Lehrtätigkeit, die von Anastasiia Plotnikova und Biagio Ambrosio im Rahmen des Doktoratsstudiums “Designing innovative public engagement activities” 2022 am Universität Padova konzipiert wurde.

Welche Kräfte widersetzen sich der Schwerkraft? Archimedes-Kraft, Reibungskraft, magnetische Kraft, Auflagerkraft.
Erleben Sie die Herausforderung zwischen der Schwerkraft und jeder dieser Kräfte, um immer wieder herauszufinden, wer der Gewinner ist.

Materialien

  • Schräge sur Hälfte lackiert
  • Wasserbehälter
  • Schuhkartons
  • Magnete
  • Holzwürfel
  • Nägel
  • Kupferdrähte
  • Aluminiumfolie
  • Leim
  • Papier

 

 

Für den Tinkering-Tisch:

  • Schräge sur Hälfte lackiert
  • Wasserbehälter
  • Schuhkartons
  • Magnete
  • Kupferdrähte
  • Papier
  • lange Zahnstocker für Spiesschen

 

 


Hinweis: Hälfte der Holzwürfel werden mit 12 Nägel gefüllt (2 Nägel für jede Seite der Würfe). Dann warden sie mit Kupferdraht und eine Aluminschicht überzogen. Dies ermöglicht die kostengünstige Herstellung von ‘metallischen’ Würfeln. Die Metalwurfel, auf die im Text verwiesen wird, sind so aufgebaut, wie wir gerade beschrieben haben.

Bescheribung der Aktivität

Während dieser Aktivität, werden die Teilnehmer die Herausförderung zwischen der Scjwekraft und den anderen Kräften erfahren. Die Aktivität gliedert sich in vier ‘Stufen’: in jedem von ihnen wird die Schwerkraft eine der folgenden Kräfte herausfordern:

  1. Archimedes-Kraft
  2. Reibungskraft
  3. magnetische Kraft
  4. Reaktionskraft

Am Ende des Erlebnisses, bereiten Sie einen Tinkering-Tisch.

Vorebereitung:
1. Archimedes-Kraft: stellen Sie di Behälter auf den Tisch, weit genug entfernt vor ihnen und vpn den Rändern; füllen Sie dann die Behälter mit Wasser fino ad un livello bis 4 cm von der Oberseite.
2. Reibungskraft: legen Sie die geneigte Platte auf den Tisch und befestigen Sie es mit etwas Stabiles (Felsen sind in Ordnung; wenn Sie keine solcehn Gegenstände zur Verfügung haben, halten Sie di Tischplatte mit den Händen fest). Die Platte muß anfangs eine geringe Neigung haben (Abbildung 1).

Abbildung 1

3. Magnetische Kraft: entfernen Sie die Deckel der Schuhkartons und legen Sie diese auf den Tisch, indem Sie die kleinere Flächen as Basis verwenden; befestigen Sie dann die Magnete mit Kleber auf der inneren Seite der oberen teil (Abbildung 2).
4. Reaktionskraft: legen Sie zwei Schuhkartons (mit Deckel) auf den Tisch. Dabei warden die größten Flächen als Basis verwendet. Halten Sie auch Papiertücher dabei.

Abbildung 2

Tinkering-Tisch: legen Sie auf diesen Tisch das in der Sektion angegebene Material ‘Für den Tinkering-Tisch’.

Vorarbeiten:
Jeder Teilnehmer erhält einene Holz- und einen Metall-Würfel (anders als die vier in den verschieden Stadien) (Abbildung 3).
Der Lehrer kann die Aktivität erklären, und den Teilnehmer die Geschichte der Auseinandersetzung zwischen Schwerkraft una anderen Kräften erzählen.

Abbildung 3

Durchführung:

Archimedes-Kraft
Der Lehrer stellt kurz die Archimedes-Kraft vor, dann bittet die Teilnehmer (Abbildung 4) die Holz- und Metall- Würfel ins Wasser zu legen, um zu zeigen, wie die Archimedes-Kraft mit verschiedenen Materialien wirkt.

Abbildung 4

Reibungskraft:
Der Lehrer stellt kurz die Reibungskraft vor. Danach, werden die Teilnehmer gebeten, ihre Würfel aufder geneigte Ebene fallen zu lassen, indem sie nur das unlackierte Teil verwenden (Abbildung 5): Metallwürfel und Holzwürfel fallen unterschiedlich schnell, da die Reibung von Werkstoffen abhängt.

Abbildung 5

Dann bittet der Lehrer zwei teilnehmern ihre Holz- oder Metall-würfel ( wichtig ist, dass sie aus dem gleichen Material bestehen) auf den beiden verschiedenen Tailen der Platte zu platzieren (Abbildung 6). Sie platzieren einen Wurfel auf dem lackierten Teil, und den anderen auf dem unlackierten Teil, auf gleicher Höhe, und lassen sie fallen: auch wenn die Würfel das gleiche Gewicht haben, das, was entlang des lackierten Teil der Tischplatte fällt ist langsamer, weil der Lack die Bodenreibung erhöht, und damit die Schwerkraft mühsam.

Abbildung 6

Magnetische Kraft:
Der Lehrer stellt kurz die magnetische Kraft vor, dann bittet die Teilnehmer, die Würfel gegen die Innenseite der Oberseite der Schachtel zu legen (wo die Magnete geklebt sind) und dann lassen sie fallen (Abbildung 7). Wir können sehen, dass die magnetische Kraft nur mit Metallen wirkt.

