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Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Manual

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HANDBUCH
FÜR LEHRER
BRÜCKEN
EINFÜHRUNG BAUWERKE
Education
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78640
EINFÜHRUNG BAUWERKE
BRÜCKEN
Handbuch Für Lehrer
96568-V4-10/14
©2014 K’NEX Limited Partnership Group
und ihre Lizenzgeber
K’NEX Limited Partnership Group
P.O. Box 700
Hatfield, PA 19440-0700
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Email: abcknex@knex.com
Telefon: 1-888-ABC-KNEX
K’NEX Education ist eine eingetragene Marke
der K’NEX Limited Partnership Group.
Geschützt durch International Copyright.
Alle Rechte vorbehalten.
EIN HINWEIS ZUM
THEMA SICHERHEIT:
Sicherheit ist ein wichtiges Thema im
naturwissenschaftlichen und technischen Unterricht.
Wir empfehlen das Aufstellen
einiger grundsätzlicher Regeln für den sicheren
Umgang mit K’NEX in ihrem Klassenzimmer. Dabei
sollte besonders der sichere Umgang
mit Gummibändern herausgestellt werden.
VORSICHT:
Die Schüler sollten ihre Gummibänder nicht
überdehnen oder überdrehen. Bei Überdehnung
oder Überdrehung kann das Gummiband reißen
und Verletzungen herbeiführen. Jegliche Abnützung
oder Beschädigung sollte unmittelbar dem Lehrer
gemeldet werden. Lehrer und Schüler sollten die
Gummibänder vor jedem Gebrauch auf eventuelle
Beschädigungen untersuchen.
Hände, Haare und lose Kleidung dürfen nicht in die
Nähe von beweglichen Teilen kommen. Finger dürfen
niemals in sich bewegende Zahnräder oder andere
bewegliche Teile gesteckt werden.
ERSTICKUNGSGEFAHR –
Kleinteile. Nicht geeignet für
Kinder unter 3 Jahren.
ACHTUNG:
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Einführung: BRÜCKEN
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ÜBERBLICK
Dieses Lehrerhandbuch wurde entwickelt, um sie beim Einsatz des K’NEX Set Einführung Bauwerke: Brücken in ihrer
Klasse zu unterstützen. In Verbindung mit dem K’NEX Material und individuellen Schulbüchern, können die Informationen
und Hilfsmittel in diesem Handbuch genutzt werden, um das Verständnis ihrer Schüler für wissenschaftliche
Zusammenhänge aufzubauen und ihre Experimente in produktive und aussagekräftige Lernerfahrungen zu führen.
K’NEX EINFÜRHUNG BAUWERKE: Brücken
Dieses K’NEX Konstruktionsset wurde konzipiert, um Schüler in die Geschichte, Funktion, das Design, die Geometrie und die
Belastbarkeit von Brücken einzuführen. Die nähere Betrachtung von Brücken hilft Schülern ein gutes Allgemeinverständnis
für die bei Bauwerken wirkenden zu erlangen. Sie erhalten Kenntnis über die physikalischen Eigenschaften von Werkstoffen
und die Anwendbarkeit in Design und Konstruktion von Brücken. Sie werden entdecken, dass Brückenkonstruktionen sehr
oft komplexe technische Lösungen erfordern, obwohl sie eigentlich auf einfachen wissenschaftlichen Grundgesetzen beruhen.
Das Arbeiten mit diesen K’NEX Set gibt den Schülern Möglichkeit, Ihre Kenntnisse und Informationen durch praktische
Erfahrungen und Übungen zu erweitern. Die Zusammenarbeit wird gefördert, die Schüler wirken beim Bauen, Diskutieren
und Entwickeln von wissenschaftlichen Grundgesetzen aufeinander ein.
LEHRERHANDBUCH
Dieses Handbuch dient als Nachschlagewerk für den Lehrer und liefert Informationen über die wichtigsten Brückenarten, die
heute eingesetzt werden, das verwendete Material und die technischen Grundgesetze die Anwendung finden. Eine Liste an
Hauptbegriffen und Definitionen, es enthält einen Überblick über die Grundätze, die im Zusammenhang mit Hebel und Rolle
stehen, definiert Ziele für jede Übung und liefert Pläne und Hinweise für das erfolgreiche Präsentieren der Modelle (Brücken)
und der damit verbundenen Übungen. Die meisten Übungseinheiten können innerhalb von 30-45 Minuten gehalten werden.
Es gibt darüber hinaus weiterführende Übungen, wie sie für eine Vertiefung genutzt werden können. Wir empfehlen den
Lehrkräften, ihre jeweiligen Lehrpläne und Standards für den wissenschaftlichen Unterricht zu überprüfen, um zu ermitteln,
welche der angebotenen Übungen und Definitionen für ihre Anforderungen geeignet sind.
PORTFOLIEN
Die Schüler sollen ein Portfolio oder eine andere in Ihrer Schule übliche Form der Dokumentation über diese
Unterrichtseinheit anlegen
INHALTSVERZEICHNIS
Ziele ..................................................................................................................................................................................... 3
Hauptbegriffe & Definitionen
............................................................................................................................................. 3
Grundsätze
.......................................................................................................................................................................... 5
Einführung Brücken: Vorbereitungen (optional)
............................................................................................................ 19
Einführung Brücken: Was tun Brücken?
......................................................................................................................... 21
Sind alle Brücken gleich? Wie fangen Brücken die Belastung ab?
.................................................................................. 25
Balkenbrücke..................................................................................................................................................................... 29
Fachwerkbrücke
................................................................................................................................................................ 35
Auslegerbrücke
.................................................................................................................................................................. 41
Klappbrücke
...................................................................................................................................................................... 49
Bogenbrücke
..................................................................................................................................................................... 55
Hängebrücke
..................................................................................................................................................................... 61
Schrägseilbrücke
............................................................................................................................................................... 71
Ein Brücke entwerfen: Zeit- und Kostenfaktor
................................................................................................................ 77
Arbeitsblätter
..................................................................................................................................................................... 81
HEBEL UND FLASCHENZUG
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Einführung Bauwerke: BRÜCKEN
Hintergrundinformation
3
SCHLÜSSELBEGRIFFE und DEFINITIONEN für den Lehrer.
Das Folgende soll eine Hilfestellung für den Lehrer sein. Das Alter der Schüler, ihre Fähigkeiten, ihre Vorkenntnisse
und die Anforderungen des Lehrplans bestimmen, welche dieser Begriffe und Definitionen sie in ihrer Klasse
vorstellen. Die Auflistung dieser Begriffe dient nicht als Liste für die Schüler, die sie kopieren und auswendig lernen
sollen. Sie sollte vielmehr zur Formalisierung und Verdeutlichung von Begrifflichkeiten herangezogen werden, passend
zu den Erkenntnissen der Schüler.
Brücke:
Ein Bauwerk zum Überspannen von Hindernissen beziehungsweise zum Führen von Verkehrswegen oder
baulichen Anlagen über natürliche oder künstlich angelegte Hindernisse. Eine Brücke verbindet auch ein Teil
mit einem anderen.
Bogenbrücke: Eine Brücke mit einer bogenförmigen Struktur. Die Bogenbrücke liefert Stabilität durch nach
unten und seitwärts gegen die Widerlager wirkende Kräfte, s.g. Druckkräfte.
Klappbrücke: Eine aufklappbare Brücke, die wie eine Wippe arbeitet. Abschnitte können mit Hilfe von
Gegengewichten hochgehoben werden.
Balkenbrücke: Die einfachste Art der Brücken. Sie besteht aus einem starren, geraden Bauteil, das auf zwei
Stützen aufliegt.
Schrägseilbrücke: Eine moderne Art Brücke, bei der der Überbau an schräg von einem Pylon gespannten
Seilen aufgehängt ist.
Auslegerbrücke: Bei einer Auslegerbrücke wird die Hauptöffnung mit Auslegern überbrückt. Ausleger sind
einseitig eingespannte Tragwerke, die über die Standfläche hinausragen.
Hängebrücke: Eine Brücke bestehend aus Stützen, über die Seile, früher aber auch Ketten, geführt werden,
an denen der Fahrbahnträger aufgehängt ist.
Fachwerkbrücke: Eine Art Balkenbrücke, die durch ein Gerüst aus Trägern, sie dreieckige Formen bilden,
verstärkt wird.
Lasten und Kräfte:
Last: die Gewichtsverteilung an einem Bauwerk. (siehe auch Eigenlast und Nutzlast unten).
Kraft: Ein Ziehen oder Schieben. Im Falle von Brücken, greift die Kraft in Form von Last an.
Beanspruchung: Eine Kraft, die darauf gerichtet ist, ein Bauwerks zu deformieren.
Druck: Eine Kraft, die darauf gerichtet ist, ein Bauwerk zu verkürzen, zu drücken oder zu quetschen.
Zugkraft: Eine Kraft, die einen Teil eines Bauwerks verlängert oder auseinander zieht.
Torsion: Die Deformation, die entsteht, wenn ein Material gedreht wird.
Schub: Eine Kraft, die ein Material seitlich in Bewegung versetzt.
Symmetrie: Eine Anordnung die ausgeglichen ist und entlang einer Symmetrieachse auf beiden Seiten gleich ist.
Beule: Ein Zustand, der auftritt, wenn Bauteile unter Druck knicken
Eigenlast: Das Gewicht der Brücke.
Nutzlast: Das Gewicht des Verkehrs, der die Brücke nützt.
ZIELE:
Ihre Schüler werden:
1. Verschiedene Brückenarten untersuchen und die Funktion demonstrieren.
2. Die Kräfte, die auf Bauwerke einwirken beschreiben und verstehen.
3. Beschreiben, wie Bauwerke stabilisiert werden und wie sie Lasten abfangen.
4. Aufzeigen, wie Bauwerke bei Belastung einstürzen und Stütztechniken und Möglichkeiten der
Verstärkung untersuchen.
5. Die physikalischen Eigenschaften von einigen Werkstoffen und den Einsatz beim Brückenbau
beschreiben und erklären.
6. Ihr Verständnis von Design, Technik und Konstruktion beim Brückenbau erweitern.
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Brücken-Eigenschaften:
Widerlager: Die Gesteins- oder Betonmasse an jedem Ende einer Bogenbrücke, die die Enden des Bogens fest
an ihrem Platz hält und so das Einstürzen der Brücke verhindern.
Verankerung: Fundamente/Betonblocks in welchen die Verkabelung einer Hängebrücke befestigt wird.
Ausleger: Eine starre, horizontale Komponente einer Brücke
Kabel: Ein Bündel Draht, das eingesetzt wird, um die Fahrbahn einer Hänge- oder Schrägseilbrücke zu halten.
Senkkasten: Ein vorübergehend eingesetztes Bauwerk, welches Wasser während der Bauarbeiten an den
Fundamenten abhält.
Fahrbahndecke: Die Oberfläche einer Brücke, die als Gehweg, Straße oder Eisenbahnschiene dient.
Ingenieur: Ein Fachmann, der Brücken und andere Bauwerke plant und baut. Es gibt viele Arten, z.B.
Hoch- und Tiefbauingenieur, Umwelttechniker und viel mehr.
Rahmenwerk: Eine skelettartige Anordnung von Werkstoffen, die einem Bauwerk Form und Stabilität gibt.
Träger: Ein starker Ausleger
Brüstung oder Geländer: Eine Sicherheitsvorkehrung, die an beiden Seiten der Brückenoberfläche
angebracht ist und verhindert, dass Menschen , Tiere oder Fahrzeuge von der Brücke fallen.
Schlussstein: Das letzte keilförmige Stück, das in der Mitte eines Bogen platziert wird und dafür sorgt, dass
die andere Stücke an ihrem Platz bleiben.
Hindernis: Etwas, das im Weg steht oder als Barriere fungiert.
Pfeiler: Eine senkrechte Stütze für die mittleren Bereiche einer Brücke – eine Säule, ein Turm oder Pfosten.
Rolle: Ein Rad, das zur Richtungsänderung der Kraft eingesetzt wird.
Rampe: Eine geneigte Ebene, die das Ufer mit der Oberfläche der Brücke verbindet.
Fahrbahn: Der Bereich der Brücke, über den der Verkehr läuft; sie liegt auf der Fahrbahndecke.
Spannweite: Der zwischen zwei Pfeilern liegende Teile einer Brücke.
Stütze: Ein Objekt, das eine Brücke hält und als Verankerung dient.
Hänger: ein Stützkabel für ein Deck; es hängt senkrecht von einem Hauptkabel der Hängebrücke.
Turm: Eine hohe, senkrechte Stütze, die die Hauptkabel einer Hängebrücke trägt.
Triangulation: Ein Bauprinzip mit Dreiecken, die aus Quadraten geformt werden, um die Stabilität zu erhöhen.
Fachwerk: Ein Rahmenwerk von Trägern, einige stehen unter Druck, andere unter Zugkraft, das Dreiecke und
andere stabile Formen beinhaltet.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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GRUNDSÄTZE
Im Folgenden finden sie eine Zusammenfassung der Schlüsselbegriffe im Zusammenhang
mit Brücken, sie soll ein Nachschlagewerk für den Lehrer darstellen.
Was ist eine Brücke?
Das ist ein Bauwerk, welches das Überqueren eines Hindernisses erleichtert. Zu jeder Zeit sahen sich Reisende
oder Händler mit Hindernissen, wie z.B. Flüssen konfrontiert. Brücken werden eingesetzt, um breite Mündungen
zu überwinden, Inseln mit einander zu verbinden, starkbefahrene Autobahnen zu überqueren oder von einem
Gebäude in ein anderes zu gelangen. Sie tragen Autos, Züge, Fußgänger, Pipelines und Kanäle.
Wir können uns vorstellen, dass es sich bei den ersten ‘Brücken’ um gestürzte Bäume oder eine Steinplatte,
die über einen schmalen Fluss oder eine Lücke gelegt wurden, handelte –das, was wir heute eine Balkenbrücke
nennen würden.
Als die Menschen versuchten, breitere Hindernisse zu überwinden oder schwere Lasten zu transportieren, war
die Balkenlösung nicht immer erfolgreich. Die längeren Balken beginnen sich in der Mitte durchzubiegen, das
Verstärken des Balkens kann durch das höhere Gewicht dazu führen, dass die Brücke einbricht. Der längste
einzelne Träger einer Balkenbrücke ist etwa 80 Meter lang.
Beim Brückenbau muss Folgendes in Betracht gezogen werden: Die LAST, die getragen werden muss,
die KRÄFTE, die auf die Brücke einwirken, und das MATERIAL, aus der sie gebaut wird.
Abbildung 1
Abbildung 2 - Einfache Balkenbrücke
Abbildung 3 - Langer, sich durchbiegender Balken
Abbildung 4 - Durch Verdickung verstärkter Balken Abbildung 5 - Diese Brücke ist zu schwer
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Eigenlast: Das ist das Gewicht des Brückenbauwerks selbst. Ingenieure versuchen, dieses Gewicht zu
verkleinern, indem sie das Bauwerk so leicht wie möglich machen.
Stoßlast: Züge und schwere LKWs produzieren hohe Schläge oder Stöße gegen Brücke, wenn sie diese
mit Geschwindigkeit überwinden. Brücken, die Züge tragen, müssen sehr stark sein. Für diesen Einsatz sind
Hängebrücken nicht geeignet.
Umweltbedingte Last: Umwelteinflüsse wie starke Winde, Eis und Schnee, und Erdbeben können eine
zusätzliche Last für die Brücke bedeuten. Besondere Beachtung müssen die Auswirkungen von Hurrikans auf
Hänge- oder Schrägseilbrücken finden, besonders, wenn sie an ausgelagerten Stellen, wie weiten Meerarmen
stehen.
KRÄFTE
Druckkraft: Quetschen.
Zugkraft: Dehnen, Ziehen.
Torsion: Verdrehen.
Schubkraft: Gleiten, Schieben
LAST
Nutzlast: Das Gewichtdes Verkehrs, der die Brücke überquert. Diese Last ist eine nach unten auf die
Brücke gerichtete Kraft. Das Brückendesign muss ENTWEDER die Druckkraft auf die Fundamente
verteilen, ODER sie mit einer gegen gerichteten Kraft ausgleichen.
Abbildung 6i Abbildung 6ii
Abbildung 9 - Durchbiegen: die
Verbindung von Druck & Zug
Abbildung 12 -Kräfteeinwirkung an einem Balken
Abbildung 10 - Torsion
(Verdrehen)
Abbildung 11 - Schubkraft
(Gleiten)
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Abbildung 7 - Druck (Quetschen) Abbildung 8 - Zugkraft (Ziehen)
Die wichtigsten, auf Brücken einwirkenden Kräfte sind Druck- und Zugkraft. Ihre Auswirkungen auf den Brückenbau
können mit Hilfe eines rechteckigen Schaumgummistücks, auf den mit einem Markierstift parallele Linien
aufgezeichnet wurden (siehe Zeichnung unten), demonstriert werden. Drückt man in der Mitte des Schaumgummis
nach unten, zeigt das Modell, wo Druck- und wo Zugkräfte auftreten.
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MATERIAL
Die Konstrukteure müssen für den Einsatz beim Brückenbau die Materialeigenschaften berücksichtigen.
Material, mit hoher Druckfestigkeit: Holz, Stahlbeton, Stahl, und einige Kunststoffe.
Material, mit hoher Zugfestigkeit: Seil, Holz – entlang der Faser geschnitten.
Stahlbeton ist eine gute Wahl für viele Bauwerke, einschließlich Brücken. Er besitzt Stahlbalken entlang der
Längsseite und besitzt sowohl hohe Druck- wie auch Zugfestigkeit.
Kann man aus Papier Bauwerke herstellen? Was sind die Stärken und was die Schwächen?
Dieser Test demonstriert, dass Papier eine hohe Zugfestigkeit besitzt, aber nur wenig Druckfestigkeit.
Können wir die physikalischen Eigenschaften eines Materials verändern?
Vielleicht wollen Sie an dieser Stelle einige der Einführungsübungen mit ihren Schülern
durchführen (siehe Seite 19 dieses Handbuchs)
Abbildung 13i - Versuche, ein Stück Papier auseinander zu
reißen.
Abbildung 14
Abbildung 15
Wenn wir ein Stück Papier zwischen unseren Händen
halten, klappt es nach unten – es ist nicht sehr starr/
steif. Aber wenn es gefaltet wird, hat es anderen
Eigenschaften.
Das Stück Papier ist nun starr und kann
überraschenderweise einiges an Gewicht tragen.
Abbildung 13ii - Nun knülle es
zusammen.
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Das Rollen eines Stück Papier zu einem Rohr macht es erstaunlich stark. Dies kann man sehen, wenn man versucht,
das Rohr an seiner Längsseite zu drücken (quetschen). Sie können ausprobieren, welche Art Last dieses Papierrohr
tragen kann, bis es einknickt.
Versuchen Sie, mit einem Stück DIN A4 Papier einige der unten gezeigten Formen zu falten und untersuchen Sie
welches Gewicht die verschiedenen Papierbalken tragen können. Vor dem Test können Vorhersagen über die Stärke
der jeweiligen Form gemacht werden. Um einen fairen Test zu gestalten, müssen die Stützen immer im gleichen
Abstand angebracht sein und nur ein Stück Papier benutzt werden. Platzieren Sie abwechselnd die Papierbalken auf
die zwei Stützpfeiler und legen Sie vorsichtig ein Gewicht auf die Mitte des Papierbalkens. (Abbildung 18) Beginnen
Sie mit der kleinen Gewichtseinheit und steigern Sie das Gewicht, bis der Balken einknickt. Notieren Sie das Ergebnis
in eine Tabelle wie unten gezeigt. (Abbildung 19)
Diese Methode kann auch für den Test mit unterschiedlichen Papierarten oder Karton herangezogen werden.
Abbildung 16i -
Rolle das Papier um
einen Besenstiel
Abbildung 17
Abbildung 19
Abbildung 18
Abbildung 16ii -
Stark: Zug- und
Druckfestigkeit
Abbildung 16iii
- Schwach:
Durchbiegen
Diese Übungen zeigen, das durch das Ändern der
Form eines bestimmen Materials, ein zu Beginn als
ungeeignet erscheinender Werkstoff, herangezogen
werden kann, um damit starke Bauwerke zu erstellen.
Wir bedanken uns bei Paul Newham, Senior Technician,
The South London Science & Technology Centre,
Londen, UK für die Erlaubnis, diese Übung und die
entsprechenden Zeichnungen übernehmen zu dürfen.
Design (Querschnitt) Max. Gewicht
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Formgebung bei Bauwerken
3 Basisformen werden im Allgemeinen bei Bauwerken verwendet: Rechteck, Dreieck und Bogen.
Was passiert mit diesen Formen, wenn Kräfte darauf einwirken?
Rechtecke
Wenn an einer Ecke des Rechtecks Druck ausgeübt wird, wird die Form verändert. Aus dem Rechteck wird nun ein
Parallelogramm.
Wird ein diagonaler Abstandshalter eingefügt, wird das Rechteck verstärkt. Es ist nun ein starres und stabiles Gebilde.
Ein Abstandshalter ist eine verstärkende Komponente für ein Gebilde.
Die Form ändert sich nicht, wenn an den Ecken gedrückt oder gezogen wird, weil die Kräfte nun entlang der Länge
des diagonalen Abstandhalters wirken, hier entstehen hohe Druckkräfte. Durch das Hinzufügen eines diagonalen
Abstandshalters entstehen auch zwei Dreiecke. Abstandshalter die Druck widerstehen werden Druckstäbe genannt.
Abbildung 20-22 - Üblicherweise bei Bauwerken eingesetzte Formen. Baue diese Formen mit K’NEX Elementen.
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Abbildung 23-24 - Rechtecke: Druck an einer Ecke.
Abbildung 25 - Druckkraft wirkt auf den Druckstab.
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Dreiecke
Wenn eine Last oder Kraft auf eine der Dreieckseiten einwirkt, kann die Seite nach innen biegen. Die Seite
ist der schwächste Punkt in einem Dreieck.
Wirkt die Kraft oder Last jedoch auf eine der Ecken, so verbiegt sich das Dreieck nicht, denn die beiden
Seiten werden gequetscht und die Bodenseite gedehnt. Die Kräfte werden über das gesamte Gebilde
verteilt und nicht nur auf eine Seite. Bei richtiger Benützung sind Dreiecke die stabilsten und starrsten
Formen, die in ein Bauwerk einbezogen werden können.
Bogen
Bögen werden seit vielen tausend Jahren in Bauwerken verwendet. Viele der von den Römern gebauten
Bogenbrücken und Aquädukte sind heute noch in Gebrauch – ein Beweis für ihre Stabilität.
Abbildung 26 - Kraft wirkt auf die Seite eines Dreiecks.
Abbildung 27 - Kraft wirkt auf die Ecke eines Dreiecks
Abbildung 28 - Beispiele für Bogenbrücken.
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Wirkt eine Last von oben auf den Bogen ein, drückt sie über die Seiten, des Bogens nach untenund
nach außen.
Stützt man jedoch die Seiten, wird der Bogen verstärkt und es entsteht ein sehr stabiles Gebilde.
Wenn eine Last einwirkt, drückt sie die Seitenteile eines Bogens sich nach außen, aber die äußeren Stützen halten
diese zurück und verhindern die seitwärtige Bewegung. Die äußeren Stützen nennt man Widerlager.
Bögen jedoch haben ihre Grenzen. Wenn der Bogen zu weit ist, wird das Gebilde geschwächt. Die längsten einzelnen
Bögen heute sind etwa 250 Meter breit.
Nicht alle Bögen werden aus Stein gefertigt. Moderne Bögen bestehen aus Stahlrahmen.
Abbildung 29 - Auf einen Bogen einwirkende Kraft.
Abbildung 30 - Verstärken eines Bogens.
Abbildung 31 - Beispiele für Stahlbogenbrücken
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VERSCHIEDENE BRÜCKENARTEN
Es gibt verschiedene Basisbrückenarten, aber weil die individuellen Anforderungen an jede Brücke anders sind, gibt es
eine Vielzahl Designvariationen.
Die BALKENBRÜCKE
Das ist der einfachste Brückentyp, bestehend aus einem geraden Teil - dem Balken – der auf zwei Stützen, jeweils an
einem Ende, aufliegt.
Konstruktion und Material:
Die Balkenbrücke stützt ihr eigenes Gewicht und die Last auf aufrechten oder senkrechten Pfeilern. Diese Brückenart
wird in der Regel für das Überspannen von kurzen Distanzen über kleine Bäche oder Flüsse, oder über eine Autobahn
genützt. Längere Balken biegen sich in der Mitte durch und benötigen zusätzliche Stützen.
Während Holz und Stein bewährte Materialien der Vergangenheit waren, werden moderne Balkenbrücken auf Stahl oder
Stahlbeton hergestellt.
