der jeweils einzeln erschienenen Ausgaben dar.

Die vorliegende Zusammenstellung soll aber darüber hinaus nicht nur den notwendigsten Stoff in einer strukturierten Form erfassen und dadurch das Arbeiten erleichtern, sie soll auch einen Eindruck von naturwissenschaftlich-technischen Fragestellungen geben. Die Themenbereiche werden im Rahmen des Unterrichts als Einführung in die behandelte Thematik verstanden und sollen den Schülern einen Einblick in den Stoff geben und dadurch Interesse auf verschiedenen technischen und naturwissenschaftlichen Gebieten wecken. Dabei den Gesamtzusammenhang nicht aus den Augen zu verlieren ist die Absicht.

Wenn das Skript den Schülern hilft, eine Vorstellung von naturwissenschaftlichtechnischer Arbeit zu gewinnen und sie dafür zu begeistern, und wenn es dadurch gelingt, sich ggf. mit weiterführenden Inhalten in der jeweiligen Thematik zu beschäftigen, so hat es seinen Zweck erfüllt. Vielleicht kann der Technikkurs sogar dem einen oder anderen Schüler ein Denkanstoß bei seiner Berufswahl sein.

Kaiserslautern, im Winter 2015/2016 A. Rueff

Inhalt:

Bionik / Brückenbau

Skript zur Unterrichtseinheit

(Technik)

Das Fach Technik

Was ist „Technik“?

Ohne Technik würde in unserem Leben vieles fehlen:

 Computer

 Handy

 Heizung

 Auto, Fahrrad, Flugzeug, Schiff, U-Boot

 Elektrizität (Licht, elektrische Geräte, Bohrmaschine, usw.)

 Küche (Ofen, Mikrowelle, Wasserkocher, usw.)

 Gebäude (Häuser, Brücken, Tunnel, usw.)

Wie geht das?

 Fast alle technischen Errungenschaften sind von der Natur abgeschaut!

Beispiele:

Flugzeug (Vögel)

Elektrizität

(z.B. Beleuchtung)

Bauwerke

Wir müssen die Natur verstehen, dann können wir uns das Leben erleichtern!

Technik ist die Anwendung und Umsetzung mathematischnaturwissenschaftlicher Erkentnisse in technische Entwicklungen.

Die Natur als Vorbild - BIONIK

Die Bionik beschreibt das Bestreben der Menschen die Natur zu verstehen in technischen Fortschritt umzusetzen.

→ Wir „schauen ab“ von der Natur!

Frühe Beispiele aus der Steinzeit:

 Steine wurden als Werkzeug verwendet

 Nutzbarmachung des Feuers

Genau geplante Untersuchungen erst viel später!

 Leonardo da Vinci: Vogelflug (1505)

Die Naturwissenschaften untersuchen die Natur genauer.

Wir unterscheiden:

 Biologie:Wissenschaft der Lebewesen

 Chemie:Wissenschaft von den Eigenschaften der Materialien

 Physik:Wissenschaft von den Vorgängen in der Natur

BIONIK: Umsetzung der Erkenntnisse in technische Entwicklungen

 Die Natur liefert Anregungen. Das grundlegende Prinzip muss dann durch den Mensch weiterentwickelt und angepasst werden.

Beispiele:

Die Natur als Erfinder

Die technischen Vorlagen der Natur sind Ergebnisse eines langen Entwicklungsprozesses der auf der Erde seit vielen Millionen Jahren stattfindet.

Evolution

Die Lebewesen auf der Erde waren schon immer ständigen Veränderungen in der Umwelt ausgesetzt (Klimawandel). Überleben war nur möglich, wenn sich die Lebewesen an ihre Umwelt anpassten. Die ständige Anpassung führt immer wieder zu Verbesserungen der Lebensformen.

Charles Darwin erkannte als Erster, dass der Mensch und alle Lebensformen auf der Erde durch einen Entwicklungsprozess entstanden sind der heute noch fortgesetzt wird. Dieser Entwicklungsprozess wird als Evolution bezeichnet.

Entwicklung vom Affen zum heutigen Menschen

BIONIK – Anwendungen (1)

Die Hai-Haut

Der Hai ist in ähnlicher Gestalt bereits seit etwa 400 Millionen Jahren auf der Erde. Seine Haut hat besondere Eigenschaften die erst seit kurzem erkannt und verstanden wurden.

→ Der Hai benötigt sehr wenig Energie zur Fortbewegung.

→ Grund hierfür sind Schuppen an seiner Hautoberfläche.

Bei der Fortbewegung bildet sich durch den Grat in der Mitte der Schuppenoberfläche ein dünner Wasserfilm auf der Haut des Hais. Dieser Wasserfilm verringert den Wasserwiderstand.