Abbildung 7

ForzaReaktionskraft:
Der Lehrer stellt kurz die Reaktionskraft vor. Dann legt er den Deckel zwischen die beiden Kisten, un bittet die Teilnehmer, die Würfel darauf zu legen (Abbildung 8). Die Würfel fallen nicht. Danach, wird der Deckel durch ein Blatt Papier ersetzt. Die Würfel fallen (Abbildung 9). Jetzt kann man die Teilnehmer fragen, wie man das papier widerstandsfähiger macht. Sie können herausfinden, dass, durch das Zusammenfalten des Papiers, kann man das Blatt stark genug machen, dass die Würfel nicht fallen (Abbildung 10).

Abbildung 8

Abbildung 9

Abbildung 10

Am Ende, erreichen alle Teilnehmer den Tisch des Tinkering. Hier können alle Teilnehmer sich mit Würfel, Papier, Magneten und alle andere Gegenständen vergnügen, und setzen das Gelernte in die Praxis um.

Erklärung des physikalischen Prozesses

Die Schwere ist die Kraft, die alle massiven Objekte im Universum aneinander zieht. Das Licht hat keine Masse, aber leidet sich auch under der Schwerkraft, die in der Lage ist, seine Flugbahn zu krümmen. Diese Kraft erklärt, warum die Planeten um die Sterne kreisen, und warum die Objeke auf der Erde fallen. Wie Isaac Newton entdeckte, ist die Kraft, die die Erde zur Sonne zieht dieselbe, die den Apfel zur Erde zieht, Diese Kraft ist die Schwere.
Aber einige Kräfte können der Wirkung der Schwerkraft entgegenwirken, indem sie in umgekehrter Weise handeln:
Die Kraft von Archimedes kommt jedes Mal, das sein Körper in einer Flüsiigkeit eingetaucht wird (nicht nur in Wasser, sondern auch in der Luft!). Diese Kraft widersetzt sich der Scjwerkraft. Sein Wert ist das Gewicht des Volumens der vom Körper verdrängten Flussiglkeit. Daher ist die Dichte entscheidend: wenn die Dichte des Körpers größer als die Dochte der Flüssigkeit ist, wird die Schwerkraft stärker als Archimedes, und deshalb sinkt das Körper. In umgekehrten Fall, ist die Kraft von Archimedes intensiver, und das Körper sinkt.
Der Schlüsselparameter für diese Kraft ist die Dichte.

Reibung ist eine Kraft, die aus den sich berührenden Körper kommt, und hängt von den Materialien ab, aus denen sie bestehen.
Glatte Materialien erzeugen weniger Reibung. Rauhe Materialien erzeugen mehr Reibung. Auch die Form der Körper spielt eine Rolle: Reibung verhält sich anders bei quadratischen (Gleitreibung) und abgerundeten Körpern (Schleuderreibung).
Fallende Objekte sind ebenfalls aus Reibung stark betroffen. Hier wird Reibung durch den Kontakt mit der Luft erzeugt.
In dieser Erfahrung haben wir es mit der Reibung zwischen Festkörpern.
Die Reibung zwischen Körper und Oberfläche ist proportional zur Masse des Körper, aber auch an das Material ( des Körpers und der Oberfläche) durch den Reibungskoeffizienten gebunden: je grösser diese Menge, desto grosser die Reibung.
Bei einer geneigten Ebene, nimmt die Reibung mit zunehmender Neigung der Ebene ab. Schlüsselparameter dieser Kraft: Masse des Körpers, Materialien, Neigung der Ebene.

LaDie magnetische Kraft wirkt über Werkstoffe mit magnetischen Eigenschaften, wie Eisen, Kobalt, Nickel, usw, aber auch mit einigen Magnesium-, Chrom- und Uraniumlegierungen. Diese Werkstoffe zeigen diese Eigenschaften, wenn sie nahe genung an einer magnetischen Kraftquelle sind, wie ein Magnet. Objekte aus solchen Materialien werden dann von der Quelle angezogen.
Aber beu zwei Quellen ist die Situation komplizierter. Die Magnete haben zwei Pole: die gegenüberliegenden Pole ziehen sich an und die gleichen Pole stoßen sich ab.
Anders als die andere Kräfte, die wir gesehen haben, wirkt die Magnetkraft auch aus der Ferne, nimmt aber seine Kraft mit zunehmender Distanza ab.
Schlüsselparameter für diese Kraft: Materialien, Distanz.

Die Reaktionskraft kommt jedes Mal heraus, wenn ein Körper versucht, einer Deformation zu widerstehen. Der Körper widersteht, solange die Kraft, die ihn verformt, seine Bruchgrenze überschreitet. Wenn ein Objekt auf eine Oberflach gelegt wird, neigt es aufgrund der Schwerkraft herunterzufallen, und die Oberflache zu verformen. Daher entwickelt die Oberflache eine Reaktionskraft, die der Schwerkraft widersteht, solange es intensive genug ist. Aber, wenn das Gewicht des Körpers die Bruchgrenze der Oberflache überschreitet, bricht diese. In einigen Fällen, kann man die Festigkeit einer Oberflache durch Änderung ihrer Geometrie verbessern: falten einer Blatte auf sich selbst ist ein einfache Möglichkeit, es haltbarer zu machen.
Schlüsselparameter für diese Kraft: Bruchgrenze und Geometrie des Material.