Kräfte, die auf die Brücke einwirken:
Die Kräfte, die an einer Balkenbrücke greifen, drücken
das obere Teil, aber ziehen (Zugkraft) am unteren Teil
des Balkens. Die Pfeiler, die das Gewicht der Brücke
stützen, sind Druckkräften ausgesetzt.
FACHWERKBRÜCKE
Die Fachwerkbrücke ist eine Art Balkenbrücke, bei der der Balken aus einem Gitterwerk besteht (normalerweise Stahl),
die miteinander verbunden eine Reihe von Dreiecken bilden. Dies ermöglicht es, dass der Balken dicker wird, ohne dabei
an Gewicht zuzunehmen. Mit Hilfe eines Dreiecks entsteht ein festes und stabiles Bauwerk, weil es verhindert, dass das
Gebilde durchbiegt, sich verdreht oder aus der Form gezogen wird.
Konstruktion und Material:
Frühe Fachwerkbrücken enthielten einige Dreiecke und waren aus Holz gefertigt (siehe Abbildung 34 und 35).
Als bessere Designs und Materialien zur Verfügung standen, wurden die Fachwerkbrücken komplexer und heute
enthalten sie eine Vielzahl an Dreiecken.
Abbildung 32 - Lange Balken sind schwächer als kurze.
Abbildung 33 -
Kräfte, die
auf eine
Balkenbrücke
einwirken.
Abbildung 34 - Binder des König-Pfosten Abbildung 35 - Königin-Pfosten-Binder
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Das Hinzufügen von Fachwerkträgern verstärkt einen Balken, dennoch sind auch Fachwerkbrücken eingeschränkt,
was die maximale Länge einer solchen Brücke betrifft.
LÄNGERE BRÜCKEN
Abbildung 36 - Fachwerkbrücken
Abbildung 37a - Wie überspannt man
eine große Lücke
Problem: Die Brücke hängt durch
und ist schwach.
Abbildung 37b - Lösung:
Hochdrücken von unten.
Abbildung 38
Abbildung 39
Abbildung 37c - Lösung:
Hochziehen von oben.
Die Ägypter und Chinesen nutzten den Bogen für ihre Bauwerke, genauso wie die Römer beim Bau ihrer Brücken und
Aquädukten.
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Wie oben bereits festgestellt, wird sich eine lange Balkenbrücke in der Mitte durchbiegen. Ingenieure haben auf zwei
Wegen versucht, dieses Problem zu lösen. Sie haben Brücken entworfen, bei denen entweder der mittlere Teil von
unten mit einem Pfeiler nach oben gedrückt wird oder von Kabeln nach oben gezogen wird. Im Folgenden besprechen
wir verschiedene Varianten der Balken- und der Bogenbrücke. Jede von ihnen steht für eine Technik, die es ermöglicht,
größere Distanzen zu überspannen.
1. Stütze durch kleinere Abschnitte
Anstelle eines einzigen langen Abschnitts mit den damit verbundenen Problemen des Durchbiegens des Mittelteils,
haben Ingenieure Brücken gebaut, die aus hunderten von kleinen, miteinander verbundenen Balkenbrücken bestehen.
Der Chesapeake Bay Bridge-Tunnel in USA wurde auf diese Weise erbaut und ist bekannt als Mehrfeldbrücke. Die
Brücke, (und der Tunnel) sind circa 26 Kilometer lang und spannen sich über die seichte Chesapeake Bay. Das längste
Brückenteil ist aber nur 30 Meter lang.
2. Der Einsatz von Bögen
DIE BOGENBRÜCKE
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Konstruktion und Material:
Der Bogen macht sich die hohe Widerstandsfähigkeit von Steinblöcken zu Nutze. Hohe Druckkräfte halten die Steine
zwischen den Enden (Widerlagern) zusammen. Der mittlere Stein eines Bogens wird als Schlussstein bezeichnet,
alle anderen Steine drücken gegen diesen Stein. Die Form der verwendeten Steine ist entscheidend. Sie müssen
keilförmig sein, diese Form erlaubt es dem Bogen, sich selbst zu halten. Im Laufe der Zeit und mit der Entwicklung
besserer Materialien, wurden für Bogenbrücken Eisenguss, Stahl und heute Beton verwendet.
Abbildung 40 -
Bogenbrücke
Abbildung 41 - Kräfte,
die auf einen Bogen
einwirken.
Abbildung 42
Pfeiler
Brückentafel
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3a Stütze von unten
Die AUSLEGERBRÜCKE
Die Auslegerbrücke ist eine weitere Form von Balkenbrücke. Ein Ausleger ist ein Balken, der nur an einem Ende gestützt
wird. Ein Ende des Balkens kann fest an Land verankert werden, während das andere Ende in dem Raum ragt, wo er
mit einem anderen Ausleger verbunden werden kann und so eine Brücke formt. Anders als bei anderen Balkenbrücken,
benötigt hier der Balken keine zwei Pfeiler, die die beiden Enden des Balkens stützen. Die ist ein Vorteil in Situationen,
in denen es schwierig ist, zwei Pfeiler zu platzieren oder wo ein unbehinderter Durchfahrtsweg für Schiffe gewährleistet
werden muss. Wie bei Balkenbrücken beinhalten auch viele Auslegerbrücken Gerüstsysteme für eine höhere Stabilität.
Das Prinzip der Auslegerbrücke kann leicht mit 5 Büchern gleicher Größe demonstriert werden (oder Holzblöcke). Stellen
Sie 2 Bücher senkrecht auf, sie repräsentieren die Stützpfeiler, legen Sie dann je ein Buch als Ausleger auf die beiden
Pfeiler. Der Pfeiler und Ausleger sollte zusammen aussehen wie der Buchstabe T. Verbinden Sie die beiden Ausleger mit
einem in der Mitte über der Lücke ausgerichteten Buch oder schieben Sie die beiden Ausleger in der Mitte zusammen.
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Die Forth Rail Bridge, die den Mündung Firth of Forth bei Edinburgh in Schottland überspannt, ist eine der größten
Auslegerbrücken der Welt. Sie besteht aus Stahl und wurde 1890 mit einer Länge von etwa 2.500 Metern gebaut.
Die mittlere Brückentafel zwischen den beiden Auslegern ist aber nur ca. 100 Meter breit.
Abbildung 43 -
Kräfteeinwirkung bei einer
Auslegerbrücke
Abbildung 44 Forth Rail Bridge, South Queensferry, Schottland
Abbildung 45 - Schrägseilbrücke
Diese Eisenbahnbrücke wird durch Stützen unterhalb und oberhalb des Schienenwegs stabilisiert. Zusätzliches Gitterwerk
versteift das Bauwerk noch weiter.
3b Hochziehen von oben
DIE SCHRÄGSEILBRÜCKE
Schrägseilbrücken sind Kombinationen aus Ausleger- und Hängebrücke: Die Fahrbahndecke der Brücke ist ein
Auslegergebilde, aufgehängt an Kabeln an einem Turm. Jeder Turm stützt mit seinem Kabeln einen bestimmten Abschnitt
der Fahrbahndecke. Das Design ist nicht neu, es wurde aber ab der Mitte des 20. Jahrhunderts zunehmend populärer,
auch begründet in der Weiterentwicklung des Konstruktionsmaterials (vorgespannter Beton). Es ist weiterhin ein relativ
günstiges Bauverfahren, da es im Gegensatz zu einer Turm-zu-Turm Hängebrücke, keine Verankerungen nötig sind.
Deshalb wird dieser Brückentyp nun für viele Plätze eingesetzt, wo vorher eine Hängebrücke mittlerer Größe (unter 1000
Meter) gebaut worden wäre.
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Abbildung 47 - Kabelanordnungen
Konstruktion und Material:
Kabel werden an einem hohen Turm befestigt und daran die Fahrbahndecke aufgehängt. Die Kabel laufen direkt
vom Turm zur Decke. Alle Kabel stehen unter Zugkraft und der Turm stützt das gesamte Gewicht der Brücke und
alles, was sich darauf befindet. Die Türme werden in der Regel aus Beton oder Stahl gefertigt, die Kabel zeigen große
Designvielfalt.
Die HÄNGEBRÜCKE
Die Idee der Hängebrücke geht möglicherweise in frühzeitliche Geschichte zurück – in Waldgebieten wurden vielleicht
Lianen als Laufstege über schmale Täler genützt. Heute bilden Hängebrücken einige der längsten Brücken der Welt.
Bei modernen Hängebrücken sind Kabel zwischen zwei Türmen gespannt – die Kabel gehen entweder durch oder
über die Türme, die das gesamte Gewicht der Brücke tragen. Die Enden der Kabel werden im Boden verankert. Die
Fahrbahndecke selbst ist leicht gebogen und hat ein Trägerfachwerk für zusätzliche Festigkeit und Stabilität. Sie hängt
an senkrechten Kabeln, genannt Hängern, die von den Hauptkabeln herunter hängen.
Das Design der Hängebrücke versucht, wie jede andere Brücke auch, die einwirkenden Kräfte auszugleichen und in
Gleichklang zu bringen. Bei einer Hängebrücke stehen die Kabel und die Hänger unter Zug, weil sie immer gezogen
werden, während die Türme unter Druck stehen, weil die Kabel nach unten drücken.
Abbildung 46 -
Kräfteeinwirkung bei einer
Schrägseilbrücke
Abbildung 48 - Die Teile einer Hängebrücke
Abbildung 49 - Der Einsatz
von Fachwerkträgern bei
der Fahrbahndecke einer
Hängebrücke
Hänger
Türme
Kabel
Verankerung
Verankerung
Golden Gate Bridge, USA
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Abbildung 50 - Kräfte, die auf eine Hängebrücke
einwirken.
Abbildung 51
Abbildung 52 Geöffnete Klappbrücke
Humber Bridge, England
Tower Bridge, London, England
Die längsten Brückenbauwerke heute sind Hängebrücken. Aktuell ist die längste Hängebrücke der Welt die Akashi-Kaiky?-
Brücke in Japan. Sie verbindet den Stadtbezirk Tarumi-ku von K?be auf der Hauptinsel Honsh? mit dem Ort Awaji auf der
Insel Awajishima mit 2*3 Fahrspuren miteinander. Mit einer Mittelspannweite von 1990,8 m und einer Gesamtlänge von
3911 m ist sie seit 1998 die Brücke mit der größten Stützweite der Welt.
Bewegliche Brücken
Die KLAPPBRÜCKE
Eine Klappbrücke kann sich öffnen und Schiffe passieren lassen. Die Mittelspannweite wird geteilt und jedes Ende besitzt
Gegengewichte, was die für das Anheben benötigen Kräfte reduziert. Die Brücke hat eine feste Drehachse in der Nähe
des Schwerpunktes des Klappenteils, das die gesamte Brückenlast trägt. Die Brückentafeln werden über ein System von
Gegengewichten, Zahnrädern und Motoren bewegt. Die Gegengewichte bestehen meist aus Beton und sind normalerweise
unterhalb der Fahrbahn angebracht. Ein Motor bewegt die Zahnräder, die wiederum die Gegengewichte nach unten
bewegen und die Brückentafeln bewegen sich nach oben.
Die Tower Bridge über der Themse in England ist die bekannteste Klappbrücke. Jede Klappe ist 33 Meter lang und jede hat
ein 422t Gegengewicht.
Nützliche Websites:
http://de.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BCcke Eine Zusammenfassung aller Brückenarten.
http://www.karl-gotsch.de
http://www.bernd-nebel.de/bruecken/index.html Diese Seite gibt einen sehr schönen Überblick über die Geschichte des
Brückenbaus und der wichtigsten Brücken.
http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/umwelt_technik/10bruecken/bruecken.htm Hier findet man auch Aufgaben und
Lösungen zum Thema Brücken.
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18
Einführung Brücken:
Vorbereitende Übungen.
19
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Die Kräfte, die auf Bauwerke einwirken, identifizieren.
2. Zeigen, wie ausgewähltes Material, auf angreifende Kräfte reagiert.
3. Erforschen, wie ausgewählte Forme, auf einwirkende Kräfte reagieren.
MATERIAL
Jede Schülergruppe benötigt:
- DIN A4 Papier
- Gummibänder
- Lange K’NEX Stäbe
- Eine Auswahl von K’NEX Eckverbindern
Sie benötigen:
- Ein Stück Schaumstoffgummi (30x6x6cm)
- Markierstift
Anmerkung: Die unten aufgezeigten Übungen dienen der Einführung für Schüler, die bisher noch keine
Kenntnisse über Bauwerke besitzen.
Es liegt in ihrem Ermessen zu entscheiden, welche dieser Übungen für ihre Schüler geeignet sind.
Die Antworten können unter anderem Folgendes sein:
Gebäude wie Wolkenkratzer, Stadien, Dom, Straßen,
Autobahnen, Brücken, Tunnel, Staudamm, Hafen,
Molen, Landungsbrücken, Kühltürme, Pipelines, Kirchen,
Ölplattformen, Pyramiden.
Mögliche Antworten: aufregend, beeindruckend, verängstigt.
Mögliche Antworten: Ingenieure, Statiker, Hochbauingenieur.
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DURCHFÜRHUNG
Einleitung
Beginnen Sie mit der Fragen, was
wir unter BAUWERKEN verstehen.
Schreiben Sie die Antworten an die Tafel.
Ermutigen Sie die Schüler, das größte
Gebäude zu beschreiben, in dem Sie
jemals waren. Fragen Sie, wie sie sich
in dem Gebäude gefühlt haben.
Erforschen Sie, warum sie diese Gefühle hatten.
Fragen Sie die Schüler, ob sie
ihnen sagen können, wie die
Berufsbezeichnung für die Spezialisten
ist, die solche Bauwerke entwerfen.
Fragen Sie die Schüler: „Wenn du ein Ingenieur wärst und würdest ein großes Gebäude, wie z.B. eine Brücke etc.
entwerfen, was müsstest du dabei bedenken?“ (Stabilität, Aussehen, Sicherheit etc.) Unterstützen Sie die Schüler
bei diesem Brainstorming mit gezielten Fragen. Listen Sie die Antworten an der Tafel auf und verwenden Sie eine
Zeichnung und zeigen Sie den Schülern auf, welche Ideen Anwendung finden.
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Aufgaben
Vielleicht wollen Sie zum Beispiel über Kräfte sprechen, die auf ein Gebäude einwirken:
Quetschen/Druckkraft
Ziehen/Zugkraft
Verdrehen/Torsion
Gleiten/Schubkraft
Eventuell wollen Sie auch Folgendes mit
den Schülern erkunden:
Einige charakteristische Eigenschaften
von verschiedenen Baumaterialien
Wireagieren verschiedene Formen auf
verschiedene Kräfte.
Die Lasten, die Bauwerke tragen
müssen.
VORGESCHLAGENE SCHRITTE
Erklären Sie der Klasse, dass sie einige der Faktoren erforschen, die Ingenieure bei der Entwicklung ihres Entwurfs
berücksichtigen müssen.
1. Wenn sie bereits Teil der vorgegangenen Stunden waren, heben Sie die Begriffe noch einmal hervor. Wenn sie
noch nicht erwähnt wurden, nützen Sie Fragetechniken, um die Begriffe mit den Kindern zu erarbeiten und
fügen Sie sie der Liste hinzu:
KRÄFTE, die auf das Bauwerk einwirken
MATERIAL, das für das Bauwerk verwendet wird
FORMEN, die im Bauwerk Anwendung finden
LAST, die von dem Bauwerk getragen wird
2. Zur Einführung dieser Begriffe, beziehen Sie sich bitte auf die Übungen, die auf den Seiten 5-11 dieses
Handbuchs zu finden sind. Hilfsmittel für diese Übungen werden auf Seite 22 aufgelistet. Ihre Übungen
könnten Folgendes beinhalten:
Aufzeigen, welche Auswirkungen angreifende Kräfte haben. Verwenden Sie dafür ein Stück Schaumgummi
oder besuchen Sie die oben genannte Website.
Experimente, die zeigen, wie die Eigenschaften von Material verändert werden können. Verwenden Sie dafür
ein Stück DIN A4 Papier.
Die Stabilität verschiedener Formen aufzeigen. Benützen Sie dafür K’NEX Stäbe und Verbinder.
Erforschen Sie, wie bestimmte Formen in Bauwerken verstärkt werden können. Zur Unterstützung
besuchen Sie bitte die oben erwähnte Website (Forces Lab).
HINWEIS für den Lehrer:
Informationen und empfohlene Übungen für die Klasse zum Thema KRÄFTE, MATERIAL und FORMEN finden
Sie im Punkt Grundsätze auf Seite 5-7 dieses Handbuchs. Eine Übung zum Thema LAST bei Brücken ist unter dem
Abschnitt „Sind alle Brücken gleich?“ auf den Seiten 25-28 aufgeführt.
Die Website www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/besitzt ein ‘Kräfte Labor’ und zeigt die Auswirkungen, die KRÄFTE
auf verschiedene Formen haben und behandelt auch MATERIAL, FORMEN und LAST. Hier werden einfache, leicht
verständliche Grafiken und Animationen gezeigt. Wir empfehlen den Besuch dieser Website (Englisch).
All diese Begriffe werden in der Website, die oben genannt
wurde einfach und klar dargestellt.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Einführung Brücken:
Was machen Brücken?
21
DURCHFÜRHUNG
Einleitung
Fragen Sie die Klasse, „Was macht eine
Brücke?“. Halten Sie die Antworten an
der Tafel fest. Möglicherweise können
Sie hier mit Mind-Maps arbeiten. Helfen
Sie den Schülern, eine Definition für
eine Brücke zu formulieren, aus der
hervorgeht, dass es sich um ein Bauwerk
handelt, das es Menschen, Tieren oder
Fahrzeugen ermöglicht, eine Lücke
oder ein Hindernis zu überwinden.
Sprechen Sie die Vorstellungskraft
ihrer Schüler an. Was denken sie, wie
die erste Brücke wohl ausgesehen
hat? Notieren Sie die Vorschläge an
der Tafel.
Bitten Sie die Schüler Folgendes aufzuzeigen:
3 Gründe, warum wir heute Brücken
einsetzen
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Eine operative Definition einer Brücke benennen.
2. Brücken in ihrer näheren Umgebung erkunden.
3. Ein Modell einer Brücke entwerfen und bauen.
MATERIAL
Jede Schülergruppe
benötigt:
- K’NEX Einführung Bauwerke:
Brücken Set mit Bauanleitung und
Fotos von Brücken
- Millimeterpapier oder DINA4 Blätter
- Markierstifte oder Kreide
Sie benötigen:
- Ein Beispiel für eine technische Zeichnung – ihr Verwalter oder
die Stadtverwaltung könnte hier eine gute Quelle sein (optional)
- Hilfreiche Websites:
www.pixelio.de
www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/
www.howstuffworks.com/bridge
- Diese Websites gestatten den freien Gebrauch ihrer Bilder für
schulische Zwecke.
Anmerkung: Die unten aufgezeigten Übungen dienen der Einführung für Schüler, die bisher noch keine
Kenntnisse über Bauwerke besitzen.
Es liegt in ihrem Ermessen zu entscheiden, welche dieser Übungen für ihre Schüler geeignet sind.
Eine Brücke ist ein Bauwerk, das es Menschen/Tieren/
Fahrzeugen ermöglicht, ein Hindernis zu überwinden. Einige
Schüler führen vielleicht auch an, dass Brücken Pipelines oder
Wasserkanäle tragen – Aquädukte.
Die Antworten können variieren: umgestürzte Baumstämme
über einem Bach; Steine oder Felsbrocken, die als Trittsteine
dienten; Lianen, mit denen man sich über einen Bach
schwingen konnte; Kombinationen daraus.
Um Straßen/Autobahnen sicher zu überqueren; Flüsse zu
überqueren, ohne nass zu werden; um sicher von einem
Gebäude in ein anderes zu gelangen; um mit Autos über ein
Tal zu fahren.
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22
3 Hindernisse, die Menschen davon
abhalten von einem Ort zum
anderen zu gelangen.
Wie Menschen solche Hindernisse
ohne Brücken überwinden konnten.
Machen Sie die Schüler auf die Fotografien von Brücken in der Bauanleitung aufmerksam und die Hindernisse,
die sie überwinden. Bitten Sie die Schüler genau auf die verschiedenen Brückenarten und die Unterschiede zu
achten. An dieser Stelle ist es hilfreich, sich auf 3 Arten zu konzentrieren: Balken (Seite 2-3), Bogen (Seite 10)
Hänge (Seite 12.)
Lassen Sie die Schüler Beispiele aus ihrer näheren Umgebung anzuführen. Wenn in der Nähe der Schule eine
Brücke zu finden ist, könnten Sie die Übungen mit einem Besuch dieser Brücke beginnen und vor Ort die
Eigenschaften erklären. Wenn das nicht möglich ist, fragen Sie die Schüler nach den Eigenschaften der Brücken,
die sie kennen, welche Funktion sie haben und aus welchem Material sie bestehen. Die Schüler sollten wenigstens
eine Brücke in ihrem Wohnort besuchen und entweder eine Zeichnung davon anfertigen oder ein Foto davon
machen. Sie sollten dem Design, den Stützen und den Formen der Brücke besondere Aufmerksamkeit schenken.
Ermutigen Sie die Schüler, die Abmessungen der Brücke zu schätzen und die Methode erklären können, die sie
dafür angewendet haben. Die Schüler dokumentieren die Ergebnisse.
Stellen Sie eine Landkarte zur Verfügung und helfen Sie den Schüler, die Brücken, die sie gefunden haben, zu
lokalisieren. Zeigen Sie auch Brücken, die sie vielleicht nicht gefunden haben. Nun sollen sie sich vorstellen, wie
es wäre, ohne jede Brücke zu reisen. Schlagen Sie vor, dass die Schüler die Brücken aufzählen, die sie auf dem Weg
zur Schule passieren.
Besprechen Sie, wie sich Brücken von einfachen Felsplatten und Holzstämmen, die über einem Bach liegen, zu
massiven Brücken mit Spannweiten von mehreren tausend Metern entwickelt haben und Inseln verbinden oder
weite Mündungen überqueren. Den Schülern sollte aber bewusst gemacht werden, dass, während die modernen
Brücken großartige Beweise der Möglichkeiten in Konstruktion und Design sind, doch in vielen Teilen der Welt
noch immer einfache Brücken mit Steinplatten, Stämmen und Lianen gebaut werden. Erklären Sie, dass sie K’NEX
Modelle verschiedener Brücken bauen werden und dabei weitere Kenntnisse und Erfahrungen in Zusammenhang
mit Bauwerken sammeln können. Sie erkennen, mit welchen Problemen Ingenieure beim Bau von immer längeren
und immer belastbareren Brücken konfrontiert werden.
Flüsse, Täler, Schluchten, Mündungen, Straßen/Autobahnen,
Gewässer zwischen Inseln.
Sie durchwateten Furten in Flüssen, nützten Trittsteine,
durchreisten Täler und Schluchten und suchten nach einem
Platz an dem man das Hindernis überqueren konnte.
Aufgabe aus dem Bau-Set
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von je 2 Schülern und verteilen Sie ein K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Bitten Sie die Schüler, das Set zu öffnen und die Anleitung herauszunehmen. Wenn die Schüler zum ersten Mal
mit K’NEX Elementen arbeiten, weisen Sie auf die Seite mit dem Bau-Tipps hin. Es ist entscheidend, dass die
Schüler zu diesem Zeitpunkt bereits das Bauen mit K’NEX verstehen, so lässt sich eine eventuelle Frustration
später vermeiden.
Geben Sie einige Grundregeln für den Umgang mit den K’NEX –Elementen.
Denken Sie daran, dass die Schüler am Ende der Lektion ca. 5 Minuten benötigen, um die Teile wieder
aufzuräumen..
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Erklären Sie den Schülern, dass sie mit dem K’NEX Material eine Brücke bauen werden. Besprechen
Sie, wie Ingenieure, nachdem sie die ersten Modellzeichnungen angefertigt haben, kleine Modelle bauen
und damit die Brücke auf ihre Stabilität, Sicherheit und Design untersuchen und testen. Brückenbauer
folgen diesen Plänen, wenn sie eine reale Brücke bauen. Wenn vorhanden, zeigen Sie nun ein Beispiel
einer technischen Zeichnung - eine von ihrem Haus oder der Schule würde ausreichend sein - die Schüler
können hier die Informationen entnehmen, die üblicherweise auf diesen Dokumenten zu finden sind.
Machen Sie die Schüler darauf aufmerksam, dass eine technische Zeichnung, so wie alle Pläne und Karten, nur
zweidimensionale Darstellungen wiedergeben kann. Der Plan kann die Länge und Breite eines Bauwerks zeigen, ein
Aufriss zeigt die Höhe und entweder die Länge oder die Breite (nicht beides.) Machen Sie eine Skizze an der Tafel.