Technische Anwendung:

Anzüge für Schwimmer → schnellere Zeiten bei Wettbewerben

Oberflächen von Flugzeugen → Benzineinsparung

Hai-Schuppen

BIONIK – Anwendungen (2)

Beine zur Fortbewegung

Bei Insekten haben sich perfekte Möglichkeiten zur Fortbewegung entwickelt: Beine!

 Sie sind an beliebige äußere Bedingungen angepasst.

 Sehr hohe Geschwindigkeiten sind möglich.

 Die Beine federn Erschütterungen ab und schützen so das Insekt.

Technische Anwendung:

→ Erkundungsroboter für die Raumfahrt oder unzugängliche Gebiete.

Weiterentwicklungen:

Der Mensch hat hier aber auch eigene Fortschritte erreichen können:

→ Die Erfindung des Rades!

Auf geeigneten Straßen sind hierdurch noch Verbesserungen bei der Fortbewegung ermöglicht worden!

 Zahnräder werden in Maschinen verwendet.

Aufgabe: Schneide die Bilder aus und ordne sie einander zu.

BIONIK – Anwendungen (3)

Der Lotuseffekt

Bei der Lotuspflanze beobachtet man, dass die Blätter nicht nass werden. Wasser bildet Tropfen und läuft direkt ab.

Die Oberfläche von verschiedenen Materialien (Lacke, Kleidung, …) können durch eine spezielle Oberfläche wasserabweisende Eigenschaften erhalten.

Die Oberfläche ist dann sogar schmutzabweisend (selbstreinigend).

Bautechnik

 Klimatisierung von Gebäuden

Problem:

Die Klimatechnik des Menschen ist heute mit sehr hohem Energiebedarf und dadurch hohen Kosten verbunden.

Ziele:

 Gleichbleibende Temperaturen in Gebäuden.

 Geringere Kosten.

Lösung der Natur:

Luftschächte in Termitenbauten Luftschächte eingebaut werden. Dadurch entstehen kühlende Luftströmungen.

BIONIK – Anwendungen (4)

Natürliche Baumaterialien: Knochen

Der Aufbau eines Knochens muss zwei Eigenschaften erfüllen:

 Der Knochen muss leicht sein.

 Der Knochen muss stabil sein.

Die Natur löst dieses Problem dadurch, dass der Knochen hohl ist, dabei aber im Inneren aus einem Gerüst aus Verstrebungen besteht.

 Vorlagen für technische Baukonstruktionen

 Die Konstruktion muss auch leicht sein.

 Die Konstruktion muss auch stabil sein.

Lösung: Verstrebungen bei Kränen, Brücken, usw.

BIONIK – Brücken

Natürliche Vorlagen

Auch in der Natur sind Brücken zu finden.

Beispiele:

 Steinbrücken

 Umgestürzte Bäume

 Ameisenbrücke

Der Bau einer Brücke muss wichtige Einzelheiten berücksichtigen:

 Verwendetes Material

 Spannweite der Brücke

 Belastung der Brücke

 Lebensdauer der Brücke

 Kosten (!)

Materialien:

 Holz

 Stein

 Metall

 Beton & Stahl

Holzbrücken

Holz als Baustoff

Holz ist seit langer Zeit ein vielseitiges Baumaterial und findet auch heute noch oft Verwendung.

Eigenschaften:

 Gute Verfügbarkeit (+)

 Leicht (+)

 geringe Kosten (+)

 nachwachsender Rohstoff (+)

 Leichte Bearbeitung (+)

 Stabil (+/-)

 Langlebigkeit (-)

Bereits die Römer bauten Brücken aus Holz (z.B. 55 v. Chr. Über den Rhein).

Besonders bei kleinen Spannweiten (Fußgängerbrücken) wird Holz verwendet. Allerdings sich auch bei schweren Lasten Holzbrücken möglich.

Problem:

Holz geht bei witterungsbedingten Einflüssen (Regen, Wind) oder durch Pilze oder Schädlingsbefall mit der Zeit kaputt.

Besonders anfällig ist das Holz bei Nässe. (→ Brückenpfähle im Wasser)

 Das lässt sich durch Holzschutz (schützender Anstrich) vermindern.

Dies muss regelmäßig wiederholt werden!

Steinbrücken

Stein als Baustoff

Auch aus Stein bauten bereits die Römer eine Vielzahl von Brücken. Teilweise sind diese noch heute in Gebrauch.

Eigenschaften:

 Oft gute Verfügbarkeit (+)

 Stabil (+)

 Langlebigkeit (+) [je nach Sorte]

 höhere Kosten (-)

 Schwer (-)

 aufwändigere Bearbeitung (-)

Problem: Die geringe Zugfestigkeit erfordert spezielle Bauformen.

 Unterscheide:

Besonderheit von Stein: Hohe Druckfestigkeit;

ABER: Geringe Zugfestigkeit

Balkenbrücke: Bruch!