Gib Gummi - Fahrzeuge mit Gummizugantrieb
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Stand: Januar 2023
Gib Gummi – Fahrzeuge mit Gummizugantrieb
Für Schüler*innen der 3. - 6. Klassenstufe
Einleitung
Das Leben stellt die Menschen jeden Tag vor neue Herausforderungen. Es ist daher nicht
verwunderlich, dass wir ständig neue Lösungen für diese Probleme benötigen. Das Wort Probleme
klingt dabei immer etwas negativ, dabei ist es eigentlich genau das Gegenteil. Hätte es in der
Geschichte der Menschheit keine Probleme gegeben, würden wir sehr wahrscheinlich noch den
Großteil unserer Zeit in einer Höhle verbringen. Und selbst das Leben in einer Höhle entstand aus
einem Problem heraus: Die Menschen konnten sich nicht anders vor schlechten Witterungen und
Tieren schützen. Du siehst also, dass Probleme einen ganz großen Einfluss auf die Entwicklung der
gesamten Menschheit haben. Nicht selten entstehen aber mit einer Lösung wieder neue Probleme –
ein Teufelskreis! Deshalb müssen Kompromisse gefunden werden, die das Problem so gut wie möglich
lösen, ohne dabei neue, größere Probleme zu erzeugen.
Wer kümmert sich nun aber um diese Kompromisse und arbeitet an Lösungen? Das sind die Aufgaben
des Ingenieurs. Er soll die Probleme erkennen und Lösungen finden. Natürlich macht das nicht ein
Igenieur alleine, sondern ganz viele miteinander. Die Welt zu verbessern ist Teamarbeit.
Vielleicht hast auch Du irgendwann einmal Lust, solch eine Aufgabe zu übernehmen. Und dann wäre
es natürlich ideal, wenn Du schon etwas weißt, wie das funktioniert. Früh übt sich, wer ein Meister
werden will!
Damit Du viel lernst und dich auch mit anderen messen kannst, erfährst Du auf den nachfolgenden
Seiten, wie Du an deinem persönlichen Fahrzeug arbeiten und die Probleme bewältigen kannst, die bei
der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung entstehen. Am Ende wird sich eine Jury Dein Fahrzeug
ganz genau anschauen und es in unterschiedlichen Disziplinen testen. Stelle also Dein Talent als
Entwickler, Konstrukteur, Problemlöser und Technik-Ass unter Beweis und baue das beste Gummizug-
Auto, was die Welt bisher gesehen hat.Stand: Januar 2023
Regelwerk
Wie in der echten Welt gibt es auch hier ein paar Regeln zu beachten – denn ohne Regeln geht es
einfach nicht! Im nachfolgenden Regelwerk steht alles, was Du für den Bau deines Autos wissen musst.
Ein paar Experimente helfen Dir zudem dabei, die Zusammenhänge zu verstehen und dein Auto richtig
zu optimieren. Viel Spaß!
Rahmen
Max. Achsabstand: 500 mm
Max. Achsdurchmesser: 8 mm
Max. Durchmesser: 120 mm
Räder
Die Anzahl und Form der Räder sind freigestellt.
Die Laufflächen der Räder sind freigestellt.
Kraftübertragung und Antrieb
Der Antrieb des Fahrzeugs muss ausschließlich durch einen Gummizug erfolgen.
Maximale Länge im gespannten Zustand: 300 mm
Max. Durchmesser des Gummizugs: 4 mm
Der Gummizug darf aus einzelnen Strängen zusammengesetzt werden, wobei der
Gesamtdurchmesser nicht überschritten werden darf.
Eine Ummantelung des Gummis ist zulässig, sofern der zulässige Gesamtdurchmesser
nicht überschritten wird.
Es ist keine Richtungssteuerung des Fahrzeugs zulässig.
Steuerung
Eine Sicherung des gespannten Gummizugs ist zulässig. Diese muss ohne Werkzeug zu
lösen sein.