Übung:
Schritte
1. Sagen Sie den Schülern, dass sie eine Brücke unter Berücksichtigung der folgenden Vorgaben bauen:
(i) Sie wird zwei Tische verbinden, die 30 – 40cm voneinander entfernt sind.
(ii) Es dürfen nur Teile aus dem K’NEX Set verwendet werden.
(iii) Die Brücke muss einen Schuh etc. 15 Sekunden tragen können.
(iv) Die Schüler müssen entscheiden, welches Hindernis überwunden werden soll.
2. Erklären Sie, dass die Brücke, die die Gruppen bauen jede Größe oder Form haben kann, aber dass der Entwurf
Folgendes berücksichtigen muss:
(i) Die Eigenschaften des Hindernisses, das überbrückt werden soll.
(ii) Wer oder was die Brücke nutzen wird.
(iii) Die Last, die sie tragen muss (Schuh, Buch)
3. Den Schülern sollte genügend Zeit gegeben werden für die Arbeit mit dem K’NEX Material und der
Entwicklung eines stabilen Modells, das über ein physikalisches Hindernis, wie eine offene Lücke oder einen
imaginären Fluss führt.
4. Sie sollten die Stabilität testen und prüfen, ob die Tragfähigkeit für einen Schuh ausreichend ist.
5. Wenn die Konstruktion fertiggestellt ist, sollten die Schüler eine Zeichnung auf Millimeterpapier anfertigen,
die wie eine technische Zeichnung ihrer Brücke aussieht. Genauigkeit ist dabei wichtig.
HINWEIS: Wenn ihre Schüler die geeigneten Messtechniken beherrschen und das Prinzip von Maßstab
kennen, können Sie ihre Schüler bitten, die Zeichnung maßstabsgetreu zu erstellen.
Anwendung
Die Gruppen sollten nun der Klasse ihre Brücken vorstellen und sie beschreiben:
Welches Hindernis wird damit überwunden.
Wen oder was wird die Brücke tragen.
Welche Grundmerkmale haben sie in ihre Konstruktion einfließen lassen.
Die Schüler können dies entweder mit eigenen Worten erklären, oder sie nützen die Gelegenheit einige Begriffe
aus dem Brückenbau anzuwenden. Eventuell können sie die Brückenmodelle fotografieren.
23
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24
Die Schüler sollten darauf vorbereitet sein, nun den ‘Schuhtest’ durchzuführen.
Bitten Sie die Schüler eine Definition für die BRÜCKE in ihre Hefte einzutragen und dabei die Worte “Bauwerk” und
“Hindernis” zu verwenden.
BRÜCKE:
___________________________________________________________________________________________
Folgende Punkte sollten in den Heften eingetragen werden:
5 Benutzer von Brücken
5 Hindernisse die Brücken
überspannen.
5 Schlüsselbegriffe im
Zusammenhang mit Brücken
HINWEIS: Wenn möglich, heben Sie die Modelle bis zur nächsten Stunde auf.
Weiterführend
1. (a) Fordern Sie die Schüler auf, als Bauunternehmer zu fungieren und ihre Pläne/Zeichnungen mit den
Klassenkameraden zu tauschen. Dann bitten Sie die Schüler, das Modell mit Hilfe der neuen technischen
Zeichnung zu bauen. Sie dürfen nur die Zeichnung verwenden, nicht das gebaute Modell.
(b) Bitten Sie die Schüler alle Brücken auf Genauigkeit zu überprüfen.
(c) Führen Sie eine allgemeine Diskussion über diesen Vorgang und bitten Sie die Schüler die Entstehung der
technischen Zeichnung und des Modells in ihrem Heft zu beschreiben.
2. Die Schüler sollen paarweise zusammenzuarbeiten und Fotos und Bilder von Brücken zu sammeln. Folgende
Quellen können Sie dabei nutzen:
www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/ www.howstuffworks.com/bridge (beide in Englisch)
Schlagen Sie vor, dass sie verschiedene Brückenarten und verschiedene Hindernisse suchen. Der Schwerpunkt
liegt dabei auf dem Erkennen unterschiedlicher Brückentypen. Zu diesem Zeitpunkt der Übung haben sie noch
nicht die Namen der einzelnen Brückenarten kennengelernt. Die Bilder können als Collage gezeigt werden und
nur dann beschriftet werden, wenn sie in der Lage sind, den Brückentyp auf jedem Bild zu identifizieren.
Fluss, Kanal, Bach, Tal, Schlucht, Sumpf, Mündung, Gewässer
zwischen Inseln, Autobahn, Zugschienen, Lücke zwischen Gebäuden,
Straßen, Kreuzungen etc.
Menschen/Fußgänger, Tiere und Fahrzeuge: Autos, Fahrräder,
Züge, Pipelines und Kanäle etc.
hinüber, tragen, stützen, verbinden, über, Spannweite etc
Hefteinträge:
Die Schüler dokumentieren ihre Erkenntnisse. Im Folgenden finden Sie Beispiele für die Hefteinträge der
Schüler:
4
Beschreibung und Skizze einer örtlichen Brücke.
4
Definition für eine Brücke.
4
Liste der Benutzer und Hindernisse.
4
Liste von Schlüsselbegriffen im Zusammenhang mit Brücken.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Sind Alle Brücken gleich?
Wie Brücken ihre Last stützen.
25
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Bitten Sie die Schüler, die Fotos auf den Seiten 3, 10 und 12 der Anleitung anzusehen. Wie unterscheiden sie sich
voneinander? Bitten Sie sie, die Namen zu überprüfen, die diesen unterschiedlichen Brückenarten gegeben wurden
und fragen Sie nach Gründen für die jeweilige Namensgebung.
Zeichnen Sie Skizzen von den Brücken an die Tafel, die auf
den Beiträgen der Schüler basieren und fügen Sie Labels
und einige beschreibende Worte hinzu. Die Illustrationen
unten können als Basis für ihre Skizzen herangezogen
werden, aber lassen die zu diesem Zeitpunkt die Pfeile weg.
Aufgabe
Erinnern Sie die Schüler daran, dass an jedem Bauwerk
Kräfte einwirken. Fragen Sie nach Freiwilligen, die
solche Kräfte auflisten.
Erklären Sie den Schülern, dass sie an ihren Modellen,
die sie in der letzten Übung gebaut haben, erforschen
können, wo mögliche Kräfte auf die Brückenarten
einwirken.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Wiederholen, welche Kräfte auf Bauwerke einwirken.
2. Drei Brückentypen unterscheiden.
3. Untersuchen, wie eine Brücke ihre Last stützt.
MATERIAL
Jede Gruppe von 2 Schülern
benötigt:
Brückenmodelle aus der vorherigen Stunde
- Bauanleitung
- Gegenstände, die als Last fungieren (Bücher,
Gewichte etc.)
- Buntstifte oder Marker
- Schulhefte
Sie benötigen:
- ein langes Brett (leicht genug, dass Schüler es
halten können.
- Zwei Personenwaagen
- 4-5 schwere Bücher
Quetschen/Druckkraft; Ziehen/Zugkraft;
Durchbiegen; Verdrehen/Torsion; Gleiten/
Schubkraft.
Wenn sie das Modell auseinander gebaut haben,
sollten sie die Möglichkeit bekommen, eine neue
Brücke zu bauen. .
Die Pfeile werden später hinzugefügt.
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26
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen
Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor.
Schritte
1. Bitten Sie die Schüler, zu
untersuchen, wie die Brücke
gestützt wird und anschließend
zu bestimmen, ob es sich um eine
Balken-, Bogen- oder Hängebrücke
handelt.
2. Fordern Sie die Schüler auf, eine Last auf ihre Brücke zu platzieren (Schuh, Bücher, Gewichte) und darauf
zu achten, was mit den verschiedenen Teilen des Bauwerks geschieht. Sie sollten die Last erhöhen und
herausfinden, was passiert. Sie sollten erkennen:
welche Teile durchgebogen
werden, wo Druck und
Zugkraft wirkt;
was geschieht mit den Stützen ihrer Brücke, wenn das Gewicht erhöht wird;
welche Teile ihrer Brücke geben als erstes nach?
Beschriftete Skizzen ihrer Brücken, die die Auswirkungen der jeweiligen Belastung des Bauwerks zeigen,
sollten in die Hefte übertragen werden. Sie sollten zum Beispiel die Teile ihrer Brücke identifizieren, die sich
durchbiegen, schief sind oder eine verschobene Position haben.
3.
Bitten Sie die Schüler die Beobachtungen an ihrem
Modell auf die Zeichnungen der drei Brückenarten an der
Tafel zu übertragen. Fordern Sie sie auf, zu sagen, wo bei
den einzelnen Brücken Kräfte einwirken. Zeichnen Sie
Pfeile anhand der Erkenntnisse der Schüler.
HINWEIS: Pfeile können genutzt werden, um bei den Brückenzeichnungen zu zeigen, in welcher Richtung Kräfte
einwirken und über einen Brückenbau verteilt werden. Viele der Websites, die Sie und die Schüler vorher schon besucht
haben, verwenden Pfeile, um das Gleiche darzustellen. An der Tafel oder mit dem Overheadprojektor können sie
verschiedene Farben verwenden und zwischen den einzelnen Kräften unterscheiden.
4. Führen Sie die Schüler in eine Diskussion über die verschiedenen Arten von LAST, die eine Brücke stützen muss.
(a) Bitten Sie die Schüler, über die verschiedenen Arten von Last, die eine Brücke stützen muss, nachzudenken. Halten
Sie die Gedanken an der Tafel fest. Sie müssen vielleicht bei den weniger offensichtlichen Lasten nachhaken.
(b) Helfen Sie den Schülern, die Hautkategorien von Last, die eine Brücke zu tragen hat, zu erkennen:
Eigenlast: Das Gewicht des Materials, aus dem die Brücke gebaut wurde. In den meisten Fällen, ist das
höchste Gewicht, das die Brücke tragen muss, das Gewicht der Brücke selbst.
Nutzlast: Das Gewicht der Menschen, Fahrzeuge, Tiere und anderer Dinge, die die Brücke benutzen.
Die meisten werden eine Variante der Balkenbrücke
gebaut haben.
Die Schüler fühlen sich vielleicht immer noch wohler,
wenn sie Begriffe, wie durchbiegen, zusammendrücken,
auseinanderziehen etc. verwenden. Akzeptieren Sie diese
Begriffe, ermutigen Sie sie aber danach die formalen Begriffe
zu verwenden.
In niedrigeren Stufen, sollten Sie sich vielleicht
nur auf die Balkenbrücke konzentrieren.
Pfeil-Schlüssel:
Ein dicker Pfeil, der nach unten gerichtet ist, repräsentiert die Last.
Pfeile entlang der Brückenkabel, des Balkens oder des Bogens repräsentieren Zug- und Druckkraft.
Pfeile an den Widerlagern und den Pfeilern repräsentieren die Gewichtsübertragung auf den Boden.
Beispiel: alle Pfeile einer Bogenbrücke stehen für Druckkraft, während sie bei der Fachwerk- oder
Balkenbrücke für eine Kombination aus Druck- und Zugkraft stehen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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(für höhere Klassen geeignet:)
Umweltbedingte Last: die Auswirkung von starken Winden, Schnee und Eis und Erdbeben.
Stoßlast: der plötzliche, hohe Stoß, den bestimmte Nutzer hervorrufen, wenn sie die Brücke
überqueren. Beispiel: ein schwerer Güterzug oder LKW.
(c) Die Schüler sollen auf die Liste an der Tafel schauen und die Lasten in die oben genannten Kategorien
einteilen. Sie sollten dieses in die Hefte übertragen.
5. Erklären Sie, dass eine erfolgreiche Brücke in der Lage sein muss, das Gewicht dieser Lasten nach unten in
die Fundamente zu verteilen, oder sie mit gegen gerichteten Kräften auszugleichen. Fragen Sie nach zwei
Freiwilligen, um dieses Prinzip zu demonstrieren.
HINWEIS: Es ist möglicherweise keine gute Idee, das persönliche Gewicht der Schüler, wenn sie auf der
Waage stehen, vorlesen zu lassen. Wenn nötig, helfen Sie, den Gewichtsunterschied, wenn die Schüler ein
Brett halten auszurechnen.
(a) Stellen Sie die Personenwaagen soweit voreinander entfernt auf, wie das Brett lang ist, das die Schüler halten
werden.
(b) Bitten Sie einen Schüler auf eine der Waagen zu steigen. Erklären Sie, dass dieser Schüler einen Stützpfeiler
darstellt, der eine Brücke stützt. Der Schüler sollte sich sein Gewicht merken.
(c) (i) Geben Sie dem Schüler, der noch immer auf der Waage steht, ein langes Brett in die Hand und bitten Sie ihn,
das Brett zunächst horizontal zu halten. Das Brett repräsentiert die Fahrbahn oder die DECKE der Brücke.
(ii) Der Schüler sollte das neue Gewicht auf der Waage ablesen.
(iii) Bitten Sie den Schüler nun, das Brett
senkrecht zu halten und zu überprüfen,
ob sich das Gewicht auf der Waage mit
der Veränderung der Brettrichtung ändert.
Bitten Sie den Schüler, seine Beobachtungen
mitzuteilen.
(d) Helfen Sie den Schülern, zu folgern, dass das Gewicht der gesamten Brückenlänge und des Stützpfeilers durch
den Stützpfeiler nach unten drücken.
(e) Bitten Sie die Schüler, sich vorzustellen, dass sich das Gewicht entlang der Fahrbahndecke und dann am
Stützpfeiler nach unten auf die Waage bewegt. Bitten Sie einen Freiwilligen, dies in die Zeichnung einer
Balkenbrücke mit Pfeilen einzuzeichnen.
(f) Wiegen Sie das Brett und halten die das Ergebnis in der Datentabelle 1 fest.
(g) Bitten Sie den zweiten Schüler sich auf die
andere Waage zu stellen und sich sein/ihr
Gewicht zu merken. Die beiden Freiwilligen
sollten nun jeder ein Ende des Brettes halten.
Fragen Sie den Rest der Klasse nach ihren
Vorhersagen bezüglich der Ergebnisse und der
Verteilung des Gewichts.
(h) Um die Vorhersagen zu überprüfen, bitten Sie jeden Schüler, auf die Waage zu steigen und festzustellen, wie
das Gewicht des Brettes zwischen ihnen verteilt wird. Bitten Sie jeden Schüler festzuhalten, um wie viel das
Gewicht auf seiner Waage zugenommen hat. Die Antworten können in die Tabelle (siehe unten Datentabelle 1)
eingetragen werden.
(i) HINWEIS: Sie können Bücher auf das Brett in Punkt (g) legen, um eine Nutzlast darzustellen und um mehr
Variationen in den Gewichten an jedem Stützpfeiler zu erhalten.
27
Das Gewicht auf der Waage bleibt gleich, egal in
welche Richtung das Brett gehalten wird.
Die Antworten variieren womöglich, die meisten
sollten aber vorhersehen, dass das Gewicht
gleichmäßig verteilt wird.
Datentabelle 1
BRÜCKEN
GEWICHT DES
BRETTES
GEWICHTSZUNAHME
AN STÜTZPFEILER NR. 1
GEWICHTSZUNAHME
AN STÜTZPFEILER NR. 2
GESAMT-GEWICHTS-
ZUNAHME AN DEN
STÜTZPFEILERN
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28
Anwendung
Die Schüler sollten eine kurze Beschreibung der Lastarten geben, die von einer Brücke gestützt werden, und die
folgenden Zeilen ergänzen:
NUTZLAST:
__________________________________________________________________________
EIGENLAST: _________________________________________________________________________
(Höhere Klassenstufen:)
UMWELTBEDINGTE LAST:
_____________________________________________________________
STOSSLAST: _________________________________________________________________________
Besprechen Sie die Ergebnisse des Experiments zur Gewichtsverteilung und lassen Sie die Schüler dies
dokumentieren. Sie sollten auch eine Kopie der Datentabelle 1 übernehmen und die ermittelten Gewichte aufzeigen.
Bitten Sie die Schüler, die Skizzen der Balken-, Bogen- und Hängebrücke zu vervollständigen und Pfeile
hinzuzufügen, die die Richtung angeben, in die das Gewicht übertragen wird.
Weiterführend
1. Fordern Sie die Schüler auf, sich zu Hause umzusehen und wenigstens drei verschiedene Gegenstände
auszuwählen die die Last verteilen (Tisch, Stuhl, Bett, Lampe etc.). Sie sollten von jedem eine Zeichnung
anfertigen und darstellen, wie jedes seine Last stützt und mit Hilfe von Pfeilen die Richtung angeben, in die
das Gewicht übertragen wird.
Hefteinträge:
4
Beschreibung und Skizze einer örtlichen Brücke
4
Ausgefüllte Datentabelle 1 mit Erklärung.
4
Mit Anmerkungen versehene Skizzen von einer Balken-, Bogen- und Hängebrücke, die die einwirkenden
Kräfte zeigen.
4
Beschreibung und Einstufung der verschiedenen Arten von Last.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Die Balkenbrücke:
Klassifizierung der Komponenten und Wege, die Balkenbrücke zu verstärken.
29
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erklären Sie den Schülern, dass sie sich
in dieser Stunde mit dem Erforschen
einer Brückenart, der Balkenbrücke,
beschäftigten werden. Dies ist die
einfachste aller Brücke und war
möglicherweise die erste eingesetzte
Brücke - vielleicht in der Form von
umgestürzten Bäumen, die über einem
Bach liegen. Moderne Balkenbrücken
werden aus Stahlbalken gefertigt und
können sehr komplexe Bauwerke sein, aber
alle Balkenbrücken sind gleich in Bezug
auf die Art, wie sie ihr eigenes Gewicht
und die zu tragende Last über senkrechte
oder aufrechten Pfeiler stützen.
Lassen Sie die Schüler auf die K’NEX
Balkenbrücke schauen. Bitten Sie, die Teile
der Brücke zu zeigen, die Stützen dienen.
Schreiben Sie alle Begriffe, die sie für diese
Gebilde verwenden.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Die Grundeigenschaften einer Balkenbrücke identifizieren.
2. Wortschatz in Zusammenhang mit einer Balkenbrücke verstehen und gebrauchen.
3. Die Vor- und Nachteile, sowie die besten Anwendungsmöglichkeiten einer Balkenbrücke
erforschen.
4. Mit K’NEX Elementen Modelle von Balkenbrücken bauen.
MATERIAL
Jede Gruppe von 2 Schülern
benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte (10-1000 Gramm)
- Schulhefte
Sie benötigen:
- Eine vorgebaute K’NEX Balkenbrücke
- Ein Stück Schaumgummi (30x6x6 cm)
(die Art Schaumgummi, die bei Stühlen
oder Kissen verwendet werden.)
- Markierstift
Stützen, Pfahl, Pfosten, Turm, Stab, Pfeiler etc.
Balken
BRÜCKEN
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Bringen Sie den Begriff Pfeiler in Erinnerung, er wird von Brückenbauern als Bezeichnung für die senkrechten
Stützen einer Brücke verwendet. Bitten Sie die Schüler andere Teile der Brücke mit ihren eigenen Worten zu
benennen und führen Sie dann folgende Begriffe ein:
Träger - ein horizontaler Balken, der
auf den Pfeilern aufliegt.
Spannweite – der Abstand zwischen
den Pfeilern
Decke – die Oberfläche einer Brücke,
die als Gehweg, Fahrbahn oder
Schienenbahn dient.
Rampe – der schräge Abschnitt der
das Land mit der Decke verbindet.
Schutzgeländer – das
Schutzhindernis, das entlang der
horizontalen Oberfläche verläuft und
verhindert, dass Benutzer der Brücke
an der Seite runterfallen können.
Entwickle eine Wortliste dieser Begriffe für die weitere Verwendung.
Übung I: Wie lang kann eine Balkenbrücke sein, bevor sie einstürzt?
Schritte
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen
Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor.
1. Erklären Sie den Schülern, dass die ersten Untersuchungen, die sie anstellen werden, sich damit beschäftigen,
was passiert, wenn mit einem einfachen Bauwerk passiert, wenn es länger und länger wird. Bevor sie mit dem
Bauen beginnen, sollten sie über die folgenden Fragen nachdenken.
Was passiert mit der Tragfähigkeit einer Brücke wenn sie länger wird?
Wie könnten sie das testen?
Welche Messungen müssen sie machen?
Wo auf der Brücke werden sie die Messungen vornehmen?
Wo denken sie, ist der schwächste Punkt des Bauwerks?
Die einleitenden Gedanken zu diesen Fragen sollten in die Hefte eingetragen werden.
2. (a) Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 4 Schülern und verteilen Sie je 2 K’NEX Brücken-Sets an jede Gruppe.
Erklären Sie, dass die ihre Brücke über zwei Tische, zwei Stühle oder zwei große Boxen bauen können.
Geben Sie ihnen genügend Zeit für den Bau und das Testen ihrer Brücken.
HINWEIS: Es sollte genug Platz
vorhanden sein, um normale Gewichte
an die Brücke zu hängen. Wenn diese
nicht vorhanden sind, können sich die
Schüler eine andere Methode für das
Ermitteln der Tragfähigkeit ausdenken.
(b) Die Schüler könnten die Last gegen
die Länge der Brücke aufnehmen.
Sie können die Anzahl der Stäbe als
Maß verwenden. Sie sollten ihre
Beobachtungen notieren und/oder
entsprechende Zeichnungen anfertigen.
30
Am leichtesten lässt sich die Brücke in der Mitte der
Spannweite beladen. Die Schüler könnten eine Balkenbrücke
mit langen grünen K’NEX Stäben und schwarzen Verbindern
bauen, sie beginnen mit2, dann 3, 4 …6. Jedes Mal kann die
entsprechende Tragfähigkeit der Brücke gemessen werden.
Die K’NEX Brücke bricht am leichtesten an den
Verbindungsstücken (Verbindern).
Träger
Decke
Pfeilern
Spannweite
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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3. Besprechen Sie die Erkenntnisse.
Die Schüler sollten entdeckt haben,
dass je länger die Spannweite
ist, desto schwächer wird die
Balkenbrücke. Der Träger beginnt,
sich unter seinem eigenen Gewicht
durchzubiegen, und kann sogar
brechen, auch ohne zusätzliches
Gewicht von oben. Im Falle
der K’NEX Brücken liegt der
Schwachpunkt an den Verbindern.
Die gibt die Möglichkeit die Auswirkungen von Druck – und Zugkräften genauer zu betrachten. Vielleicht
wollen Sie das noch einmal mit einem Stück Schaumgummi demonstrieren. (siehe Seite 6 Grundsätze.)
Druck auf die Oberseite des Schaumgummis quetscht das obere Ende und die Linien bewegen sich aufeinander
zu, die Unterseite wird zur gleichen Zeit auseinandergezogen, die Linien bewegen sich voneinander weg.
31
Übung II: Wie eine Balkenbrücke erweitert und verstärkt wird.
Schritte
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen.
1. Bitten Sie die Schüler, ihre Brücken auf
ein Stück Papier zu stellen und vorsichtig
die inneren vorderen Enden von jedem
Pfeiler zu markieren. Diese Markierungen
dienen als Referenz für alle Veränderungen
am Abstand zwischen den Pfeilern.
Schlagen Sie vor, dass die Schüler mit
zwei Fingern fest auf die Platten an jedem
Ende der Brücke drücken und beobachten,
was mit den Stäben geschieht (falls etwas
geschieht), die sich über die Brücke und
die beiden Pfeiler spannen.
Übung aus dem Bau-Set
Jede Gruppe soll nun die K’NEX Balkenbrücke auf Seite 2 der K’NEX Anleitung bauen. Geben Sie ihnen etwas
Zeit, die Brücke nach dem Bauen etwas zu erkunden. Sie können eine Spielzeugauto oder ähnliches über die
Brücke fahren lassen.
Genaue Beobachtungen an der einstürzenden Bücke
zeigen, dass sich die Verbinder an der Unterseite
öffnen. Dies zeigt, dass die Brücke an der Unterseite
auseinandergezogen wird, d.h. Zugkräften ausgesetzt ist.
Die Oberseite des Trägers wird gequetscht, es wirken
Druckkräfte. Eventuell lösen sich die Verbinder sogar,
wenn genug Zugkraft daran angreift.
Sie sollten feststellen, dass es keinerlei
Formveränderung bei den Stäben und keine
Bewegung der Pfeiler gibt. Sie werden eine
leichte Absenkung der Platten sehen, wenn sie
von oben gedrückt werden.
Balken
Bitten Sie die Schüler, die K’NEX Teile
wieder einzusortieren, bevor sie mit der
nächsten Übung beginnen. Teilen Sie die
Klasse anschließend in Gruppen von 2
Schülern, jede Gruppe erhält ein Set.
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32
2. Sie sollten dann den Druck auf
die mittlere Platte ausüben und
beobachten, was nun mit den
Stäben und den Pfeilern geschieht.
3. Nun werden an der Mitte der Brücke Gewichte aufgelegt, eins nach dem anderen und die Schüler sollen
herausfinden, wie viel Gewicht die Brücke tragen kann, bevor sie anfängt, sich durchzubiegen. Die
Beobachtungen können in eine Datentabelle wie unten gezeigt, eingetragen werden. Sie sollen dabei das
steigende Gewicht in die Felder eintragen und markieren, bei welchem Gewicht, sich die Stäbe durchbiegen
und die Pfeiler sich bewegen. Wenn genug Zeit vorhanden ist, kann solange Gewicht aufgeladen werden,
bis die Brücke einstürzt.
4. Halten sie ein Lineal an die Mitte
der Brücke und messen sie den
Unterschied in der Entfernung
von Deck und Tisch, wenn ein
Gewicht hinzugefügt wird.
5. (a) Bitten Sie die Schüler, die lange
Brücke auf Seite 3 der Anleitung
zu bauen und die Schritte 2
und 3 zu wiederholen. Gibt es
Änderungen beim Verhalten der
Stäbe? Wenn ja, welche?
(b) Wiederholen sie Schritt 4 mit den Gewichten. Tragen sie die Ergebnisse in die Tabelle ein.
(c) Sie Schüler sollten die Ergebnisse aus den beiden Versionen vergleichen.
6. Bitten Sie die Schüler nun, das schwarze Deck der langen Balkenbrücke zu entfernen und die Schritte 2
und 3 noch einmal zu versuchen. Jetzt wird aber direkt Druck auf die Verbinder, die die grünen Stäbe
und die Pfeiler halten, ausgeübt. Die Beobachtungen werden in die Hefte eingetragen.
Jetzt stellen sie fest, dass Druck an dieser Stelle eine
Bewegung der Stäbe und der Verbinder verursacht, sie
biegen sich leicht durch, während die Pfeiler beginnen,
sich auseinanderzuspreizen. Sie können die Bewegung der
Pfeiler messen, indem sie den neuen Standort markieren
und es mit dem Ausgangspunkt vergleichen.
Wenn das Deck beginnt abzusinken, sollten die
Messungen dies auch wiedergeben.
Die Schüler sollten herausfinden, dass die lange Balkenbrücke in der Mitte stärker absinkt als die kurze
Balkenbrücke und sich die Pfeiler weiter auseinander bewegen. Außerdem sollten sie erkennen, dass die
lange Brücke mit weniger Gewicht einstürzt als die Kurze.
Die Erkenntnisse sollten ähnlich sein wie die in den
Schritten 2 und 3 oben.
Brückenteile
biegen sich
Pfeiler bewegen
sich voneinander
KURZE BALKEN-
Gewicht Gewicht Gewicht Gewicht Gewicht
BRÜCKE
Datentabelle
Brückenteile
biegen sich
Pfeiler bewegen
sich voneinander
LANGE Gewicht Gewicht Gewicht Gewicht Gewicht
BALKENBRÜCKE
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Anwendung
Besprechen Sie die Ergebnisse bezüglich der Anwendung von Druckkraft an den beiden Punkten an den
zwei Brücken und der Anwendung von Gewichten.
Bitten Sie die Schüler, ihre Beobachtungen heranzuziehen, um die folgenden Fragen in ihren Heften zu beantworten:
Wo ist der schwächste Punkt
jeder Brücke?
Welche Brücke hat eine höhere
Tragfähigkeit?
Welchen Effekt hat die
Fahrbahndecke in Bezug auf die
Tragfähigkeit einer Brücke?
Diskutieren Sie, wie Bauwerke bei Belastung einstürzen können und inwieweit das Gewicht des Bauwerks selbst
berücksichtigt werden muss. Bei Brücken kann dies auch zum Durchbiegen eines Trägers führen.
Aus diesem Grund müssen Ingenieure einen Weg finden, wie die Träger gefestigt werden können und somit mehr
Stabilität erzeugt werden kann.
Welche weiteren Modifikationen können
vorgenommen werden, um die Brücke
zu verstärken?
Fordern Sie die Klasse auf, darüber
nachzudenken, welche Vor- und Nachteile
es hat, weitere Pfeiler hinzuzufügen,
um den Träger zu verstärken und mehr
Brückentafeln zu schaffen. Halten Sie die
Ideen an der Tafel fest.
Können sie sagen, warum die K’NEX
Balkenbrücke sich nicht so verhält wie
die Balkenbrücke auf den Fotos?
Bitten Sie die Schüler, das Arbeitsblatt Nr. 1 – Balkenbrücken - zu vervollständigen und die Teile einer Balkenbrücke
zusammenzufassen.
Besprechen Sie wie die Einschränkungen einer Balkenbrücke den Einsatz beeinflussen können und wieso daher
andere Brückenarten nötig sind.
33
Die Schüler schlagen vielleicht die Mitte der Brücke und die
Verbinder vor.
Das Hinzufügen von PFEILERN.
Die kurze Balkenbrücke.
Das Deck gibt der Brücke zusätzliche Stabilität, durch eine
weitere Schicht, die hilft, den Druckkräften zu widerstehen.
Das Hinzufügen von Pfeilern, erhöht die Einsatzmöglichkeiten
einer Balkenbrücke; Pfeiler auf Land zu bauen ist relativ
einfach; sie erhöhen die Kosten des Bauwerks; das Bauen
wird schwieriger, wenn die Fundamente der Pfeiler im Wasser
liegen; für die Durchfahrt von Schiffen, wird Platz benötigt.
Wenn die Brücke beladen wird, werden die beiden Pfeiler
anfangen sich auseinanderzuspreizen, sobald der Träger sich
biegt. Auf dem Foto von der echten Balkenbrücke sind beide
Enden der Brücke fest verankert. Wenn verhindert wird, dass
die beiden K’NEX Pfeiler sich bewegen können, wird die
Stabilität der K’NEX Brücke stark erhöht.
Balken
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34
Weiterführend
1. Bitten Sie die Schüler folgendes zu überlegen:
„Wenn du eine Brücke entwirfst, die über einen Fluss führt, willst du vielleicht, dass die Brücke möglichst
wenige Pfeiler hat. Liste Gründe auf, warum die Brücke aus diese Art gebaut werden soll.“ Sie sollten ihre
Antworten in die Hefte übertragen.
2. Fordern Sie die Schüler auf, Bilder von Balkenbrücken zu finden oder ein Beispiel einer Brücke aus ihrer
Umgebung zu wählen und die Pfeiler, Träger und Spannweiten der verschiedenen Beispiele zu vergleichen.
Sie sollten dabei auch das für die Pfeiler verwendete Material beachten (Holz/Metall/Beton), ihre relative
Größe (kurz/hoch/breit/schmal), Abstand (kurz/weit), den Ort der Verankerung (Wasser/Land). Träger können
lang oder kurz sein, breit oder schmal, aus Holz, Metall oder Beton, als Fußweg oder Fahrbahn dienen.
Brückentafeln können in Länge und Anzahl variieren.
Hefteinträge:
4
Antwort zu Schritt 1 der Übung I.
4
Graphik und Aufzeichnungen zum Brückentest.
4
Vollständige Datentabelle zu Übung II.
4
Vergleich von kurzen Balkenbrücken und langen Balkenbrücken im Hinblick auf die Tragfähigkeit.
4
Auswirkung der Decke bei der Balkenbrücke.
4
Ausgefülltes Arbeitsblatt, das die Teile der Balkenbrücke aufzeigt.
NOTIZEN:
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EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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Die Fachwerkbrücke:
Experimente zur Stabilität einer Fachwerkbrücke
35
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erinnern Sie die Schüler an ihre
Untersuchungen bezüglich der Stabilität
von Balkenbrücken. Wiederholen Sie
die Methoden der Verstärkung bei
Balkenbrücken.
Erinnern Sie die Schüler, dass das
Hinzufügen von Pfeilern bei einer
Balkenbrücke nicht immer eine
praktikable Option ist, besonders wenn ein
sehr tiefer oder breiter Fluss überspannt
werden soll. Fragen Sie, ob sie einige
Gründe nennen können.
Sagen Sie den Schülern, dass eine lange,
starke Brückentafel nötig ist und fragen
sie, welche anderen Möglichkeiten es
gibt, wenn das Hinzufügen von Pfeilern
keine Alternative ist. Halten Sie die Ideen
an der Tafel fest und bitten Sie sie um
Erklärungen für die Vorschläge.
HINWEIS: Das Kräfte-Labor unter www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge gibt einige sehr nützliche
Hintergrundinformationen zu diesem Thema. (Englisch)
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Herausfinden, dass Bauwerke einstürzen können und Methoden erforschen, die sie verstärken
und festigen können.
2. Verstehen, dass ein Experimentier-Modell für Tests nötig ist.
3. Einen Versuch planen und durchführen.
4. Die Stabilität einer Fachwerkbrücke mit Hilfe von Experimenten untersuchen.
5. Erklären, warum ein Fachwerk eine nützliche Konstruktion für Brücken und andere Bauwerke ist.
MATERIAL
Jede Gruppe von 2 Schülern
benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- Papier
- Bleistift
- Buntstifte/Marker
- Waage
- Schnur/Band zum Aufhängen der Gewichte
- Schulhefte
Fachwerk
Es ist schwer, Pfeiler im Flussbett zu versenken, oder zu
teuer, oder sie wären zu lang und instabil.
Die Schüler denken vielleicht an den Gebrauch von festerem
Material oder an das Verstärken der Brückentafel.
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Die Schüler werden überwiegend das Hinzufügen von
Pfeilern anführen.
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Fragen Sie die Klasse, welche anderen Gebilde stark und fest sind – welche Formen werden in diesen Strukturen
verwendet. Wenn nötig, erinnern Sie die Schüler, wie rechteckige Gebilde mit einer diagonalen Strebe verstärkt
werden können (Triangulation). Die Schüler können das selbst herausfinden, wenn dies in den vorbereitenden
Übungen noch nicht gemacht wurde.
36
Erklären Sie der Klasse, dass Dreiecke
besonders starke Formen sind – es ist die
einzige geometrische Form, die nicht aus
der Form gebogen werden kann. Fragen sie
die Klasse, ob sie irgendein großes Gebilde
mit Dreiecken kennen.
Erklären Sie, wie Ingenieure die Stabilität von Dreiecken nützen und ein Gerüst genannt FACHWERK kreieren.
Fachwerke können für den Bau von langen Brückentafeln genützt werden und die Stabilität erhöhen, ohne der
Brücke Gewicht hinzuzufügen, was ein dickerer Träger tun würde. Die Fachwerkbrücke wurde wie ein Gitterwerk
aus Dreiecken konstruiert, die das Gebilde daran hindern, sich zu biegen, zu verdrehen oder aus der Form zu
ziehen.
Übung aus dem Bau-Set (optional)
Bitten Sie die Schüler ein Quadrat aus
8 K’NEX Teilen zu bauen. (Vorschlag:
Verwenden sie 4 gelbe Stäbe und 4 rote
90 Grad Verbinder.
Nun sollen sie versuchen, das Quadrat
leicht zu drehen und zu biegen. Fordern
Sie sie nun auf einen weiteren Stab
hinzuzufügen und fragen Sie, was ihnen
auffällt. (sie können einen roten Stab
als Diagonale verwenden.)
Fragen Sie, welche Form durch das
Hinzufügen des Stabes entstanden ist.
Die Schüler sollten antworten, dass das Hinzufügen des
Stabs das Quadrat weniger flexibel macht.
Die Schüler nennen vielleicht die dreieckigen Enden an
ihrer Schaukel, den Giebel eines Hauses. Zeigen Sie
eventuell Bilder.
ZWEI Dreiecke
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Übung I:
Schritte
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen
Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor.
1. Bitten Sie die Schüler, ihre Grundbalkenbrücke zu untersuchen und dabei auf die zu drücken, und dann
vorherzusagen, welches Gewicht die Brücke möglicherweise tragen kann.
2. Fragen Sie die gesamte Klasse, was sie denken, wäre ein ordentlicher Test wäre, um die Stärke einer Brücke
zu messen. Sie sollten ihnen helfen, zu verstehen, dass ein ordentlicher Vergleich nur dann gegeben ist,
wenn die für den Test angewandten Methoden gleich sind.
3. Wahrscheinlich schlagen die Schüler vor, Gewichte für das Messen der Stärke einzusetzen. Nützen Sie
Fragetechniken, um zu erklären, wo und wie Gewicht platziert werden sollten. An diesem Punkt können Sie
den Begriff ‘variabel‘ einführen. Die Schüler sollten verstehen, dass die Gewichte in jedem Versuch an der
gleichen Stelle platziert werden müssen. Damit ist die Höhe des Gewichts die einzige Variable und nicht die
Art, wie das Gewicht verteilt wurde.
HINWEIS: Das Hängen der Gewichte an die Unterseite ist ein gleichmäßigeres Testverfahren als das
Platzieren der Gewichte auf die Brückendecke. Wenn sie Gewichte an die Unterseite hängen, sollte die Brücke
aber die Lücke zwischen zwei Tischen oder Stühlen überspannen.
4. Sie sollten das Gewicht notieren, mit dem die Brücke einstürzt und eine Notiz zum Schwachpunkt machen.
Sammeln Sie alle Ergebnisse ein und zeigen Sie sie an der Tafel.
5. Bitten Sie die Schüler, sich die verschiedenen Ergebnisse an der Tafel anzusehen. Fragen Sie, ob es dabei
irgendwelche Informationen gibt, die nicht mit denen der anderen Gruppen übereinstimmen. Gibt es
Erklärungen für die unterschiedlichen Daten?
37
Sie können die Gelegenheit nützen und den Begriff Stabilität einführen. Stabilität ist die Fähigkeit,
sich Deformierungen, Ausbeulen und dem Einstürzen zu widersetzen. (Im Punkt Schlüsselbegriffe
finden Sie weitere Informationen zu diesem Thema.)
Erklären Sie den Schüler, dass sie mehrere Versionen einer Fachwerkbrücke bauen werden und die Stärke eines
Fachwerks untersuchen werden.
Die Schüler sollen in Zweiergruppen zu arbeiten und verteilen Sie ein K’NEX Brücken-Set und eine Anleitung
an jede Gruppe.
Übung aus dem Bau-Set:
Jede Gruppe sollte nun die Schritt 1 der Warren Fachwerkbrücke auf Seite 4 der Anleitung bauen.
Sagen Sie ihnen, dass sie die Schritte 2 und 3 nicht bauen sollen, bevor sie die Tragfähigkeit der
Grundbalkenbrücke getestet haben.
Übung aus dem Bau-Set II
Bitten Sie die Schüler eventuell nötige Reparaturen an ihrer Brücke vorzunehmen und dann mit den
Schritten 2 und 3 der Bauanleitung fortzufahren und die Warren Fachwerkbrücke fertig zu bauen.
Fachwerk
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38
Übung II: Wie stark ist die Brücke wenn eine Fachwerkkonstruktion
hinzugefügt wird?
Schritte
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen.
1. Die Schüler sollten ihr Bauwerk erneut testen und dabei den gleichen Experimentaufbau verwenden wie davor.
2. Wenn alle Ergebnisse notiert
wurden, bitten Sie die Klasse,
in Gruppen von 4 Schülern zu
arbeiten und 2 Varianten der Warren
Fachwerkbrücke zu bauen: Das
Howe Fachwerk und das Baltimore
Fachwerk. Diese werden auf der
Seite 5 der Bauanleitung gezeigt.
3. (i) Wenn die Gruppen beide Brücken
gebaut haben, fragen Sie, was ihnen
am Design auffällt.
(ii) Ermuntern Sie die Schüler, Vorhersagen bezüglich der Anzahl von Dreiecken und der damit verbundenen
Verstärkung der Brücke zu machen. Diese Vorhersagen werden dokumentiert.
4. (i) Bitten Sie jedes Team, seine neuen Entwürfe zu testen und die Ergebnisse in eine Tabelle wie unten angeführt
einzutragen. Sie sollten auch Zeichnungen anfertigen.
(ii) Die Schüler sollen die Dreiecke in jedem Brückengebilde zählen. Die Ergebnisse werden ebenfalls in die Tabelle
eingetragen.
(iii) Was stellen sie fest?
5. Werten Sie die Ergebnisse aus.
Fragen Sie, warum die Schüler die
K-Fachwerkbrücke geprüft haben,
obwohl sie nicht mit den anderen
Modellen vergleichbar ist. Bitten Sie
sie, sehr genau auf die Anleitung für
die K-Fachwerkbrücke zu schauen
und sie mit den drei anderen
Brücken auf den Seiten 4 und 5
zu vergleichen.
Sie sollten zu Vergleichszwecken ein oder zwei Modelle der
Warren Fachwerkbrücke verfügbar haben.
Die Schüler sollten feststellen, dass die Anzahl der
verwendeten Dreiecke variiert.
Den Schülern sollte auffallen, dass der Bau eines komplexen
Gitternetzes von Dreiecken die Stärke und Stabilität einer
Brücke erhöhen.
Helfen Sie den Schülern, herauszufinden, dass die
K-Fachwerkbrücke eine andere Länge besitzt.
Datentabelle
Warren Fachwerk
Howe Fachwerk
Baltimore Fachwerk
NAME DES BRÜCKENMODELLS MAXIMALE LAST ANZAHL DREIECKE
(GEWICHT) IM BAUWERK
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Anwendung
Wiederholen Sie Folgendes mit der Klasse:
Wie nennt man das Gerüst aus
Dreiecken, das man einer einfachen
Balkenbrücke hinzufügt?
Was passiert mit der Höhe des
Trägers, wenn ein Fachwerk
hinzugefügt wird?
Warum verwenden Ingenieure
Dreiecke für diese Bauwerke?
Nehmen Sie Bezug auf die Ergebnisse der Schüler, in welchem Verhältnis die Anzahl der Dreiecke zur
Lastverträglichkeit stehen. Bitten Sie die Schüler die Erkenntnisse in ihre Heft zu übertragen und dabei den
passenden Wortschatz zu verwenden.
Die Schüler sollen eine Erklärung dafür notieren, warum ihr Testverfahren aussagekräftige Ergebnisse liefert.
(für höhere Klassen geeignet.)
Sprechen Sie mit den Schülern über die Vorteile einer Fachwerkbrücke.
Verweisen die die Schüler auf die Seite 5 der Bauanleitung , wo erklärt wird, wie diese Brückenart für das Tragen
von schweren Zügen und dem damit verbundenen Problem der Stoßkraft entwickelt wurde. (Lesen Sie den
Abschnitt „Grundsätze für weitere Informationen“ hierzu.) Brückenbauer fanden heraus, dass der Einsatz von
Dreiecken in dem Bauwerk es ihnen ermöglichte, hohe Träger zu verwenden, die mehr Nutzlast tragen konnten.
Das Fachwerk macht den Träger nicht nur steifer, es verteilt die Druck- und Zugkräfte über die gesamte
Struktur, wenn eine Last angreift. Bei Balkenbrücken wurde der obere Teil des Trägers gequetscht und der
untere Teil auseinandergezogen und er begann, sich zu biegen. Bei der Fachwerkbrücke wird der Zug am
unteren Ende des Decks auf die Teile des Fachwerks gelenkt, so bleibt das Unterteil des Decks fest. Die besonders
wichtig beim Transport von hohen Gewichten.
Bitten Sie die Schüler zu überlegen, wie eine Fachwerkbrücke starken Winden Stand halten kann. Führen Sie die
dahin, dass bei einem offenen Fachwerk die Winde durch das Gerüst blasen können und damit die Auswirkungen
der Windkraft (Umweltbedingte Kräfte) reduziert werden.
Erklären Sie einige der Einschränkungen
bei diesem Design, wenn die Spannweite
erweitert wird. Bitten Sie die Schüler
nachzudenken, was mit der Brücke
geschieht, wenn immer mehr
Fachwerkelemente hinzugefügt werden,
um es über breitere Hindernisse zu
spannen. Wenn nötig, erinnern die die
Schüler an vorangegangen Stunden.
Bitten Sie die Schüler, die Vor- und Nachteile einer Fachwerkbrücke in ihre Hefte zu dokumentieren. Dabei sollten
sie die verschiedenen Arten von LASTEN berücksichtigen.
39
Fachwerk
Sie wird größer.
Das Dreieck ist für seine Stabilität bekannt und wird verhindern,
dass der Träger sich biegt, verdreht oder aus der Form gerät.
Es erhöht die Stabilität des Bauwerks und macht es fester.
Sie sollten anmerken, dass die EIGENLAST der Brücke
steigen würde, bis sie so hoch ist, dass sie sich nicht mehr
selbst stützen kann. Eine größere Spannweite bedeutet auch,
dass eine höhere Nutzlast einwirken könnte, da mehr Verkehr
auf die Brücke passt.
Fachwerk
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40
Weiterführend
1. Fragen Sie, was bei Balkenbrücken
und Fachwerkbrücken gleich ist.
Wie unterscheiden sie sich?
2. Arbeiten in Zweierteams:
Bitten Sie die Schüler, ihr eigenes Design und einen eigenen Plan für eine Fachwerkbrücke zu erstellen. Jedes
Paar kann seine eigene Brücke bauen, oder eine anderes Team bitten, die Brücke nach den jeweiligen Plänen
zu bauen.
3. Design Aufgabe – Baue eine Fachwerkbrücke mit einer Spannweite von 50cm, die das Gewicht eines
Wörterbuchs tragen kann.
2 Gruppen arbeiten zusammen als Design-Team.
Sie haben 10 Minuten Zeit für die Planung und 20 Minuten für den Bau der Brücke. Sie brauchen vielleicht
den Inhalt von zwei Sets.
Jede Gruppe testet anschließend ihre Brücke, während die anderen Gruppen beobachten. Alle Gruppen
sollen nacheinander:
(i) die Probleme, die sie hatten darstellen und beschreiben, wie sie das gelöst haben.
(ii) Vorschläge machen, wie das Design verbessert werden könnte.
Achten Sie auf die Verwendung der richtigen Begriffe.
4. Bitten Sie die Schüler, das Arbeitsblatt Nr. 2 Fachwerk-Mix zu bearbeiten und so viele Fachwerkvariationen
wie möglich zu erkennen. Diejenigen, die sie nicht kennen, sollten mit Hilfe der Bibliothek oder dem Internet
gesucht werden.
Hefteinträge
4
Daten zum Gewicht, bei dem die Brücke mit und ohne Fachwerk einstürzt.
4
Vollständige Datentabelle zum Vergleich der drei Arten von Fachwerkdesigns.
4
Verhältnis zwischen der Anzahl von Dreiecken und der Stabilität der Brücke.
4
‘Ausgewogenes‘ Testverfahren
4
Vor- und Nachteile von Fachwerkbrücken (nur bei höheren Klassenstufen.)
Die Schüler finden wahrscheinlich heraus, dass beide Brücken
Balkenbrücken sind und die gleichen Grundbauteile besitzen.
Eine Fachwerkbrücke verwendet aber ein Gerüst aus Dreiecken
und ist meist länger und stabiler. Vielleicht vergleichen sie auch
die Materialien, aus denen diese Brückenarten gebaut werden
können.
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Die Auslegerbrücke:
Ein Balanceakt: die charakteristischen Eigenschaften von
Auslegerbrücken erkennen.
41
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erklären Sie, wie mit der Zunahme von Handel und Reisen und mit der Entwicklung neuer Transportformen der
Bedarf an Brücken, die schwere Lasten über weiteren Strecken tragen konnte, wuchs. Erinnern Sie die Schüler,
dass sie in der vorangegangen Stunde erfahren haben, wie mit der FACHWERKbrücke einige der Probleme von
Ingenieuren überwunden werden konnten. Für das Überspannen einer weiten Mündung musste jedoch eine neue
Lösung gefunden werden.
Fragen Sie die Schüler, was sie unter
einer Mündung verstehen.
Fragen Sie, welche Probleme ein
Ingenieur haben könnte, wenn er eine
Brücke über einer Mündung bauen
möchte.
Schlagen Sie vor, dass die Schüler nach Beispielen für Mündungen im Internet suchen und herausfinden, warum
die bisher kennengelernten Brückenarten hier nicht geeignet sind.
Erklären Sie, dass in manchen Fällen eine Flussmündung mit Hilfe eines Tunnels durchquert werden kann, aber
dass dies nicht in jedem Fall eine praktikable Lösung darstellt. Eine Alternative ist die AUSLEGERbrücke. Dieses
Brückendesign ist nicht neu – kleine Holzauslegerbrücken wurden in China und im Tibet bereits vor mehr als
2.000 Jahren gebaut – längere Auslegerbrücken, fähig schweren Eisenbahnverkehr zu tragen, konnten erst gebaut
werden, als Stahl für den Brückenbau im späten 19. Jahrhundert verfügbar wurde.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Das Konzept einer Auslegerbrücke darstellen und erklären.