Material
Die Materialien sind freigestellt.Stand: Januar 2023
Experimente
1. Federrate bestimmen
Jedes Fahrzeug benötigt einen „Motor“. Dieser Motor wird ganz allgemein als Antrieb
bezeichnet. Auch Dein Auto benötigt diesen Antrieb. Nun wäre es kein Gummizugauto, wenn
Dein „Motor“ kein Gummi wäre. Du benötigst also ein möglichst elastisches Material, was in
der Lage ist, Energie zu speichern und später wieder abzugeben.
Damit Du den besten Antrieb für Dein Auto findest, solltest Du verschiedene Materialien
vergleichen. Mit dem nachfolgenden Experiment wirst Du ganz sicher den besten Antrieb
finden.
Zunächst benötigst Du verschiedene Gummis. Hierzu eignen sich z.B. ganz normale
Haushaltsgummis, Haargummis oder dünne Spanngummis. Für einen Vergleich sind immer
mindestens zwei Gegenstände notwendig – mehr sind aber immer besser. Außerdem brauchst
Du ein Gewicht, ein Lineal, eine Wäscheklammer, etwas Schnur und eine Küchenwaage.
Lege zunächst den Gummi auf den Tisch und miss die Länge. Diese Länge nennt man auch
entspannte Länge, da sich der Gummi im entspannten Zustand befindet. Notiere diese Länge
in der Tabelle, die Du weiter unten findest.
Als nächstes verbindest Du die Wäscheklammer und das Gewicht mit einer Schnur. Damit wird
im nächsten Schritt der Gummi belastet. Zuvor musst Du diesen Aufbau noch mit der Waage
auswiegen. Notiere das Ergebnis in dem dafür vorgesehenen Kästchen.
Gesamtgewicht: g
Als nächstes benötigst Du etwas Hilfe von einer weiteren Person, indem sie den Gummi an
einem Ende ganz knapp zwischen den Fingern hält. An das andere Ende hängst du die
Wäscheklammer mit dem Gewicht und misst wieder mit dem Lineal die Länge des Gummis.
Diesen Versuch wiederholst du mit allen Gummis, die du untersuchen möchtest.Stand: Januar 2023
Trage die Ergebnisse in die nachfolgende Tabelle ein:
Nr. Länge ohne Gewicht [cm] Länge mit Gewicht [cm]
Fragen
o Was fällt euch bei den unterschiedlichen Gummis auf?
o Wie muss der Gummi sein, damit er eine möglichst hohe Energie speichern kann?
2. Radumfang bestimmen
Der Gummizug deines Fahrzeuges ist nicht unendlich lang. Daher kannst Du diesen nur wenige
Male um die Achse wickeln. Damit das Fahrzeug so weit wie möglich rollt, ist es wichtig
herauszufinden, wie weit das Fahrzeug bei einer Umwicklung in der Länge rollt.
Nimm dazu die Materialien, die Du gern als Räder verwenden möchtest. Lege die Räder
nebeneinander vor Dir hin und markiere sie an einer Stelle.
Als nächstes benötigst du etwas Kreppband und Stifte in den Farben Deiner Markierungen auf
den Rädern. Klebe ein breites Stück Kreppband als Startlinie auf den Tisch. Lege nun ein Rad
mit der Markierung an der Startlinie an und rolle dieses dann solange in eine Richtung bis die
Markierung wieder unten auf der Tischplatte steht. Markiere Dir für jedes Rad die Position.Stand: Januar 2023
Nun kannst Du die verschiedenen Strecken ausmessen und in der nachfolgenden Tabelle
notieren.
Nr. Zurückgelegte Strecke [cm]
1
2
3
4
Fragen
o Was konntest Du durch das Experiment feststellen?
o Welche Eigenschaften sollte das Rad haben, um eine möglichst große Strecke
zurückzulegen?
3. Kraft und Weg streiten sich
Nun hast Du bereits einen passenden Gummi und Räder für Dein Fahrzeug ausgewählt. Wir
haben gelernt, dass der Gummi nur eine bestimmte Menge Energie speichern kann und die
zurückgelegte Wegstrecke vom Umfang des Rades abhängig ist. Um also die Energie des
Gummis optimal nutzen zu können, kann man eine Kraftübersetzung einführen.