2. Die Kräfte, die auf eine einfache Pfeiler und Spanndecken Konstruktion einwirken beschreiben.
3. Die räumlichen Beziehungen zwischen den Teilen einer Auslegerbrücke erkennen und verstehen.
4. Die Anwendung des Auslegerprinzips bei anderen Bauwerken identifizieren und beschreiben.
MATERIAL
Jede Gruppe mit 2 Schülern
benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- 5 (oder 9) Bücher oder Holzblöcke ähnlicher
Größe
- Schulhefte
Sie benötigen:
- 5 Meterstäbe
- 2 Stühle
- 2 x 5-6 zusammengebundene Bücher
Ausleger
Die Öffnung eines Flusses, wo er in das Meer oder den
Ozean fließt. Normalerweise ist es die breiteste Stelle des
Flusses und auch den Gezeiten unterworfen.
Große Wasserausdehnung; Sumpfland macht es schwer,
feste Fundamente einzubauen; große Schiffe müssen
vielleicht über den Fluss bis zu einem Hafen fahren; die
Gezeiten sorgen für große Unterschiede in Bezug auf den
Wasserpegel.
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Pfeiler
1
2 3
5 4 6
78
9
Brückentafel
Was ist ein Ausleger?
Helfen Sie den Schülern, zu verstehen, dass die Auslegerbrücke eine weitere Variante der Fachwerkbrücke ist.
Erklären Sie, dass im Gegensatz zum Fachwerk und der einfachen Balkenbrücke, die Träger bei einem Ausleger keine
zwei Pfeiler zur Stütze benötigen, nur einen. Brücken, die dieses Prinzip nützen werden aus mehreren Auslegern
zusammengesetzt und beinhalten oft einen zusätzlichen Träger, der von Auslegergebilden unterstützt wird.
Die Schüler sollen sich zwei Sprungbretter vorstellen, auf jeder Seite des Flusses eines. Die Bretter ragen in den
Fluss hinein und treffen sich und bilden eine komplette Brückentafel, oder ein weiterer Träger liegt auf beiden
Brettern auf und formt eine noch längere Brückentafel.
Zeichnen Sie eine Skizze an die Tafel und zeigen Sie das Prinzip.
Zeigen Sie das Prinzip des Auslegers, indem Sie die Schüler bitten, einen Ausleger aus Büchern oder Holzblöcken
zu bauen.
Die Schüler arbeiten in Gruppen und verwenden jeweils 5 Bücher (oder Holzblöcke). Stellen Sie zwei Bücher
aufrecht, um die Pfeiler darzustellen. Legen Sie auf jeweils ein Buch auf den Pfeiler, den sogenannten Ausleger.
Jeder Pfeiler mit Ausleger sollte aussehen wie der Buchstabe T. Als nächstes verbinden Sie die beiden Ausleger
durch ein Buch über der Lücke zwischen den beiden und balancieren es aus.
Fordern Sie die Schüler auf, zu experimentieren und die Ausleger näher zusammenzuschieben oder weiter
auseinander.
Alternativ kann der Ausleger aus einem symmetrischen Stapel aus 9 Büchern gebildet werden, alle Bücher
liegen dabei horizontal. Bei der Anordnung der Bücher, sehen die Schüler, dass der Stapel Stützen braucht.
Wenn der Stapel seitlich ausgebaut wird, beginnt er zu kippen. Das Gebilde wurde instabil, nach der
Fertigstellung, ist das gesamte Bauwerk aber stabil.
Bitten Sie die Schüler die Formen, die sie auch den Büchern gebaut haben, mit den Fotos der Forth Railway Bridge
auf Seite 6 der Bauanleitung zu vergleichen. Sie sind beide sehr ähnlich. Können sie die Ausleger bei der echten
Brücke erkennen?
Erklären Sie den Schülern, dass sie die Eigenschaften einer Auslegerbrücke untersuchen werden, indem sie zuerst
ein Modell aus K’NEX bauen. Teilen die die Klasse in Gruppen von 2 Schülern ein.
42
Ausleger Ausleger
Pfeiler Pfeiler
Zusätzlicher Träger
Ausleger
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Übung I:
Wie kann ein Ausleger ausbalanciert werden?
Schritte
1. Die Schüler sollten in Zweiergruppen
arbeiten. Bitten Sie sie, ihre Fahrbahndecke
an einem Ende horizontal über ihren
Tischen zu halten. Dies hilft ihnen, die
Kräfte zu spüren, die dabei auftreten.
Was fällt ihnen auf?
2. Setzen Sie kleine Gewichte auf die
Außenseiten und simulieren sie damit eine
Last auf der Brücke – Was spüren sie jetzt?
3. Setzen Sie die Fahrbahndecke nun auf ein
aufrecht stehendes Buch, so dass es davon
gestützt wird (so wie es vorher mit der Hand
geschehen ist). Setzen Sie nun Gewicht
auf den Teil der Brücke, der auf dem Buch
aufliegt. Kann der Ausleger mit diesem
Gewicht ausbalanciert werden?
4. Sie sollten den Schülern helfen, zu verstehen, dass der Ausleger balancieren muss, dies kann erreicht werden
durch:
(i) wenn jede Brückentafel nach hinten ausgedehnt wird, weg vom Turm/Pfeiler um eine T-Form zu
bilden.
(ii) durch Hinzufügen von Gegengewichten oder Verankerungen an den Enden der Ausleger, wo sie das
Ufer berühren. Diese Verankerungen fungieren als Gewicht an einer Seite des Auslegersystems, und so
kann der Teil der Fahrbahndecke, der nach dem Pfeiler über dem Wasser ragt, länger sein. (Es liegt in
ihrem Ermessen, ob die nachfolgenden Übungen für ihre Schüler geeignet sind.)
5. Bitten Sie die Schüler, wieder auf ihre
balancierte Fahrbahndecke auf dem Buch
zu schauen und sich Wege zu überleben,
wie das Auslegersystem verstärkt werden
könnte. Sie können nicht mehr Pfeiler zu
dem Brückenabschnitt hinzufügen, der
sich über dem Wasser erstreckt.
6. Notieren Sie die Vorschläge an der Tafel. Diskutieren Sie die Ergebnisse und die möglichen Lösungen zur
Abstützung des Ausleger-Systems. Helfen Sie ihnen, zu erkennen, dass das Ausleger-System durch Hinzufügen
von anderen Brückenbautechniken wie dem Fachwerk verstärkt und verbessert werden kann.
7. Fassen sie zusammen:
Eine Auslegerbrücke besteht im Allgemeinen aus 2 Trägern, jeder Träger wird nur von einem Pfeiler gestützt.
Das Gewicht in einem Ausleger-System wird auf die Pfeiler übertragen und von dort in den Grund oder den
Felsboden weitergeleitet. Jeder Pfeiler ist fest im Untergrund eingebettet und das Deck, das von dem Pfeiler
gestützt wird, ragt über die Seite hinaus. Im Ausleger-System wird das Gewicht der Fahrbahndecke, die
sich über dem Wasser erstreckt, durch das Gewicht des Teils der Decke (und/oder der Verankerungen/
Gegengewicht), das auf der Landseite befindet ausbalanciert. Das entstandene Kräftegleichgewicht
ermöglicht es, dass sich die Decke mit minimaler Abstützung weit über dem Wasser ausdehnen kann.
43
Übung aus dem Bau-Set:
Verteilen Sie eine K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Bitten Sie, nur Schritt 1 (die Fahrbahndecke) des K’NEX Ausleger Modells auf Seite 6 der Bauanleitung
zu bauen.
Ausleger
Sie sollten feststellen, dass es ziemlich schwer ist, die
Decke in horizontaler Position zu halten – Kräfte wirken
darauf ein und drücken nach unten. Es ist instabil.
Sie müssen es fest mit ihren Fingern drücken, um es
horizontal zu halten. Einigen sagen vielleicht, dass
es durch die Schwerkraft nach unten gedrückt wird.
Sie schlagen vielleicht vor, Stützen einzusetzen. Sprechen
Sie über Möglichkeiten, wie schwache Gebilde gefestigt
oder verstärkt werden können. Fordern Sie sie auf, an
Techniken zu denken, die sie bereits vorher eingesetzt
haben, wenn sie ein Bauwerk drücken oder ziehen sollten.
Sie sollten den Einsatz von diagonalen Abstandhaltern,
Fachwerken und Dreiecken anführen. Fragen Sie,
wie sie hier Einsatz finden könnten.
Die Schüler sollten erkennen, dass das Buch nicht
mittig über dem Buch ausgerichtet werden muss, um
es auszubalancieren, solange ein zusätzliches Gewicht
an dem kürzeren Ende abgebracht wird.
Die Fahrbahndecke fühlt sich noch instabiler und
weniger ausbalanciert an.
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44
Aufgabe I:
Was sind die charakteristischen Teile einer Auslegerbrücke und welche Funktion haben sie?
Schritte
1. Bitten Sie die Schüler, zu untersuchen, welche Teile der Brücke ähnlich sind mit Teilen anderer Brücken, die sie
bereits erforscht haben. Welche Teile unterscheiden sich von der Balken- und Fachwerkbrücke? Sie sollten ihre
Beobachtungen in ihre Hefte übertragen.
2. Fragen Sie die Schüler, warum
sich ihr Brückenmodell nach
hinten über die stützenden Pfeiler
ausdehnt.
3. Bitten Sie die Schüler ein Gewicht
(Last) auf die mittlere Brückentafel
zu legen und einen über die Brücke
fahrenden Zug zu simulieren.
Was fällt ihnen in Bezug auf die
Stützpfeiler auf? Alle Beobachtungen
sollten festgehalten werden.
4. Wie wird die Fahrbahndecke
gestützt, so dass sie fest und stabil
genug bleibt und Last tragen kann?
(Für höhere Klassenstufen geeignet.)
5. Schlagen Sie vor, dass die Schüler
die Demonstration von Sir Benjamin
Baker wiederholen, mit der er
die Leute überzeugte, dass die
Konstruktion einer Auslegerbrücke
für den Eisenbahnverkehr über der
Fith of Forth funktionieren würde.
Bitte schauen Sie auf die folgende
Zeichnung.
(a) (i) Bilden Sie 2 Gegengewichte, indem sie schwere Bücher zusammenbinden.
(ii) Stellen Sie zwei Stühle mit einem Abstand von 2-3 Metern voneinander auf.
(iii) Platzieren die die Gegengewichte etwa einen halben Meter von der Außenseite jedes Stuhles.
(iv) Bitten Sie zwei Schüler sich auf die Stühle zu setzen und einen Meterstab in jeder Hand zu halten. Das
eine Ende des Meterstabes sollte jeweils unter den Oberschenkeln festgeklemmt werden. Die Arme sollten
ausgetreckt sein und das andere Ende des Stabes festhalten. Sie sollten so aufrecht wie möglich sitzen.
(v) An die beiden Stäbe werden dort, wo die Hände sie halten, die 5 oder 6 Bücher (Gegengewichte)
angebunden und auf den Boden neben jeden Stuhl platziert.
(vi) Bitten Sie einen dritten Schüler, einen Meterstab zwischen den beiden ausgestreckten Armen
zu halten und die mittlere Brückentafel zu simulieren.
Die Schüler sollten erkennen, dass dies hilft, den Ausleger zu
balancieren - es entsteht einen T-Form.
In ihrem Modell sehen sie, dass die Pfeiler sich
auseinanderspreizen
Aus Sicherheitsgründen wird der Versuch ohne die Person,
die auf dem mittleren Brückentafel sitzt, durchgeführt.
Es gibt ein Fachwerknetz über der Brücke.
Aufgabe aus dem Bau-Set:
Bitten Sie die Schüler, die Schritte 2-6 der Bauanleitung fertigzustellen und zu untersuchen, wie ihre K’NEX
Auslegerbrücke funktioniert.
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45
Ausleger
(b) Halten Sie das Modell einer K’NEX Auslegerbrücke nach oben und zeigen Sie die entsprechenden Teile beim
Modell und der Versuchsanordnung mit den Schülern. Erklären Sie den Schülern, dass die beiden sitzenden
Schüler zwei Auslegergebilde darstellen, wobei ihre Körper die Pfeiler/Türme darstellen, ihre Arme repräsentieren
die oberen Teile eines Auslegers und die Meterstäbe fungieren als Fachwerk oder Stützen. Die Bücher auf beiden
Seiten entsprechen den Gegenwichten oder Verankerungen, die für das Gleichgewicht nötig sind. Der mittlere
Schüler mit dem Meterstab in der Hand repräsentiert eine mittlere Brückentafel, die auf zwei Auslegern aufliegt.
(c) Fragen Sie die Klasse, was mit den
beiden Meterstäben in den Händen
der Schüler geschieht.
(d) Bitten Sie die sitzenden Schüler,
zu beschreiben, wie sich ihre Arme
anfühlen.
(e) Fragen Sie die Klasse, was sie
in Bezug auf die Oberkörper
der Schüler sehen, wenn sie die
Position für einige Minuten halten.
(f) Die Schüler sollten erkennen, dass zwei Kräfte im Gleichgewicht sind - die oberen Teile der Auslegerkonstruktion
(die Arme) stehen unter Zugkraft, die wird aber durch die unteren Teile (Körper und Meterstäbe) ausgeglichen,
das ist Druckkraft.
(Für höhere Klassenstufen geeignet.)
6. Bitten Sie die Schüler ihre eigenen Modell zu untersuchen und dabei entweder leicht nach unten zu drücken,
oder Gewichte hinzuzufügen:
(a) Welche Teile der Brücke stehen
unter Druckkraft?
Sie sagen vermutlich, dass es schwer ist, sie lange ausgestreckt
zu halten - helfen Sie, zu verstehen, dass das was sie fühlen
Zugkraft ist - ihre Arme werden gezogen oder gedehnt.
Die Stützpfeiler und die dreieckigen Fachwerke neben der Decke
stehen unter Druckkraft.
Sie werden feststellen, dass die Oberkörper nach einiger Zeit
nicht mehr aufrecht sind, sondern leicht zusammensinken
- helfen Sie der Klasse zu erkennen, dass die Körper unter
Druckkraft stehen.
Sie sollten bemerken, dass sie sich durchbiegen oder nach unten
gedrückt werden. Sie erfahren Druckkraft.
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46
(b) Welche Teile der Brücke sind
Zugkräften ausgesetzt?
7. Fordern Sie die Schüler auf, das
Modell zu untersuchen und den
Mittelpunkt zu finden. Sind beide
Seiten der Brücke spiegelbildlich?
Welches Wort beschreibt das?
8. Bitten Sie die Schüler
nachzudenken, ob ihr Ausleger
stabil oder instabil ist. Sie sollten
ihren Antworten begründungen
können.
Die Schüler werden erkennen, dass die beiden Seiten ihrer
Brücke Spiegelbilder voneinander sind.
Symmetrie oder symmetrisch.
Sie können dieses Prinzip weiter ausführen und erklären, dass
Symmetrie und Gleichgewicht wesentliche Grundsätze beim
Brückenbau sind. Symmetrie hilft, die Kräfte im Gleichgewicht
zu halten. Beim Brückenbau arbeiten Druck- und Zugkräfte
harmonisch miteinander, sie arbeiten nicht gegeneinander und
unterstützen so das Gewicht der Brücke und das der Nutzer.
Die meisten Brücken sind symmetrisch.
Anwendung
Wiederholen Sie das Auslegerprinzip mit ihren Schülern und stellen Sie folgende Fragen:
Wie viele Träger muss eine
Auslegerbrücke wenigstens haben?
Wie viele Stützen hat jeder Träger
in einem Auslegersystem?
Wie können die beiden Hälften der
Auslegerbrücke alleine stehen?
Die Streben über dem Deck stehen unter Zugkraft, wenn die
Last nach unten drückt.
Zwei - von JEDER Seite des Tales spannt sich eine, sie treffen
sich in der Mitte.
Die Massen müssen im Gleichgewicht sein. Dies bedeutet,
dass das Deck gleichmäßig nach beiden Seiten des Pfeilers
ausgedehnt wird.
Nur eine - jeder Pfeiler stützt eine Hälfte der Brücke.
Die Antworten können wegen der Eigenschaften des
jeweiligen Modells variieren.
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47
Ausleger
Warum sind die beiden Seiten der
Brücke Spiegelbilder von einander?
Die Schüler sollten jetzt eine Zeichnung von ihrem Modell anfertigen, es beschriften und Anmerkungen zur Funktion
hinzufügen.
(Für höhere Klassenstufen geeignet.)
Bitten Sie die Schüler, die Demonstration von Bakers Auslegerprinzip zu beschreiben. Sie sollen in beschrifteten
Zeichnungen die Teile der Brücke farbig markieren, die Zugkräften ausgesetzt sind und diejenigen, die Druckkräften
unterliegen.
Fordern Sie die Schüler auf Symmetrie und Gleichgewicht vergleichen und ihre Erkenntnisse zu fixieren. Sie können
ihre Antworten illustrieren.
Weiterführend
1. Design-Aufgabe
Zwei Gruppen bilden ein Brückendesignteam. Ihre Aufgabe ist es, eine Auslegerbrücke zu bauen, die zwei
Wörterbücher tragen kann und 60 cm überspannt. Sie haben 20 Minuten für die Planung und 30 Minuten für
den Bau des Modells. Sie benötigen den Inhalt von zwei Bau-Sets.
Bevor sie mit der Konstruktion ihrer Brücke beginnen, sollten die Schüler über Folgendes nachdenken:
Mit welcher Methode werden sie ihre Ausleger stützen - wo wird die meiste Unterstützung nötig sein?
Jede Gruppe testet dann ihre Brücke, während die anderen Gruppen zusehen. Bitten Sie jede Gruppe:
Ihre Probleme, die sie mit ihrem Bauwerk hatten, mitzuteilen und zu beschreiben, wie sie das gelöst haben.
Vorzuschlagen, wie ihr Design verbessert werden könnte.
Bitten Sie die Schüler, den korrekten Wortschatz und die entsprechenden Begriffe zu verwenden.
2. Fordern Sie die Schüler auf, eine der größten Auslegerbrücken der Welt zu erforschen, die Forth Railway Brücke,
die die Firth of Forth in der Nähe von Edinburgh, Schottland überspannt und 1890 erbaut wurde. Erzählen Sie,
dass diese Brücke auch einmal die längste Brücke der Welt war.
3. Bitten Sie die Schüler mit Hilfe der Bibliothek und des Internets weitere Nachforschungen über Bauwerke
anzustellen, die das Auslegersystem in ihrem Design integriert haben. Zum Beispiel die Dächer vieler
Fußballstadien.
Ein symmetrisches Design hilft, die auf eine Brücke
einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht zu halten. Eine
symmetrische Brücke sieht auch ansprechender aus.
Hefteinträge
4
Beschriftete Zeichnung der Modellbrücke, Notizen zur Funktion der Teile.
4
Zug- und Druckkräfte bei der Brücke (höhere Klassenstufe).
4
Beschreibung der Baker Ausleger-Demonstration mit beschrifteter Zeichnung (höhere Klassenstufen).
4
Vergleich von Symmetrie und Gleichgewicht.
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48
Die Klappbrücke:
Eine Brücke, die sich bewegt.
49
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Wiederholen Sie mit der Klasse, wie eine Brücke es möglich macht, dass Fußgänger, Radfahrer, Fahrzeuge und
Züge über einen Fluss, eine Flussmündung oder einen Kanal von einem Ufer zum anderen gelangen.
Bitten Sie die Schüler, das Foto der Forth Railway
Bridge auf Seite 6 ihrer Bauanleitung anzusehen
und herauszufinden, welche Art von Verkehrsmittel
hier Probleme haben könnte. Helfen Sie den
Schülern, zu erkennen, dass es für einige große
Schiffe schwer sein könnte, unter der Brücke
durchzufahren. Erklären Sie, dass dieses Problem
mit Brücken immer gegeben war - zu der Zeit von
Segelschiffen, waren die Masten oft zu hoch, um
die Brücke zu passieren, heute ist es manchmal der
Schiffsrumpf selbst, der die Fahrt durch eine Brücke
verhindert.
Führen Sie die Schüler zu der Erkenntnis, dass
eine Auslegerbrücke wie die Forth Railway Bridge
sehr hoch sein müsste, um einige moderne Schiffe
sicher passieren zu lassen. Fragen Sie, welche
weiteren Probleme dies für die Ingenieure und
Konstrukteure darstellen würde.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Das Modell einer beweglichen Brücke bauen und zeigen, wie es funktioniert.
2. Die Einschränkungen einer Klappbrücke identifizieren.
3. Den Betrieb einer Klappbrücke erklären.
4. Wortschatz in Verbindung mit dem Klappbrücken-System verstehen und verwenden.
MATERIAL
Jede Gruppe mit 2 Schülern benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- Knetgummi (optional)
- Schulhefte
Sie benötigen:
- Fotos von Klappbrücken wie der Tower
Bridge in London.
- Fotos von Segelschiffen mit hohen Masten
und große Schiffe wie Öltanker und
Containerschiffe
Klappbrücke
Zeigen Sie den Schülern einige Bilder von großen
Schiffen.
Erhöhte Kosten; stärkere Stütze für alle Pfeiler; eine
schwerere Brücke, die zusätzliche Stützen benötigt
etc.
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Wie kann dieses Problem gelöst werden?
Die Antworten werden variieren. Akzeptieren Sie die Vorschläge und notieren Sie sie an die Tafel. Wenn keine
weiteren Vorschläge mehr kommen, kommentieren Sie die Liste im Hinblick auf Praktikabilität. Zum Beispiel
würde eine sehr hohe Brücke es ermöglichen, dass die Schiffe passieren könnten, aber der Bau einer sehr hohen
Brücke ist nicht immer praktikabel. Besonders über einen schmalen Fluss oder in einem Bereich, wo das Land sehr
flach und eben ist. Wenn die Schüler eine bewegliche Brücke vorgeschlagen haben, fragen Sie, wie eine Brücke
sich so bewegen kann, dass sie nicht im Weg ist, wenn sich Schiffe nähern.
Nehmen Sie alle Vorschläge an: die
Fahrbahndecke hebt sich, oder dreht sich.
Erinnern Sie die Schüler an Brücken die meist
zu mittelalterlichen Burgen führten. Fragen
Sie, wie sie genannt wurden und wie sie
funktionierten.
Sie können eine neuzeitliche Parallele ziehen. Das Modell der Zugbrücke ist auch bei Tiefgaragen oder bei Fähren
zu finden. Ein Gewicht am kürzeren Ende ist nötig, um das Gewicht der Brücke oder des Tores am anderen Ende
auszugleichen.
Erklären Sie, dass sich diese Stunde mit einer Art von beweglichen Brücken beschäftigt - der KLAPPBRÜCKE.
Schreiben Sie den Namen der Brücke an die Tafel und bitten Sie die Schüler, ihn zu notieren.
Bitten Sie die Schüler, das Foto einer Klappbrücke auf Seite 8 der Bauanleitung anzusehen.
Fragen Sie, was anders ist als bei der
Zugbrücke.
Fragen Sie die Schüler, ob sie die Klappbrücke an eine andere Brücke erinnert, die sie bereits kennengelernt haben.
Helfen Sie den Schülern, zu verstehen, dass es sich um zwei bewegliche Auslegerarme handelt.
Erklären Sie, dass bei einer Klappbrücke das Gewicht der Fahrbahn durch ein Gegengewicht unter dem kurzen
Ende der Brücke ausgeglichen wird. Das große Gegengewicht verschwindet in einer Öffnung des Brückenpfeilers,
wenn die Brücke abgesenkt ist - wie bei einer Zugbrücke. Ohne das Gegengewicht zur Fahrbahn wäre es fast
unmöglich, den Arm mit Hilfe von Motoren und Zahnrädern anzuheben.
Zeigen Sie Fotos von Klappbrücken oder gestatten Sie den Schülern im Internet nach Bildern von Klappbrücken zu
suchen, die Standorte zu betrachten, den Einsatz der Brücke zu berücksichtigen und zu untersuchen, wie sich die
Länge dieser Brücken im Vergleich zu den bereits bekannten Brücken darstellt.
Die folgenden Websites sind nützliche Quellen
www.freefoto.com; www.FreeImages.co.uk; www.brantacan.co.uk
50
Die Schüler kennen vielleicht das System von Zugbrücken,
die Teil des Verteidigungssystems von mittelalterlichen
Burgen waren. Sie wurden aus einer horizontalen
Position, in der sie eine Brücke über einen Burggraben
bildeten, in eine senkrechte Position angehoben, wo sie ein
zusätzliches Hindernis am Haupteingang bildeten. Unter
Berücksichtigung des Hebelgesetzes und durch den Einsatz
einer Kombination aus Rollen und Ketten konnte diese
Konstruktion schnell hochgezogen und gesenkt werden.
Die Brücke öffnet sich in der Mitte und formt zwei Arme;
es wird nicht in einem Teil hochgezogen.
Übung aus dem Bau-Set
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von je 2 Schülern und verteilen Sie ein K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Bitten Sie die Schüler, das Modell der KLAPPBRÜCKE zu bauen (Seite 8-9 der Bauanleitung)
Geben Sie den Schülern einige Minuten Zeit, ihre Brücke zu erforschen.
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Übung I: Wie öffnet und schließt sich eine Klappbrücke?
Schritte
1. Fragen Sie die Schüler nach den
Hauptunterschieden zwischen
dieser Brücke und den Brücken, die
sie bereits kennengelernt haben.
2. Inwieweit ähnelt sie den anderen
Brücken? Falls nötig, weisen Sie die
Schüler darauf hin, wie die beiden
Seiten der Brücke gestützt werden.
3. Fragen Sie nach Freiwilligen,
die erklären, wie ihr Modell
der Klappbrücke funktioniert.
Bitten Sie sie den Satz wie folgt
zu beginnen: “Um die K’NEX
Klappbrücke anzuheben, muss
man zuerst…“
4. Fordern Sie die Schüler auf mit
ihren Fingerspitzen auf das Deck
zu drücken. Woran erinnert sie
das?
5. Schlagen Sie den Schülern vor, mit
ihrem Partner zu besprechen, wie
sie die Kräfte messen können, die
zum Öffnen der Brücke nötig sind.
Sie sollten ihre Ideen festhalten
und die Messung dann mit der
bevorzugten Methode durchführen.
Die Beobachtungen und Ergebnisse
sollten ebenfalls dokumentiert
werden.
(für höhere Klassenstufen geeignet.)
Übung II:
Schritte
1. Bitten Sie die Schüler, die Stärke der Brücke zu testen, indem sie Gewichte auflegen. Dies repräsentiert eine
Nutzlast, die die Brücke überquert. Schlagen Sie vor, dass sie die Gewichte auf unterschiedlichen Stellen auf
der Brücke auflegen und beobachten, was jeweils mit den Pfeilern und der Brückentafel geschieht. Sie sollten
das Experiment wiederholen, und das Gewicht dabei erhöhen. Die Ergebnisse können in einer Datentabelle
eingetragen werden.
51
Sie sollten Folgendes durchführen: Eine nach unten gerichtete
Kraft auf die blauen Stäbe (Hebel), die auf beiden Seiten der
Brücke horizontal nach außen ragen, ausführen. Weil das K’NEX
Modell kein Gegengewicht besitzt, muss zusätzliche Kraft am
öffnenden Hebel eingesetzt werden, um das gesamte Gewicht der
Fahrbahndecke zu überwinden. Die Fahrbahndecke dreht sich
über einen anderen blauen Stab in eine senkrechte Position.
Ein weiterer blauer Stab (Hebel) verhindert, dass sie komplett
umgedreht wird, sie stoppt am Pfeiler. Um die Brücke abzusenken,
muss eine nach oben gerichtete Kraft auf den blauen Stab (Hebel)
einwirken. Die Decke dreht sich und bewegt sich wieder in eine
horizontale Position. Der rote Stab, der sich zwischen den Pfeilern
befindet, hindert das Deck daran, sich weiter zu drehen.
Die Brückentafel ist in zwei Hälften geteilt.
Es ist wie eine Auslegerbrücke gebaut, denn jede Seite wird nur
durch einen Pfeiler gestützt.
Erinnern Sie die Schüler daran, dass sich das Deck wie eine
Wippe verhält, nur dass es sich nicht über die Mitte des Feldes
dreht. Wenn ihre Schüler das Thema Hebel bereits kennen,
erinnern Sie sie an einige Eigenschaften.
Einige Schüler werden Gewichte verwenden, die sie an das
Ende der Fahrbahn hängen; andere bringen Federwaagen
an und messen die Zugkraft an den blauen Hebeln.
Klappbrücke
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52
(a) Wo sind die schwächsten und
stärksten Punkte der Brücke?
(b) Wie lösen Ingenieure bei einer echten
Klappbrücke wie der Tower Bridge das
Problem dieser schwachen Punkte?
Mit welchen Methoden wurden die
anderen Brückenarten gestärkt und
gefestigt?
(c) Wenn Gewicht auf der Fahrbahndecke
platziert wird, wie viel Gewicht trägt
die Brücke, bevor sie versagt?
(d) Was fällt ihnen bezüglich der
Stabilität ihres Modells auf?
(e) Wir kann das Bauwerk verbessert
werden?
Installieren von Verankerungen und Widerlagern, die verhindern,
dass sich die Pfeiler bewegen. Hinzufügen von Fachwerk unter
dem Deck, um das Deck stabiler und starrer zu machen.
Die Antworten werden wieder variieren, aber die meisten werden
vorschlagen, dass die Pfeiler und die Basis des Modells verstärkt
werden sollen. Das verhindert, dass sich die Pfeiler bewegen.
Einige werden vorschlagen, dass man ein hohes Gewicht auf die
Basis des Modells platzieren sollte, um die Stabilität des
Modells zu verbessern.
Viele Schüler werden anmerken, dass ihr Modell nicht sehr
stabil ist.
Die Antworten werden variieren.
Die schwächsten Punkte der Brücke finden sich in der Mitte
der Fahrbahndecke und auch an den Pfeilern. Ein Gewicht
auf der Mitte der Fahrbahn verursacht ein Durchbiegen der
Brückentafeln und eine seitwärtige Bewegung und Anhebung
der Pfeiler. Die stabilsten Teile finden sich an den Enden der
Decke.
Wie hoch heben
sich die Pfeiler
vom Tisch
Position der Zwischen Mitte Zwischen Mitte Mitte
Weight Platte 1 & 2 der Platte 2 Platte 2 & 3 der Platte 3 der Brücke
Datentabelle 1
Benutztes Gewicht = _________________
Wie hoch heben
sich die Pfeiler
vom Tisch
Position der Zwischen Mitte Zwischen Mitte Mitte
Weight Platte 1 & 2 der Platte 2 Platte 2 & 3 der Platte 3 der Brücke
Datentabelle 2
Benütztes Gewicht = _________________
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53
2. Bitten Sie die Schüler, die beiden
Hälften der Brücke zu trennen und
zwei schwarze Platten an den Klappen
anzubringen um sie länger zu
machen. Nun sollen mit der gleichen
Methode wie unter Punkt 5 die Kräfte
gemessen werden, die nötig sind,
die längere Brückentafel zu heben.
Die Messungen sollten in die Hefte
eingetragen und mit den anderen
verglichen werden.
Sie sollten erkennen, dass zu lange Brückentafeln bei der
Klappbrücke in der Mitte abknicken könnten. Wenn die
Brückentafel zu lang ist, ist es auch schwer, sie anzuheben,
oder es dauert zu lange.
Gewichte oder Knetgummi können als Gegengewicht zur
Verfügung stehen.
HINWEIS: Ein Schüler sollte die Basis der
verlängerten Hälfte nach unten drücken, während die
Messungen vorgenommen werden.
Die Schüler sollten herausfinden, dass mehr Kraft nötig ist,
die längere Brückentafel zu heben.
Klappbrücke
Anwendung
Wiederholen Sie, wie die Klappbrücke arbeitet und bitten Sie die Schüler, eine Schritt-für-Schritt Beschreibung zu
entwickeln. Sie sollten eine beschriftete Zeichnung hinzufügen und zeigen, wie sie angehoben und gesenkt werden
kann. Sie sollten den Dreh- oder Klapppunkt und den Mittelpunkt der Brücke finden. Erklären Sie, wo bei einer
echten Klappbrücke das Gegengewicht angebracht würde, um damit das Anheben zu erleichtern.
Bitten Sie die Schüler, das Foto der Klappbrücke auf Seit 8 der Bauanleitung (und/oder ein Foto der Tower Bridge in
London) anzusehen und ermutigen Sie sie, einige Sätze über die Funktion der Bauteile im realen Brückendesign zu
schreiben.
(Für höhere Klassenstufen geeignet.)
Bitten Sie die Schüler, ihre
Beobachtungen aus Übung II (wie
eine Brücke geöffnet und geschlossen
wird, wie die Brückentafeln auf die Last
reagieren, wie viel Kraft nötig war, die
unterschiedlich langen Brückentafeln zu
heben und zu senken.) zu wiederholen
und zu erklären, warum sie denken,
dass eine Klappbrücke nur kurze
Brückentafeln hat. Die Gedanken sollten
dokumentiert werden.
Weiterführend
1. Design-Aufgabe 1: Die Kräfte verringern, die für das Öffnen einer Klappbrücke nötig sind.
Schlagen Sie vor, dass zwei Gruppen zusammenarbeiten und dieses Problem lösen.
Geben Sie 10 Minuten Zeit für die Planung und 30-40 Minuten für das Bauen.
Bevor sie mit der Konstruktion beginnen,
bitten Sie jede Gruppe in ihren Heften
zwei alternative Lösungen und ihre
Gründe für die Wahl ihrer Methode zu
notieren.
Bitten Sie die Schüler, ihre Ergebnisse zu notieren und mit einer beschrifteten Zeichnung zu erklären. Sie sollten die
korrekten Begriffe verwenden.
Jedes Team sollte seine verbesserte Brücke testen und dem Rest der Klasse vorstellen.
Mitteilen, welche Probleme sie hatten und wie sie gelöst haben.
Vorschlagen, wie ihr Modell verbessert werden könnte.
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54
2. Design-Aufgabe 2: Untersuche, wie Zugbrücken funktioniert haben.
Entwerfe und baue eine Zugbrücke mit dem K’NEX Set oder anderen Materialien, wo sie sinnvoll sind.
Die Schüler sollten erst Pläne von ihrer Zugbrücke zeichnen, bevor sie mit dem Bau beginnen.
Jedes Team sollte seine Zugbrücke testen und den anderen Gruppen vorstellen. Die Teams sollten:
Mitteilen, welche Probleme sie hatten und wie sie sie gelöst haben.
Vorschlagen, wie ihr Modell verbessert werden könnte.
Die Anwendung von Gegengewichten bedenken, um die Funktion der Zugbrücke zu verbessern.
3. Ermutigen Sie die Schüler, andere Arten von beweglichen Brücken zu erforschen und dabei die Bibliothek und
das Internet zu Hilfe nehmen.
Hefteinträge
4
Methode mit der die Kräfte für das Öffnen der Klappbrücke gemessen wurden und die Ergebnisse.
4
Funktionsbeschreibung einer Klappbrücke, beschriftete Zeichnung.
4
Ein Vergleich der Eigenschaften einer Klappbrücke mit denen anderer Brücken.
4
Messungen zu Übung II, Schritt 1, eingetragen in der Datentabelle. (höhere Stufen.)
4
Erklärung zur Funktion der verschiedenen Formen echter Klappbrücken.
4
Gründe, warum Klappbrücken kurze Brückentafeln haben (höhere Stufen.)
NOTIZEN:
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
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Die Bogenbrücke:
Eigenschaften einer einfachen Bogenbrücke.
55
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Eine Bogenbrücke identifizieren und die Funktion der einzelnen Teile erklären.
2. Bogenbrücken bauen und Experimente durchführen, um die Stabilität der verschiedenen
Designs zu vergleichen.
3. Der Begriffe im Zusammenhang mit einer Bogenbrücke verstehen.
4. Die Kräfteverteilung bei einer Bogenbrücke kennenlernen.
MATERIAL
Jede Gruppe mit 2 Schülern benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- Schulhefte
- Karton, Dosen, Kleber, Bücher (optional)
Bogen
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erinnern Sie die Schüler an vorangegangene Untersuchungen, um ihnen zu helfen, das vorhandene Wissen, wie
Ingenieure Probleme beim Brückenbau lösen, auf das neue Thema übertragen zu können. Dies beinhaltet:
Bautechnische Stärke und Stabilität
Technische Möglichkeiten, Probleme hinsichtlich der Stabilität zu beheben
Technische Möglichkeiten, Probleme bei Brücken zu lösen, die eine große Spannweite haben müssen
Erklären Sie, dass diese Stunde eine Brücke
zum Inhalt hat, die seit vielen tausend
Jahren genützt wird und auch heute noch
in Gebrauch ist.
Zeigen Sie den Schülern Fotos von
Bauwerken, bei denen Bögen verwendet
wurden - z.B. Römische Aquädukte
und Brücken; mittelalterliche Brücken;
Eisenbahnbrücken aus dem 19. Jahrhundert.
Die folgenden Websites sind
nützliche Quellen
www.freefoto.com; www.FreeImages.co.uk;
www.brantacan.co.uk (in Englisch)
Pont du Gard, Frankreich
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Wie stark ist ein Bogen?
Zeigen Sie mit einem flexiblen hellgrünen K’NEX Stab, wie ein Bogen hergestellt wird und wie damit stabile Gebilde
gebaut werden können. (Für weitere Information sehen Sie bitte unter Grundsätze in diesem Handbuch nach oder
besuchen Sie das Kräfte Labor unter www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/)
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 4 Schülern
(ähnlicher Größe und ähnlichen Gewichts) und
erklären Sie, dass sie einen menschlichen Bogen
formen werden. Zwei aus jedem Team stellen sich
Rücken an Rücken und lehnen sich aneinander.
Die Füße werden jeweils einen großen Schritt weit
nach vorne platziert - sie müssen dabei etwas in die
Knie gehen. Die Beine formen nun einen Bogen.
Die beiden anderen Schüler aus der Gruppe (Helfer)
sollten verhindern, dass die Füße der Bogenbildenden
über den Boden gleiten. Sie stellen einfach ihre
Füße vor die Füße der Schüler, die das Experiment
ausführen.
Tauschen Sie die Rollen, so dass jeder Schüler die
Möglichkeit hat, Teil des Bogens zu sein.
Fragen Sie die Schüler, wie es sich anfühlt, Teil eines
Bogens zu sein. Fragen Sie, wie sich ihr Rücken, die
Arme, Hände, Schultern und Füße anfühlen.
Wo fühlen sie die stärksten Kräfte?
Was hindert ihre Füße, wegzugleiten?
Zeigen Sie ein Foto einer Steinbogenbrücke und vergleichen Sie diese mit der menschlichen Bogenbrücke, die die
Schüler gebildet haben. Betonen Sie, dass der oberste mittlere Stein in dem Bogen, genannte der SCHLUSSSTEIN,
an der gleichen Stelle sitzt, wo sich bei ihnen der obere Rücken aneinander presst. Alle weiteren Steine des Bogens
drücken oder quetschen gegen diesen Stein, genau wie sich das Gewicht der Schüler gegen den oberen Rücken
presst.
Fragen Sie die Schüler nach der Form
der Steine in einem Bogen.
56
An ihrem Rücken, wo sie aneinander gedrückt werden.
Die Steine sind keilförmig.
Reibung und die Füße der Helfer.
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Erklären Sie, dass diese Form es möglich macht, dass der Bogen sich selbst hält. Die Keilform stellt sicher,
dass jeder Stein zwischen seinen Nachbarsteinen eingeklemmt ist und nicht nach unten fallen kann.
Zeichnen Sie den keilförmigen Stein an die Tafel.
Fragen Sie die Schüler, ob rechteckige
Steine verwendet werden können.
Warum oder warum nicht?
Fragen Sie die Schüler, ob sie das Gefühl hatten, dass ihre Füße weggleiten könnten. Das gleiche geschieht bei
einer Steinbogenbrücke, wenn das Gewicht der Brücke nach unten und seitwärts drückt. Der Bogen hält nur,
wenn starke Widerlager an jedem Ende der Brücke eingesetzt werden und verhindern, dass die Steine zur Seite
geschoben werden. Zeigen Sie die Widerlager auf einem Foto einer Steinbogenbrücke - der Platz, wo die Enden
der Brücke am Land oder Stein verankert sind. Schreiben Sie das Wort WIDERLAGER an die Tafel.
Fragen Sie was oder wer im Versuch
mit den menschlichen Körpern als
Widerlager fungierte.
Sprechen Sie darüber, wie ein Bogen nicht nur bei Brücken eingesetzt werden kann, sondern auch bei Gebäuden,
es ist eine sehr starke Form. Einige römische Brücken sind noch immer im Gebrauch, 2.000 Jahre nachdem sie
gebaut wurden. Einige Mehrbogenbrücken sind auch noch immer im Einsatz: die berühmte Ponte Vecchio in
Florenz, Italien ist ein Beispiel dafür.
Erklären Sie, dass die Schüler die Stabilität von Bogengebilden selbst untersuchen werden. Es wird erwartet,
dass sie ihre Beobachtungen und Ergebnisse zusammen mit beschrifteten Zeichnungen in die Hefte eintragen.
57
Aufgabe aus dem Bau-Set I:
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 2 Schülern und verteilen die ein K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Bevor sie mit dem Bau beginnen, weisen Sie die Schüler
auf die drei Versionen des Bogenbrückenmodells hin (Seite
10-11 der Bauanleitung.) und erklären Sie, dass ein Bogen
im Brückenbau ein sehr vielseitiges Gebilde sein.
Bitten Sie die Schüler, mit den Schritten 1-4 der Version BOGEN UNTEN, wie auf Seite 10 der Anleitung zu
sehen ist, zu beginnen.
Das Zusammenbauen der beiden Seiten des Bogens (Schritte2, 3,4) muss gemeinsam durchgeführt werden, weil
mehr als zwei Hände erforderlich sind, die grünen Verbindungsstäbe anzufügen.
Bogen
Rechteckige Steine könnten wegrutschen und die Brücke
einstürzen lassen. In den Fällen, wo rechteckige Steine
eingesetzt werden, muss Mörtel in die Zwischenräume
eingefügt werden. So wird die Keilform simuliert, die Stabilität
gewährleistet und der Herstellungsprozess beschleunigt.
Die Schüler, die verhinderten, dass die Füße sich vorwärts
bewegen konnten.
Die Decke dieser Brücke, kann über,
unter oder durch den Bogen führen.
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58
Übung I: Wie stabil ist ein Bogen, wenn er allein steht?
Schritte
1. Stellen Sie die folgenden Fragen
(a) Was passiert mit dem Bogen, wenn
von oben auf die Mitte nach unten
gedrückt wird?
(b) Scheint es eine stabile oder instabile
Konstruktion zu sein?
2. Bitten Sie die Schüler, noch
einmal auf das Foto auf Seite 10
der Anleitung zu sehen und zu
erkennen, wogegen der Bogen
gebaut wurde.
3. Wiederholen Sie den Namen, für
das Gebilde, das einen Bogen daran
hindert, nach außen zu gleiten.
4. Erklären Sie, dass die Widerlager
entweder gebaut werden oder
das Gestein eines Berges sein
können. Sie verhindern, dass die
Enden eines Bogens nach außen
weggleiten. Fragen Sie, was
passiert, wenn die Enden nicht
nach außen gleiten können.
Übung II: Haben unterschiedliche Designs Einfluss auf die Stärke der
Bogenbrücke?
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen
Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor.
Die Mitte wird eingedrückt und die Enden des Bogens
bewegen sich nach außen.
Die Felswand des Canyons.
Widerlager.
Der Bogen wird zu einem stabilen Bauwerk.
Bau-Tipp:
Wenn die Schüler Schritt 1 bauen, empfehlen wir, dass sie von links nach rechts arbeiten und die oberen und
unteren Verbinder mit blauen Stäben verbinden. Das ist leichter, als zuerst das gesamte Oberteil und die unteren
Reihen zu bauen und sie dann mit den blauen Stäben zu verbinden.
Die Schüler sollten erkenne, dass es irgendwie ein instabiles
Gebilde ist, obwohl die Antworten variieren werden.
Aufgabe aus dem Bau-Stet II:
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von je 6 Schülern und erklären Sie ,dass jedes Paar innerhalb einer Gruppe
eine andere Version der Bogenbrücke bauen wird und eine Reihe von Untersuchungen vornehmen wird. Die
Ergebnisse werden verglichen. Die Schüler sollten selbst entscheiden, welches Paar, welche Version bauen wird.
Geben Sie den Schülern genug Zeit, ihre Brücken zu erforschen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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2. (a) Die Schüler sollen nun einen
ordentlichen Test entwickeln, mit
dem die Stärke jedes Bogens ermittelt
werden kann. Die Messungen werden
durchgeführt und dieErgebnisse in
einer Tabelle festgehalten. Lassen Sie
die Schüler ihre eigene Tabelle zu
entwickeln.
(b) Fragen Sie, ob das Hinzufügen
der Decke die Stärke des Bogens
beeinflusst hat.
(Für höhere Klassen geeignet.)
3. Bitten Sie die Schüler, Folgendes mit innerhalb ihrer Gruppe zu besprechen und die Ergebnisse in den Heften
festzuhalten.
(a) Wie wird die Fahrbahndecke
gestützt, so dass sie starr und fest
genug ist, Lasten zu tragen?
(b) Welche Teile der Brücke stehen
unter Druckkraft?
(c) Welche Teile der Brücke sind
Zugkräften ausgesetzt?
59
Bogen
Schritte
1. Bitten Sie die Schüler, die Teile einer Bogenbrücke zu identifizieren. Zeichnen Sie ein Bild an die
Tafel und bitten Sie Freiwillige, die Begriffe, die sie bereits kennen, zu benennen. Sie können ihre
Begriffe akzeptieren und ersetzen Sie in den nachfolgenden Diskussionen. Die folgenden Teile der
Brücke sollten identifiziert werden:
Schlussstein, Widerlager, Deck, Keilformen.
Weisen Sie darauf hin, dass moderne Bogenbrücken aus Stahl und Beton gefertigt werden. Diese Brücken haben
meist keinen bestimmten Stein, der als Schlussstein gekennzeichnet werden kann, aber jeder Bogen hat einen
Scheitelpunkt in seinem Bogen. Hier können Sie den Begriff Keilstein einfügen: ein echter Bogen mit keilförmigen
Steinen, die sich perfekt zusammenfügen und gegen die Widerlager drücken.
Die Teams werden vielleicht das gleiche Gewicht (Last) auf die
gleiche Stelle jeder Brücke platzieren und die Auswirkung auf
das Deck und die Seitenteile des Bogens wahrnehmen.
Die Schüler sollten feststellen, dass die komplette Brücke stärker
und stabiler ist, aber dass noch immer eine Kraft gegen die
Seiten einwirken muss, um der Brücke ausreichende Stabilität
zu geben.
Die Antworten werden variieren - alle sollten Bezug nehmen
auf das Verstärken von Rahmen.
Die Decke an der Oberseite des Bogens.
Der gesamte Bogen ist Druckkräften ausgesetzt. Erklären
Sie, dass die kurvige Form eines Bogens die Druckkräfte in
Richtung der Widerlager leitet. Das ist die natürliche Stärke einer
Bogenform. Für weitere Informationen besuchen Sie das Kräfte
Labor unter www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/. (in Englisch)
Last
Kräfte von
den Widerlagern
Druckkraft
Schubkraft
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60
Anwendung
Bitten Sie die Schüler eine beschriftete Zeichnung der Bogenbrücke anzufertigen und Anmerkungen zu den Teilen
und deren Funktion anzufügen.
Besprechen Sie mit der Klasse die Ergebnisse zu den Messungen der Stärke der drei Brückenversionen. Helfen Sie,
die Unterschiede zu benennen. Ermutigen Sie die Schüler einen kurzen Aufsatz über ihre Ergebnisse zu schreiben.
Lassen Sie die Schüler Arbeitsblatt Nr. 3 Bogenbrücke auszufüllen.
Weiterführend
1. Bitten Sie jedes Paar in der Gruppe, Beispiele von Bogenbrücken zu untersuchen. Sie können die Größe,
den Standort und die Funktion eruieren.
2. Die folgende Übung erlaubt es den
Schülern, selbst eine Bogenbrücke
aus flexiblen Karton zu bilden.
(Siehe nebenstehenden Zeichnungen.)
Sie können den Bogen formen, indem
sie ein Stück nassen Karton um eine
Dose wickeln und trocknen lassen.
Dann können das Deck und die
Seitenteile angeklebt werden. Bitten
Sie die Schüler, nach jeder Baustufe
auf die Brücke zu drücken und zu
sehen, wann die Brücke stabiler wird.
3. Die Schüler können mit
unterschiedlichen Brückentafeln
arbeiten und sogar eine
Multibogenbrücke bauen.
4. Ermutigen Sie ihre Schüler, Aquädukte
und Viadukte zu untersuchen. Sie
können überlegen, wo der Ursprung
liegt, warum sie nötig waren und
welche heute noch genutzt werden.
Hefteinträge:
4
Beschriftete Zeichnung einer Bogenbrücke.
4
Notizen zu den Hauptbestandteilen einer Bogenbrücke.
4
Ergebnisse der Untersuchungen zur Stabilität der 3 Versionen einer Bogenbrücke.