Wenn sich der Gummi entspannt, wir eine geradlinige Bewegung erzeugt. Durch das
Umwickeln wird diese Bewegung in eine Drehbewegung (= Rotation) übersetzt. Das ist ganz
ähnlich, wie bei der Sprache: Der Inhalt bleibt gleich, aber die Form ändert sich. Die Räder
übersetzen diese Rotation wieder in eine geradlinige Bewegung.
Aus Experiment 1 hast Du gelernt, dass Du für die Längenänderung des Gummis eine Kraft in
Form eines Gewichtes benötigst. Diese Kraft muss nun in ein sogenanntes Moment übersetzt
werden. Ein Moment ist eine Kraft, die an einem Hebel wirkt. Das klingt für Dich jetzt sicher
etwas kompliziert, ist aber eigentlich ganz einfach. Dazu schauen wir uns die Achse deines
Autos an.Stand: Januar 2023
Der lila-farbige Kreis ist die Achse Deines Fahrzeugs. Der gelbe Kreis ist das Rad. Aus
Experiment 2 weißt Du, dass ein Rad mit großem Durchmesser in einer Umdrehung eine
weitere Strecke zurücklegt, als ein Rad mit kleinerem Durchmesser. Das bedeutet, dass Du den
Gummi häufiger um einen Gegenstand wickeln kannst, wenn der Durchmesser kleiner ist.
Aber was ist nun mit dem Moment? Schauen wir dazu in das vorherige Bild.
Fall 1: Wenn der Hebel sehr klein ist, ist auch das Moment sehr klein. Dann kann man zwar den
Gummi häufiger umwickeln, aber das Moment ist zu klein, um das Fahrzeug gut zu
beschleunigen.
Fall 2: Ist der Hebel dagegen sehr groß, ist auch das Moment groß. Der Gummi kann nicht mehr
so häufig aufgewickelt werden, sodass eine kürzere Strecke für die Beschleunigung bleibt. Auf
dieser kurzen Strecke ist die Beschleunigung dafür aber deutlich größer.
Nun hast Du bereits Dein fertiges Auto vor Dir stehen. Vermutlich fragst Du dich nun, was nun
das dritte Experiment sein soll, denn die Erklärung hast Du ja bereits gelesen. Und da kommen
wir an den Punkt, wo Du auf den Spuren der Ingenieure unterwegs sein kannst.
Denn so einfach, wie hier beschrieben, ist es in der Realität oft nicht und genau dort liegen die
Aufgabe des Ingenieurs. Er muss herausfinden, wo sich die Grenzen befinden und wie gut
verschiedene Dinge funktionieren, um sie im Anschluss besser zu machen. Das sind
Fähigkeiten, die auch Du in deinem Leben immer wieder brauchen wirst, um Probleme zu
lösen.
Dein Problem ist nun, dass Du das optimale Verhältnis aus Umwicklung und Durchmesser
finden musst. Dazu nutzt Du am besten etwas Pappe, welche Du um die Achse wickelst, mit
einem Klebestreifen fixierst und damit den Durchmesser der Achse vergrößerst. Mit
anschließenden Testfahrten kannst Du überprüfen, wie weit Dein Fahrzeug jeweils fährt.
Trage die Werte in die nachfolgende Tabelle ein.
Nr. Durchmesser der Achse [mm] Zurückgelegte Strecke [m]Stand: Januar 2023 Zusammenfassung Du hast es geschafft! Vor Dir steht nun Dein selbstgebautes und gut eingestelltes Auto. Du hast viel gelernt und bist nun in der Lage, verschiedene Materialien nach ihrer Elastizität zu unterscheiden, hast kennengelernt, wie man den Umfang eines Rades bestimmt und wie man einen Kompromis für das optimale Ergebnis finden kann. Hast du noch Fragen? Brauchst Du Hilfe beim Bauen deines Autos? Dann zögere nicht und melde Dich gern bei uns. Wir freuen uns auf Dich, Dein Fahrzeug und die Ergebnisse! Schicke uns dazu gern ein Foto oder Video und zeige uns, was in dir steckt. Die MINT-Botschafter*innen der BTU Cottbus-Senftenberg Kontakt: Pascal Fritzsche MINT-Botschafter Fakultät 3 – Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme pascaldirk.fritzsche@b-tu.de 0355 69 4600
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