4
Ausgefülltes Arbeitsblatt.
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Die Hängebrücke:
Die Eigenschaften einer Hängebrücke.
61
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erklären Sie, dass die Schüler in dieser Stunde Hängebrücken erforschen werden. Zeigen Sie ein großes Foto einer
Hängebrücke. Fragen Sie die Schüler, inwieweit sich die Hängebrücke von den anderen Brücken unterscheidet.
Was ist gleich? Notieren Sie alle Antworten an der Tafel.
Stellen Sie zwei Stühle ca. 3 Meter voneinander auf und spannen Sie zwei Bänder von einem Ende der
Zimmers zum anderen, so dass sie über die Rückenlehne der Stühle führen. Zu diesem Zeitpunkt werden die
Bänder nicht befestigt.
Fragen Sie, wie mit den Bändern eine Brücke gebaut
werden kann.
Erklären Sie, dass all dies eine Hängebrücke ergeben würde. Zeigen Sie noch einmal auf das Foto.
Geben Sie jedem Schüler eine Büroklammer und
bitten Sie die Schüler, ihre Büroklammern an das
Band zu hängen. Fragen Sie, was an den Klammern
hängen sollte.
Als nächsten bitten Sie die Schüler einen langen Klebestreifen und einen langen Streifen Karton als Decke an
die Klammern zu hängen.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Eine Hängebrücke bauen
2. Die Teile einer Hängebrücke und ihre Funktion identifizieren und beschreiben.
3. Zeigen und erklären, wie auf einer Hängebrücke die einwirkenden Kräfte im Gleichgewicht
gehalten werden.
MATERIAL
Jede Gruppe mit 2 Schülern benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- Büroklammern
- Schulhefte
Sie benötigen:
- Ein langes Gummiband (optional)
- Ein Stück Schaumgummi (optional)
- Schnur oder Band
- Eimer mit Gewichten
- Karton, Stühle, Tische, Vorleger etc.
Die Schüler schlagen vielleicht vor, dass man sich
mit den Händen an den Bändern entlang vorwärts
bewegen kann oder dass eine Fahrbahn an die
Bänder gehängt werden kann.
Die Schüler sollten verstehen, dass die
Brückendecke an diesen Haken hängt.
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Hängebrücke
Verankerung
62
Fragen Sie die Schüler, was mit dem
Band passiert ist, als sie die Klammern
und das Deck angehängt haben.
Fragen Sie, was sie tun müssen, um
das Bahn anzuheben und zu sichern.
Wenn ihre Brücke gesichert ist, beziehen Sie sich darauf und auf das Foto und erklären Sie die Teile einer
Hängebrücke. Die Schüler können die Teile benennen und Sie geben wenn nötig die richtigen Begriffe dafür.
Der Wortschatz sollte an die Tafel und in die Hefte geschrieben werden.
Das Band fungiert als Hauptkabel der Brücke. Die Rückenlehnen der Stühle entsprechen den Türmen/Pylonen
der Brücke. Die Büroklammern sind die Hänger, an denen das Deck hängt. Die Enden der Kabel sind an
Verankerungen befestigt und verhindern, dass die Pylonen sich neigen und Brücke einstürzt. Beachten Sie,
dass die Decke einer echten Hängebrücke durch ein Fachwerk verstärkt und starr gemacht werden kann.
Fragen Sie nach 5 Freiwilligen, die helfen, die Teile einer Hängebrücke darzustellen und die einwirkenden Kräfte
zu zeigen.
Legen Sie einen Vorleger auf den Boden und sagen Sie den Schülern, dass es sich dabei um einen breiten Fluss
handelt, der mit einer Hängebrücke überspannt werden soll.
Verweisen Sie auf das Bild der Hängebrücke, das zwei Stühle mit Schülern darauf platziert werden - dies sind
die Türme der Brücke.
Fragen Sie, wo sie stehen sollen, im Fluss
oder am Ufer?
Setzen Sie die Schüler auf die Stühle und
legen Sie Bänder über ihre Schultern.
Fragen Sie, wofür die Bänder stehen.
Hängen Sie einen Eimer an die Mitte des
Bandes. Fragen Sie die Klasse, was der Eimer
darstellt. Geben Sie wenn nötig einen Tipp:
Gewicht wird in den Eimer gelegt.
Das Band hat sich Richtung Boden durchgebogen.
Sie sollten im Fluss stehen.
Die Hauptkabel der Brücke.
Das Gewicht des Decks.
Der Einsatz eines
Fachwerks an einer
Fahrbahndecke einer
Hängebrücke.
Hänger
Türme
Kabel
Verankerung
Golden Gate Bridge, USA
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
Die Enden müssen gesichert werden.
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Fragen Sie, wo die Verankerung der Kabel
angebracht werden soll.
Bitten Sie zwei Schüler, die das Ufer spielen, sich auf den Boden zu setzen und die beiden Ufer zu
repräsentieren.
Reichen Sie diesen beiden Schülern die Enden des Bandes.
Erklären Sie, dass Gewichte in den Eimer gelegt werden und das Ziel dabei ist, den Eimer in der gleichen
Position über dem Fluss zu halten.
Bitten Sie den übrigen Freiwilligen, Gewichte in den Eimer zu legen und ermutigen Sie die 4 anderen Schüler,
zu beschreiben, was ihnen dabei auffällt. Diejenigen, die die Enden des Bandes halten, sollten herausfinden,
dass sie stärker ziehen müssen, wenn Gewicht in den Eimer gelegt wird. Die anderen Schüler auf den Stühlen
werden erkennen, dass mehr Gewicht auf ihre Schultern drückt.
Fragen Sie, was passieren würden, wenn
einer der Schüler das Band loslässt.
Fragen Sie die Schüler nach ihren Erfahrungen beim Rollenspiel als Brücke.
Skizzieren Sie Anordnung an der Tafel und diskutieren Sie, wie dies eine Hängebrücke repräsentiert und wie Kräfte
darauf einwirken:
Wiederholen Sie:
Wie das Seil als eines der Kabel fungiert, das das Gewicht der Fahrbahn hält.
Inwieweit die Schüler, die das Kabel tragen, die Türme/Pylonen der Brücke darstellen.
Wie die Schüler, die die Enden des Bandes halten, als Verankerungen dienen.
Dass der Henkel des Eimers einer der Hänger ist.
Fügen Sie diese Begriffe in die Zeichnung ein und ermutigen Sie die Schüler eine ähnliche Skizze in ihren Heften
anzufertigen.
Oben am Ufer.
Das Seil hängt durch und der Eimer fällt auf den
Boden.
63
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Hängebrücke
64
Zeigen Sie den Schülern weitere Fotos von Hängebrücken. Sie können Bilder der Golden Gate Bridge in der K’NEX
Anleitung verwenden (Seite 12) oder sie suchen weitere Fotos im Internet mit denen sie:
die Haupteile einer Hängebrücke bestimmen
Die Örtlichkeiten von Hängebrücken erforschen.
Den Einsatz von Hängebrücken untersuchen und zu sehen, wie sie sich in Bezug auf die Länge von anderen
Brücken unterscheidet.
Die folgenden Websites sind nützliche Quellen
www.freefoto.com; www.FreeImages.co.uk; www.brantacan.co.uk (in Englisch)
Analysieren Sie einige der Statistiken, die die
Schüler gefunden haben. Sie sollten entdeckt
haben, dass für einige der längsten Brücken
der Welt Hängebrücken sind. Blicken Sie
zurück auf die anderen Brückenarten,
die sie kennengelernt haben und welche
Probleme hinsichtlich der Länge sich für die
Ingenieure möglicherweise ergeben haben.
Zum Beispiel muss das Hauptbrückentafel
2.000 Meter lang sein - wie kann so ein
langer Träger gestützt werden und dabei
fest und starr bleiben? Notieren Sie die
Vorschläge.
Übung I: Ist es ohne die Kabel ein stabiles Gebilde?
HINWEIS: Die Schüler sollten beim Testen ihrer Brücke eine Schutzbrille tragen. Dies zählt zu einer ordentlichen
Sicherheitsmaßnahme für alle Aktivitäten im Physiksaal oder im Labor.
Schritte:
1. Bitten Sie die Schüler, einen Test zu entwickeln um die Stabilität zu ermitteln. Dabei soll eine Last in der Mitte
der Brücke platziert werden.
2. Jede Gruppe soll beobachten, was passiert und die folgenden Fragen beantworten:
Wie hoch ist das maximale
Gewicht, das die Brücke tragen
kann, bevor sie unsicher wird?
Von der Einführung zu dieser Brückenart wissen die
Schüler vielleicht, dass eine hohe Anzahl von Hängern,
die das Deck hochziehen und starke Kabel das Gebilde
fest und stabil halten. Sie haben vielleicht erkannt, dass
Hängebrücken leichter sind als andere Brücken und dass
die deshalb mit längeren Brückentafeln gebaut werden
können.
Die Antworten werden variieren. Sie können die Ergebnisse
in eine Datentabelle eintragen.
Übung aus dem Bau-Set
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 2 Schülern ein und verteilen Sie je ein K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Erklären Sie den Gruppen, dass sie ihre Untersuchungen an der Hängebrücke mit dem Bau eines K’NEX Modells
einer Hängebrücke beginnen werden (siehe Seite 12 und 13 der Bauanleitung.)
Sie sollten das Modell bis einschließlich Schritt 4 bauen; sie sollten Schritt 5-7, wo sie die grünen Flexi-Stäbe
mit der Fahrbahndecke verbinden noch nicht aufbauen.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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65
Welches sind die schwächsten
Punkte der Brücke?
Wie erklären sie die
Beobachtungen?
Ist das Gebilde im aktuellen
Zustand stabil oder instabil?
3. Besprechen Sie die Ergebnisse. Die Schüler sollen die Beobachtungen in ihren Heften dokumentieren.
Übung II: Inwieweit beeinflusst das Hinzufügen eines Kabels die Stabilität des
Bauwerks?
Schritte
1. Bitten Sie die Schüler, die verschiedenen Teile ihrer Hängebrücke zu identifizieren. Sie können die beschriftete
Zeichnung heranziehen, die zur Einführung gemacht wurde.
2. Schlagen Sie vor, dass Sie das Foto
in der Bauanleitung betrachten und
die Unterschieden zwischen dieser
Brücke und ihrem K’NEX Modell
finden. Testen Sie, ob sie wissen,
welche Materialien bei modernen
Brücken verwendet werden (Siehe
auch Grundsätze in diesem
Handbuch.)
Sie antworten vielleicht, dass das ganze Gebilde
schwach ist: Das Deck biegt sich in der Mitte und
schwingt hin und her; die Türme bewegen sich und
neigen sich gen Mitte.
Helfen Sie ihnen, wenn nötig, zu verstehen, dass ihr Modell
keine Verankerungen hat, in die die Kabel eingebettet werden.
Das Modell hat auch keine Kabel, die über das gesamte Modell
führen. Die Türme einer echten Brücke sind im Verhältnis
größer als die des Modells. Neuere Hängebrücken werden aus
gedrehten Stahlkabeln gefertigt, mit Beton oder Stahlabschnitten
für die Türme und Decks.
Ungenügende Unterstützung der Brückenteile.
Die meisten werden antworten, dass es sehr instabil ist.
Datentabelle
Keine Kabel
Kabel nicht befestigt
Kabel befestigt
Bauabschnitt der Brücke Gewicht Beobachtung
Weiterführung der Übung aus dem Bau-Set
Jede Gruppe komplettiert nun das Modell und verbindet die Kabel (Schritte 5-7.)
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Hängebrücke
66
3. Bitten Sie die Schüler, diese Unterschiede im Gedächtnis zu behalten und dann die Brücke mit exakt der
gleichen Methode wie vorher erneut zu testen. Sie sollten die Fragen beantworten und die Datentabelle
benützen, um ihre Ergebnisse festzuhalten.
(a) Hast sich die Tragfähigkeit der Brücke
erhöht, ist sie gleich geblieben oder
hat sie sich verringert?
(b) Was ist der Grund dafür?
(c) Was fällt die in Bezug auf die Form
des Decks auf, wenn die Kabel
hinzugefügt sind?
(d) Welchen Einfluss hat das Hinzufügen
der Kabel auf die Stabilität der
Brücke?
(Für höhere Klassen geeignet.)
4. Erklären Sie den Schülern, dass das Gewicht der Fahrbahn und der Nutzlast von den Kabeln und Hängern
(die unter Zugkraft stehen) verteilt wird. An den Kabeln entstehen damit hohe Zugkräfte. Diese zieht an den
Verankerungen und die Kabel werden auf die Türme gepresst. Die Türme werden dabei gedrückt und das
Gewicht auf den Felsgrund unter dem Flussbett übertragen. Erklären Sie, dass das Design der Brücke die
auftretenden Druck- und Zugkräfte ausgleicht.
5. Fragen Sie, ob die Kabel bei einer
echten Brücke sich lose auf den
Türme bewegen können, oder ob
sie festgemacht wurden. Warum
oder warum nicht?
6. Schlagen Sie vor, dass sie nun
an den Enden der Flexi-Stäbe des
K’NEX Modells ziehen und noch
einmal Test zur Tragfähigkeit
durchführen. Die Antworten
sollten wieder in die Datentabelle
eingetragen werden.
Sie sollten erkennen, dass sie sich erhöht hat.
Es wurden zusätzliche Hänger an die Kabel gehängt, sie
helfen die Mitte der Brückendecke zu stützen.
Das Deck geht in der Mitte nach oben - es hat eine
Bogenform, weil die Hänger und Kabel es nach oben ziehen.
Die Schüler sollten erkennen, die Stärke und Stabilität der
Brücke erhöht wurde.
Bei einer echten Brücke liegen die Kabel auf den Türmen/
Pylonen. Dies geschieht, weil (i) sie sich so bewegen und die
Ausdehnung des Metalls anpassen kann und (ii) die Zugkraft
von einer Seite zur anderen reduziert wird, wenn sich das
Gewicht der Nutzlast ändert. Dies ist ein weiterer Unterschied
zu ihrem Modell.
Sie sollten erkennen, dass durch Festhalten der Flexi-Stäbe
die zu tragende Last erhöht werden kann. Sie sollten
erkennen, dass sie die Rolle der Verankerungen
übernehmen. Die Hängebrücke ist am effektivsten, wenn alle
BauteileHöchstleistung liefern.
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Die Türme tragen das gesamte Gewicht der Brücke.
Die Hauptkabel tragen das Gewicht der Decke. Dieses
Gewicht lässt die Kabel durchhängen (unter Zugkraft
setzen). Um zu verhindern, dass die gesamte Konstruktion
zusammenklappt, müssen die Hauptkabel an beiden Enden
verankert werden. Senkrechte Kabel, die Hänger, verbinden
das Deck mit den Hauptkabeln. Die Fahrbahndecke wird
durch eine leichte Bogenform starr und fest. Diese Form
entsteht durch das Hochziehen der Kabel über die Hänger.
7. Wiederholen Sie die Erkenntnisse
durch folgende Fragen:
(a) Was ist die Funktion der
Türme/Pylonen?
(b) Welche Funktion haben die
Kabel, die über die Türme führen?
(c) Warum müssen diese beiden
Hauptkabel an beiden Seiten
verankert werden?
(d) Was ist die Funktion der
hängenden Kabel?
(e) Wie wird die Fahrbahndecke
stark und fest gemacht?
(Für höhere Klassen geeignet.)
8. (a) Wiederholen Sie, wie Brücken das
Prinzip von ausgeglichenen Kräften
nützen, um das Gebilde vor dem
Einsturz zu bewahren. Fragen Sie
nach den beiden Hauptkraftarten,
die auf Brücken einwirken.
(b) Bitten Sie die Klasse, an die
Beschreibungen der Freiwilligen
aus der Demonstration zu denken;
damit sollten Sie erklären, wo
Druck- und wo Zugkräfte auf die
Brücke einwirken. Sie können
auch auf die Mitte des Modells der
Brücke drücken und beobachten,
was geschieht. Vielleicht müssen
Sie dabei helfen, indem Sie ein
Gummiband und ein Stück Schaum
einsetzen, siehe Abbildungen oben.
67
Zug- und Druckkraft oder Ziehen und Drücken.
Sie sollten erklären können, dass die Türme Druckkräften
ausgesetzt sind, weil die Kabel nach unten pressen. Auf die
Kabel und Hänger wirken Zugkräfte ein, da sie immer gezogen
werden. Die Kräfte, die auf das Deck einwirken (das nur von
den Hängern hängt), beinhalten Drehen und Biegen durch die
Nutzlast. Die Wölbung der Fahrbahn hilft, die Spannung am
Unterteil der Decke zu reduzieren.
Kräfte, die auf eine Hängebrücke einwirken.
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Hängebrücke
68
Weiterführend
1. Erklären Sie, dass, obwohl Bauingenieure viel Zeit in die Planung und Vorbereitung der Brückenkonstruktion
investiert haben, die Dinge nicht immer so laufen, wie geplant.
Bitten Sie die Schüler mit Hilfe des Internets den Einsturz der Tacoma-Narrows -Hängebrücke zu erforschen.
Fotos und einen Film darüberfindet man unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Tacoma-Narrows-
Br%C3%BCcke gesehen werden.
2. Laden Sie die Schüler ein, eine erfundene Geschichte über den Bau einer Hängebrücke durchzuspielen.
Beginnen Sie mit zwei hohen Klippen auf jeder Seite des Flusses. Bitten Sie die Schüler Stühle, Tische, einen
Vorleger und andere Dinge für die Szene bereitzustellen. Sagen Sie den Schülern, dass eine Brücke benötigt
wird, damit Menschen und Waren von einer Seite zur anderen gelangen können. Erklären Sie, dass nur ein
Seil zur Verfügung steht. Wie können sie eine einfache Brücke bauen und was sind die einzelnen Schritte?
Eine mögliche Szene könnte sein:
1. Finde einen guten Standort für die Brücke, wo Bäume sind, an die die Seile befestigt werden können.
2. Bilde mehrere Seile aus Lianen.
Lehrertext: Während moderne Hängebrücken so konstruiert
sind, dass sie bis zu einem gewissen Grad schwingen können,
war die Tacoma Narrows Brücke über den Pugetsund nicht
dafür ausgelegt. Durch einen Konstruktionsfehler begann
die Fahrbahn dieser Brücke bei Wind zu schwingen, zu
hüpfen und sich zu verdrehen. Eine Zeitlang war sie eine
Touristenattraktion, im Dezember 1940 stürzte die Brücke
aber ein, nachdem ein etwa 67 km/h starker Wind sie in
starke Schwingungen versetzt hatte. Hätten die Architekten
ein Modell dieser Brücke im Windkanal getestet, hätten man
diesen Fehler vermeiden können. Zehn Jahre später wurde
die Brücke nach einem neuen Entwurf wieder aufgebaut.
Anwendung
Besprechen Sie die Ergebnisse zur Hängebrücke
Bitten Sie die Schüler, die Teile der Hängebrücke aufzulisten und kurz die Funktion zu beschreiben.
Fordern Sie die Schüler auf, die Hauptunterschiede zwischen einer echten Brücke und ihrem Modell
niederzuschreiben.
Fragen Sie die Schüler, wie sich das Hinzufügen von Kabeln auf die Stärke und Stabilität der Hängebrücke
auswirkt.
Bitten Sie die Schüler, die Kräfte, die auf eine Hängebrücke einwirken, zu identifizieren, dabei sollen sie eine
beschriftete Zeichnung, farbige Stifte und die korrekten Begriffe verwenden.
Schlagen Sie vor, dass die Schüler
das Arbeitsblatt Nr. 4: Der Vorteil
der Hängebrücke ausfüllen.
Wenn Sie meinen, dass eine
Aussage falsch ist, sollten Sie diese
richtig stellen.
Geeignet für höhere Klassenstufen, kann für jüngere Schüler
angepasst werden.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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69
3. Befestige ein Ende des Seils an einem
Baum, das andere an einen Pfeil. Schieße
den Pfeil auf die andere Seite über den
Fluss.
4. Klettere nach unten und schwimme durch
den Fluss, klettere auf den anderen Seite
nach oben, finde den Pfeil und befestige
das Seil an den Baum.
5. Hangle dich per Hand an dem Seil entlang
und befestige weitere Seile an der Brücke.
6. Binde die Seile zusammen und forme
einen Weg mit Handlauf.
3. Zeigen Sie den Schülern, dass, was immer sie
tun, die einzelnen Schritte immer nach einer
bestimmten Reihenfolge ablaufen müssen.
4. Schlagen Sie vor, dass die Schüler untersuchen,
wie eine moderne Hängebrücke gebaut wird
und dem Rest der Klasse einen kurzen Bericht
dazu geben. Die folgenden Begriffe sollten dabei
enthalten sein: Luftspinnverfahren, Türme,
Hänger, Kabel, Laufsteg, Seil, Verankerung.
Hefteinträge:
4
Skizze einer Hängebrücke mit der Kennzeichnung der Hauptbestandteile.
4
Kurze schriftliche Beschreibung der Funktion jeder Komponente der Brücke.
4
Unterschiede zwischen dem K’NEX Modell und einer echten Hängebrücke.
4
Erklärung, wie die Kabel die Stabilität der Brücke beeinflussen.
4
Skizze, die die einwirkenden Kräfte zeigt.
4
Ausgefülltes Arbeitsblatt
HINWEIS: Behalten Sie wenn möglich ein Modell der Hängebrücke für einen späteren Vergleich mit der
Schrägseilbrücke, die in der nächsten Stunde betrachtet wird.
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Hängebrücke
70
Schrägseilbrücke:
Die Merkmale einer Schrägseilbrücke.
71
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Erklären Sie, dass sich diese Stunde auf die Untersuchung der Schrägseilbrücke anhand eines K’NEX Modells
konzentriert. Die Schüler werden auch das Internet nutzen, um Informationen zu sammeln.
Zeichnen Sie Skizzen von einfachen Hänge- und Schrägseilbrücken an die Tafel und / oder erstellen Sie ein
Arbeitsblatt und bitten Sie die Kinder, die beiden Designs zu vergleichen.
Inwieweit gleichen sich die beiden Brücken, wie unterscheiden sie sich?
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Das Modell einer Schrägseilbrücke bauen und es erforschen.
2. Eine Schrägseil- und eine Hängebrücke vergleichen.
3. Begriffe im Zusammenhang mit einer Schrägseilbrücke verwenden und erklären.
MATERIAL
Jede Gruppe von 2 Schülern benötigt:
- 1 K’NEX Brücken-Set mit Anleitung
- Gewichte mit bestimmten Größen
(10-1000 Gramm)
- Schnur oder Seil
- Papier und Bleistifte
- Scheren
- Schulhefte
Schrägseil
Ähnlichkeiten: Beide haben Decks, die durch Kabel gehalten werden. Beide verteilen Last mit Hilfe von Türmen
auf den Grund oder den Fels.
Unterschiede: Bei einer Hängebrücke laufen die Kabel von Turm zu Turm und die Decke hängt an den Kabeln,
in einer Schrägseilbrücke dagegen gibt es normalerweise nur einen Turm, von dem die Kabel direkt zur
Fahrbahndecke laufen. HINWEIS: Einige Schrägseilbrücken haben Türme für längere Brückentafeln.
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72
Erklären Sie den Schülern, dass ein weiterer Unterschied der beiden Designs darin liegt, wie die Decks gebaut
sind. Das Deck einer Hängebrücke wird erst installiert, wenn die Kabel über den Türmen aufliegen und die
Hänger von den Kabeln hängen. Bei einer Schrägseilbrücke kann das Deck von den Türmen aus gebaut
werden, weil es sich dabei um ein Ausleger-System handelt. Die Kabel können angebracht werden, wenn jeder
Abschnitt an seinem Platz ist.
Übung: Was sind die Merkmale einer Schrägseilbrücke und welche anderen
Brückendesigns ähneln sie?
Schritte
1. Zeigen Sie Bilder von echten
Schrägseilbrücken. Die Schüler sollten
auch das Foto der Schrägseilbrücke in
ihrer Anleitung betrachten (Seite 14).
Bitten Sie die Schüler, die Unterschiede
zwischen einer echten Brücke und
ihrem Modell zu identifizieren.
Bitten Sie sie, diese Unterschiede im
Gedächtnis zu behalten.
2. Erklären Sie der Klasse, dass das Schrägseildesign relativ neu ist - die erste Brücke mit diesem Design wurde
1950 erbaut. Sie beinhaltet Elemente aus zwei Brücken, die sie bereits durchgenommen haben.
(a) Bitten Sie, einen Brückennamen zu
nennen, dem es ähnelt.
(b) Fragen Sie nach Vorschlägen,
welches andere Design integriert ist.
3. (a) Bitten Sie die Schüler, zu
beobachte und zu erklären, was
passiert, wenn eine Last auf jeden
der Arme platziert wird oder wenn
sie nach unten drücken.
(b) Was passiert, wenn sie die Last auf
die Mitte der Brücke legen?
(c) Ist das eine stabile Konstruktion?
Übung aus dem Bau-Set
Teilen Sie die Klasse in Gruppen von 2-3 Schülern und verteilen Sie ein K’NEX Brücken-Set an jede Gruppe.
Bitten Sie die Klasse, die Schrägseilbrücke mit einem Turm (auf Seite 14 der Bauanleitung) zu bauen.
HINWEIS: zwei Paar Hände sind nötig das Deck und die Stützstruktur zusammenzufügen.
Geben Sie den Schülern einige Minuten Zeit, ihr Gebilde zu untersuchen.
Die Antworten enthalten vielleicht: Ihr Modell hat nur einen
Turm; in ihrem Modell gibt es keine Pfeiler, die an Land
führen; echte Schrägseilbrücken haben wesentlich mehr Kabel.
Sie sollten sich erinnern, dass sie Ähnlichkeiten mit einer
Hängebrücke hat.
Einige nennen vielleicht eine Balkenbrücke. Helfen Sie
ihnen, zu erkennen, dass das Deck von der Mitte hinausragt
und führen Sie sie zu der Erkenntnis, dass es sich um das
Auslegerprinzip handelt, da das Deck ausgeglichen ist.
Bei dem K’NEX Modell ist die Brücke wie eine Wippe - sie ist
im Gleichgewich, aber wenn eine Last auf ein Ende gelegt wird,
hebt sich die andere Seite. Bei einer echten Schrägseilbrücke
haben beide Enden Stützpfeiler - schauen sie wenn nötig auf
die Fotos der echten Brücken.
EINFÜHRUNG EINFACHE MASCHINEN
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4. (a) Wo werden die Enden der Kabel
befestigt?
(b) Wie unterscheidet sich das von
der Hängebrücke?
5. Untersuche die Form der Kabel in
deinem Brückenmodell. Welche
Form kannst du erkennen?
Was weißt du über diese Form?
(Es liegt in ihrem Ermessen, ob die
Schritte 6-8 für ihre Schüler geeignet sind.)
6. Um die Kräfte und die Stütze
durch die Kabel zu demonstrieren,
bitten Sie jede Gruppe, die Kabel an
einer Seite der Brücke zu entfernen
und ein kleines Gewicht auf beide
Enden zu legen. Was passiert?
7. (a) Besprechen Sie, wie Schrägseil-
und Hängebrücken, sich beide
auf Zugkräfte verlassen, um das
Gebilde zu stabilisieren. Bitten
Sie die Schüler von ihrem
Modell auf die Teile der Brücke
zurückzuschließen, die unter
Zugkraft stehen und die Teile,
die Druckkraft ausgesetzt sind.
(b) Was stellen sie in Bezug auf die
Form der Brückendecke fest?
73
Schrägseil
HarfensystemFächersystemBüschel-/Bündelsystem
Am Turm und am Deck.
Das Ende ohne Kabel stürzt ein.
Die Kabel einer Hängebrücke müssen in großen
Betongebilden verankert werden, die im Baugrund versenkt
werden. Die Schrägseilbrücke benötigt diese Verankerung
nicht.
Die Brückendecke ist leicht gebogen. Die Bogenform der
Fahrbahndecke hilft die Spannung am unteren Ende der
Decke zu verringern.
Die Schüler sollten erkennen, dass die Kabel ein Dreieck
formen und sich daran erinnern, dass dies eine sehr
starke Form ist. Bei dieser Gelegenheit können sie weitere
Kabelmuster besprechen. Zeichnen Sie Skizzen an die
Tafel - siehe unten.
Sie sollten ihnen helfen, zu erkennen, dass der Turm und das
Deck, wenn Nutzlast aufliegt, Druckkraft unterliegen, während
die Kabel Zugkräften ausgesetzt sind. Sie wollen das vielleicht
weiter ausführen und erklären, dass bei einer Schrägseilbrücke,
der Widerstand der Kabel, nun unter Zugkraft, Last der
Brückendecke ausgleicht, während die Türme Druck ausgesetzt
sind und das Gewicht der Brücke stützen.
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Anwendung
Bitten Sie die Schüler, Illustrationen und Notizen zu machen und die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen
einer Schrägseil- und einer Hängebrücke zu identifizieren.
Wiederholen Sie mit der Klasse die charakteristischen Merkmale der Schrägseilbrücke und stellen Sie folgende Fragen
(die Schüler können Seite 15 der Bauanleitung heranziehen.)
Schrägseilbrücken sind eine Kombination
aus welchen zwei Brückenarten?
An welchen Plätzen stehen sie
normalerweise?
Bitten Sie die Schüler, die Beobachtungen an ihrem Modell festzuhalten und dabei die korrekten Begriffe zu
verwenden sowie eine beschriftete Zeichnung anzufertigen. Die Hefteinträge sollten folgende Fragen beantworten:
Was ist die Funktion der Türme?
Welche Funktion haben die Kabel?
(Wenn die Schritte 6-8 fertiggestellt sind)
Welche Teile der Brücke unterliegen
(i) Druckkraft, (ii) Zugkraft?
How is the road decking made strong
and rigid?
Wie wird die Fahrbahndecke stark und fest?
Bitten Sie die Schüler, das Arbeitsblatt 5: Schrägseilbrücken auszufüllen.
74
8. Beziehen Sie sich auf vorangegangene
Übungen zum Thema Stabilität einer
Brücke und sprechen Sie über mögliche
Probleme, die Ingenieure bei der
Entwicklung von Schrägseilbrücken
erfahren haben. Was passiert zum
Beispiel mit der Fahrbahndecke, wenn
sie sie vom Turm nach außen bauen?
Kräfte, die auf eine
Schrägseilbrücke
einwirken
Helfen Sie den Schülern, zu sehen, dass so, auch wenn
das Gebilde im Gleichgewicht ist, die Brücke leicht
einstürzen kann.
Die sind eine Kombination aus Auslegersystem und
einer Hängebrücke, wo der Turm einen ausgewogenen
Abschnitt der Fahrbahn mit Kabeln stützt.
Im Allgemeinen handelt es sich um Brücke mittlerer
Größe. In jüngster Vergangenheit aber, wurden längere
Brücken aus zwei oder mehr Schrägseiltürmen gebaut.
Die Kabel ziehen an ihr und formen einen leichten Bogen.
Bei dieser Gelegenheit finden die Schüler vielleicht heraus,
dass ein zusätzliches Fachwerk-System ebenfalls die
Stärke und Härte erhöht.
Türme und Kabel stützen das Gewicht der
Fahrbahndecke und ihrer Nutzlast.
i. Turm und Oberteil des Decks, ii. die Kabel.
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75
Weiterführend
1. Bitten Sie die Schüler, die Schrägseilbrücke mit den beiden Türmen auf Seite 15 der Bauanleitung
zu bauen. Sie sollten danach ein echtes Modell betrachten, einen illustrierten Bericht mit Fakten
und Zahlen dazu schreiben und erklären, warum es für den Standort geeignet ist. Hätten die Schüler
hier auch eine Schrägseilbrücke eingesetzt? Sie sollten ihre Antworten erklären können. (z.B. Neue
Ziegelgrabenbrücke in Stralsund, Rheinkniebrücke in Düsseldorf, Sutong-Brücke in Nantong, China.)
Die folgenden Website gibt nützliche Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%A4gseilbr%C3%BCcke#Beispiele
2. Untersuchen Sie, wie die Kabel bei einer Schrägseilbrücke gespannt werden. Vergleichen Sie den Ablauf beim
Bau einer Schrägseilbrücke mit dem Ablauf beim Bau einer Hängebrücke.
Schrägseil
Hefteinträge:
4
Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Schrägseilbrücke und Hängebrücke, mit Zeichnung
4
Charakteristische Merkmale der Schrägseilbrücke
4
Funktion der Hauptbestandteile einer Schrägseilbrücke.
NOTIZEN:
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
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BRÜCKEN
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Eine Brücke entwerfen:
Zeit- und Kostenfaktor.
77
DURCHFÜHRUNG
Einleitung
Nachdem die Schüler ihre Untersuchungen zu den verschiedenen Brückenarten abgeschlossen haben, sollten sie
nun verstehen, dass die Ingenieure nicht nur den Standort und die Funktion bei den Entwürfen für eine neue
Brücke berücksichtigen müssen. Die Kosten und der Zeitrahmen für die Fertigstellung der Brücke sind wichtige
Faktoren. Wenngleich sie aus Sicherheitsgründen nicht an den Materialkosten sparen können, müssen sie doch
innerhalb des Budgets bleiben. Sie müssen auch bedenken, dass vielleicht nur bestimmte Materialien für die
Brücke zur Verfügung stehen und das könnte Einfluss auf den Entwurf und Bau der Brücke haben. Es ist ebenfalls
wichtig, sich an einen Terminplan zu halten – werden Fristen nicht eingehalten, lässt dies die Kosten für den Bau
der Brücke steigen und der Verkehr wird für einen längeren Zeitraum beeinträchtig.
Erklären sie den Schülern, dass sie in Gruppen von 4-6 Schülern als eine Art “Firma“ für Brückenbau arbeiten und
eine Brücke gestalten, die eine spezielle Last tragen kann. Jedes Team sollte sich einen “Firmennamen“ geben.
Die Aufgabe
Entwurf und Bau einer Brücke, die eine Lücke von 40cm überspannen und eine Last von 50g auf ihrer Mitte
tragen kann. Die Brücke muss eine Fahrbahn haben, auf der sich Fahrzeuge bewegen können.
Wettkampf-Bedingungen
Diese Übung ist eine Art Wettstreit, bei dem die Schüler gebeten werden, ihre Brücke aus einem Blatt Papier
(ca. 21 x 27 cm), Büroklammern, Klebeband, Pfeifenreinigern, Trinkhalmen und einer Schnur zu bauen. Die
Firmen entscheiden, welches Material sich für ihren Entwurf am besten eignet.
Die Firmen dürfen keine K’NEX Bauteile für ihren Entwurf verwenden, sie können aber die Sets für Tests oder
Versuche heranziehen.
Die Firmen haben 45 Minuten Zeit für die Fertigstellung des Entwurfs, in dieser Zeit müssen sie den
Materialeinsatz schätzen und den Einkauf vornehmen. Für den Bau der Brücke haben sie weitere 45 Minuten.
ZIELE
Die Schüler werden:
1. Das Modell einer Brücke entwerfen und bauen. Dabei muss eine Reihe von Kriterien berücksichtigt werden.
2. Die Kosten des für den Brückenbau benötigten Materials kalkulieren.
3. Mit anderen Teams einen Wettstreit austragen, bei dem das kostengünstigste Modell gefunden werden soll.
Das Modell muss innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens erstellt werden und alle Anforderungen erfüllen.
MATERIAL
Jede Gruppe von 4-6 Schülern benötig:
- 1 oder 2 K’NEX Brücken-Sets mit Anleitung
- Schnur oder Kordel
- Papier ca. 21 x 27 cm
- Bleistifte
- Scheren
- Büroklammern
- Pfeifenreiniger
- Trinkhalme
- Klebeband
- Schulhefte
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Das Material kann im “Lehrer-Geschäft“ zu folgenden Preisen gekauft werden:
Papier 21 x 27 cm € 5 /Blatt
Klebeband € 1 /10 cm Streifen
Büroklammer € 0,50 / Stück
Trinkhalm € 1 /Stück
Pfeifenreiniger € 2 /Stück
Schnur/Kordel € 1 /10 cm Stück
Diejenigen, die am besten planen, haben am Ende kein Material übrig. Überschüssiges Material wird vom Lehrer-
Geschäft zum halben Preis zurückgekauft. Sollte nach dem Ersteinkauf weiteres Material benötigt werden, kann
dies zum doppelten Preis gekauft werden.
Die Firmen müssen für ihre Brücke einen Namen finden.
Der Gewinner
Gewinner ist die Firma, deren Brücke alle Anforderungen erfüllt, innerhalb der vorgegebenen Zeit fertiggestellt
wurde und die niedrigsten Kosten aufweist.
Design und Bau
Erinnern sie die Schüler, dass Vorplanung und Testen möglicherweise der Schlüssel zum erfolgreichen Einstieg
in den Wettkampf sind. Sie sollten die Schüler ermuntern, auch anderes Material, das nicht auf der offiziellen
Materialliste steht, für die Tests zu verwenden.
Schlagen sie vor, dass die Firmen all ihre Ideen und Gründe für das Verwerfen oder Annehmen auf Papier
festhalten. Sie sollten auch Notizen und Kommentare zu den Arbeiten an ihrem Design notieren.
Ermutigen sie die Schüler, gemeinsame Entscheidungen zu treffen und sich gegenseitig bei der Arbeit und dem
Einhalten der Fristen zu unterstützen. Erklären sie den Firmen, dass sie die Teamarbeit überwachen - jeder
sollte die Möglichkeit haben, sich am Brückenentwurf und dem Bau zu beteiligen. Vielleicht wollen sie jedem
Teammitglied eine bestimmte Aufgabe zuteilen.
Erinnern sie die Firmen, ihre Schulhefte zu nützen und Material und Kosten im Auge zu behalten. Sie wollen
ihre Informationen möglicherweise in einer Aufstellung festhalten und das Material, die Einzelkosten und die
Gesamtsumme entsprechend auflisten. Sie sollten ihre Kalkulationen überprüfen und sicherstellen, dass sie
ihre Kosten richtig zusammengezählt haben.
Wenn sie ihren Brückenentwurf auswerten, sollten sie sich folgende Fragen stellen:
• Wiekönnenwirsietragfähigmachen?
• Wiekönnenwirsieverstärken?
• WosinddieSchwachstellenindemEntwurf?
• Wiekönnenwirsiestützen?
Erlauben sie jeder Firma, ihre Brücke zu testen und sicher zu stellen, dass sie das Gewicht von 50g tragen kann.
Überprüfen sie bei jeder Gruppe Kosten und Zeit und vergeben sie den Brückenbauvertrag an die Firma, die
allen Anforderungen in Bezug auf Budget, Zeit, Brückenstärke und effektive Teamarbeit gerecht wird.
(Bereiten sie ein offiziell aussehendes Dokument als “Vertrag” vor.)
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Anwendung
Im Anschluss an den Wettstreit bitten sie die Schüler:
Probleme, die sie eventuell hatten, mitzuteilen und zu beschreiben, wie sie diese gelöst haben.
Zu beschreiben, wie ihr Design verbessert werden könnte – wo sind die Schwachstellen und wie könnten sie
verstärkt werden.
Zu erklären, wie sie ihr Brückenmodell mit weniger Material verstärken könnten.
NOTIZEN:
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__________________________________________________________________________________________________
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ARBEITSBLATT 1
BALKENBRÜCKEN
Beschreibe mit kurzen Sätzen, welche Funktion die
folgenden Teile einer Balkenbrücke übernehmen.
1. PFEILER ______________________________________
_________________________________________________
2.TRÄGER
_______________________________________
_________________________________________________
3. SPANNWEITE __________________________________
_________________________________________________
4. BRÜCKENDECKE _______________________________
_________________________________________________
5. RAMPE ________________________________________
_________________________________________________
6. GELÄNDER ____________________________________
_________________________________________________
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ANTWORTEN:
ARBEITSBLATT 1: BALKENBRÜCKEN
PFEILER: senkrechte Stützen, die eine Balkenbrücke
halten.
TRÄGER: Horizontales Rahmenwerk, das auf Pfeilern
aufliegt.
SPANNWEITE: Abstand zwischen den Pfeilern.
BRÜCKENDECKE: Grundlage, auf der die Fahrbahn oder
der Gehweg gebaut ist.
RAMPE: Schräger Abschnitt, der das Land mit dem
Balken verbindet.
GELÄNDER: Schutzvorrichtung entlang der Decke, die
verhindert, dass Dinge oder Menschen von der Brücke
fallen.
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ARBEITSBLATT 2
FACHWERK-MIX
Während in Deutschland die Fachwerkträger vorwiegend nach der äußeren Form unterschieden werden
(z.B. Parallelträger, Trapezträger), werden in Nordamerika die Fachwerkträger nach dem Konstrukteur oder der
Bahngesellschaft bezeichnet, die einen bestimmten Trägertyp vorwiegend einsetzte. Eine bebilderte Darstellung
findest du unter: http://www.karl-gotsch.de/Lexikon/Fachwerk.htm
Unten sind die Namen und Abbildungen der verschiedenen nordamerikanischen Fachwerkbrücken durcheinander geraten,
versuche sie wieder zu ordnen und ziehe Linien vom Namen der Brücke zur richtigen Abbildung.
BALTIMORE (PRATT)
WARREN
PENNSYLVANIA (PRATT)
LATTICE
PRATT
WHIPPLE
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ANTWORT:
ARBEITSBLATT 2: FACHWERK-MIX
BALTIMORE (PRATT)
WARREN
PENNSYLVANIA (PRATT)
LATTICE
PRATT
WHIPPLE
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ARBEITSBLATT 3
BOGENBRÜCKE
Kannst du die folgenden Sätze über eine Bogenbrücke vervollständigen?
Benutze dazu die Wörter aus dem Kasten unten. Nachdem du alle fehlenden
Wörter eingetragen hast, kannst du mit Hilfe der Buchstaben auf den fett
unterlegten Platzhaltern die nachfolgende Frage beantworten:
Wofür wurden Bögen vor dem Brückenbau genützt?
— — — — — — — — — —
1. 1. Die Seitenteile der Brücke, wo sie mit dem
Land verbunden sind, sie stützen den Bogen:
— — — — — — — — — —
2. Drei Materialien aus denen Bogenbrücken
hergestellt werden:
— — — — —
— — — — —
— — — — —
3. Spezielle, lange Bögen, die Wasser von
einem Fluss in die Stadt bringen:
— — — — — — — — —
4. Die Kraft, die bei einer Bogenbrücke am
stärksten wirkt:
— — — — — — — — — —
5. Welche Kultur hat die Bogenbrücke
entwickelt? Die Kultur der:
— — — — —
6. Der obere mittlere Stein in einer Bogenbrücke,
alle anderen Steinen lehnen sich an ihn oder
drücken dagegen:
— — — — — — — — — — — —
WIDERLAGER
AQUÄDUKTE
SCHLUSSSTEIN
STEIN
RÖMER
BETON
STAHL
DRUCKKRAFT
a
e
o
k
D
ö
i
t
BRÜCKEN
n
r
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ANTWORTEN:
ARBEITSBLATT 3:
BOGENBRÜCKEN
1. Widerlager 4. Druckkraft
2. Stein, Beton, Stahl 5. Römer
3. Aquädukte 6. Schlussstein
Bögen dienten als DEKORATION.
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ARBEITSBLATT 4
DIE HÄNGEBRÜCKE
Hier findest du einige Aussagen über die Hängebrücke. Sind sie
wahr oder falsch?
Wenn eine Aussage falsch ist, ändere sie so ab, dass sie richtig
wird.
_______1. Alle Hängebrücken haben drei Dinge gemeinsam: zwei
sehr hohe Türme/Pylonen; starke Verankerungen;
Kabel, die aus vielen Drähten gefertigt sind.
_______2. Die Decke hängt an den Kabeln.
_______3. Hängebrücken haben üblicherweise die längste
Spannweite von allen Brücken.
_______4. Je länger die Hängebrücke ist, desto niedriger müssen
die Türme/Pylonen sein.
_______5. Der schlimmste Feind einer Hängebrücke ist Regen,
denn er kann die Stahlkabel rosten lassen.
_______6. Einige der berühmtesten Brücken der Welt sind
Hängebrücken.
_______7. An den Kabeln einer Hängebrücke arbeiten keine
Zugkräfte.
_______8. Einer der letzten Arbeitsschritte beim Bau einer
Hängebrücke ist das Verankern der Kabel.
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ANTWORT:
ARBEITSBLATT 4:
DIE HÄNGEBRÜCKE
1. Wahr
2. Wahr
3. Wahr
4. Falsch: Je länger eine Hängebrücke ist, desto höher
müssen die Türme/Pylonen sein.
5. Falsch: Der schlimmste Feind einer Hängebrücke ist
Wind, denn er kann dafür sorgen, dass die Brücke
schwingt oder sich verdreht.
6. Wahr
7. Falsch: Die Kabel einer Hängebrücke stehen unter
permanenter Zugkraft.
8. Falsch: Einer der letzten Arbeitsschritte beim Bau einer
Hängebrücke ist das Hängen des Decks.
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ARBEITSBLATT 5
SCHRÄGSEILBRÜCKEN
Im Folgenden findest du verschiedene Brückeneigenschaften.
Setze einen Haken neben die Aussagen, die auf eine
Schrägseilbrücke zutreffen.
_______ Zwischen Turm und Decke sind Kabel gespannt.
_______ Diese Brückenart überspannt leicht Entfernungen
unter 1.000 Metern.
_______ Ein Turm stützt einen sich im Gleichgewicht
befindenden Abschnitt des Decks.
_______ Es sind keine Verankerungen am Ende des Kabels
nötig.
_______ Die Decke hebt sich, um Schiffe sicher passieren
zu lassen.
_______ Bei diesem Brückentyp finden sich immer
Widerlager.
_______ Zugkraft wirkt auf die Kabel ein.
_______ Ein Schlussstein hilft, die anderen Steine der
Brücke an ihrem Platz zu halten.
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ANTWORT:
ARBEITSBLATT 5:
SCHRÄGSEILBRÜCKEN
Die folgenden Prinzipien gelten für Schrägseilbrücken:
4
Zwischen Turm und Decke sind Kabel gespannt.
4
Diese Brückenart überspannt leicht Entfernungen
unter 1.000 Metern.
4
Ein Turm stützt einen sich im Gleichgewicht
befindenden Abschnitt des Decks.
4
Es sind keine Verankerungen am Ende des Kabels
nötig.
4
Zugkraft wirkt auf die Kabel ein.
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ARBEITSBLATT 6
BENENNE DIESE BRÜCKE
Im Folgenden findest du Aussagen über die verschiedenen Brückenarten, die du kennengelernt
hast. Trage jeweils den richtigen Brückennamen neben die Aussage. Die Brückennamen können
mehrmals genannt werden.
BOGEN BALKEN FACHWERK KLAPP
AUSLEGER HÄNGE SCHRÄGSEILBRÜCKE
1. Weil Brücken wie ich lang und leicht sind und hoch in die Luft ragen, ist unser größter
Feind der Wind._____________________________________________
2. Die Originalversion von mir wurde von Baumeistern aus keilförmigen Steinen gefertigt, die
perfekt aneinander passten. Sie wurden mit dem Gewicht der Brücke am Platz gehalten.
_____________________________________________
3. Als Brücke bin ich beliebt, wenn die Spannweite weniger als 1.000 Meter beträgt,
hauptsächlich weil ich keine Verankerungen oder eine Vielzahl an Pfeilern benötige.
_______________________________
4. Mein Design erinnert an eine Wippe, das Wörterbuch beschreibt mich als Hebel – etwas, das
sich im Gleichgewicht befindet, wenn ein Ende gesenkt wird, hebt sich das andere Ende.
______________________________________________
5. In der Vergangenheit wurde ich zur Überbrückung von kleineren Distanzen, wie kleinen
Bächen oder Flüssen eingesetzt. _______________________________________________
6. Die Stärke meines Designs liegt im Einsatz von Dreiecken. __________________________
7. Brücken wie ich, werden üblicherweise aus zwei Balken gebaut, jeder wird dabei von einem
Pfeiler gestützt. ___________________________________________________
8. Ich bin ein neues Brückendesign, das Elemente der Ausleger- und der Hängebrücke
enthält. Ich bin leichter zu bauen als diese Brücken, mein Einsatz ist aber beschränkt, weil
ich nur kürzere Distanzen überspannen kann. ____________________________________
9. Zwei Brücken mit meinem Design sind die Brooklyn Bridge und die Golden Gate
Bridge. Sie haben beide Fahrbahndecken, die an Kabeln hängen, die aus Hunderten von
Stahldrähten gefertigt wurden. ____________________________________
10. Ich bin eine der ältesten und einfachsten Brücken. Heute kann ich eine relativ komplexe
Brücke sein, aber wie meine Vorfahren stütze ich mein eigenes Gewicht und die Nutzlast
auf vertikalen Pfeilern. ________________________________________
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ANTWORT:
ARBEITSBLATT 6:
BENENNE DIESE BRÜCKE
1. Hängebrücke
2. Bogenbrücke
3. Schrägseilbrücke
4. Klappbrücke
5. Balkenbrücke
6. Fachwerkbrücke
7. Auslegerbrücke
8. Schrägseilbrücke
9. Hängebrücke
10. Balkenbrücke
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2 …


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Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - English - 83 pages

Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - Dutch - 81 pages

Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - French - 94 pages


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