Konstruktionsaufgabe: Rennboot

Datum: 28. Juni 2009 Autor: jo81 Kommentare: 0

Zusätzliche Informationen:

Konstruktionsaufgabe: Rennboot

Bau und Erprobung von Bootsrümpfen aus Styropor

1. Sachanalyse

Schiffsrumpf:
Als Boots- bzw. Schiffsrumpf bezeichnet man den Teil eines Bootes oder Schiffes, der ihm die Schwimmfähigkeit verleiht.

1.1 Grundprinzip

Baustoffe, die leichter als Wasser sind, schwimmen unabhängig von ihrer Form (z.B. Styropor, viele Holzarten). Schwerere Baustoffe (z.B. Stahl, manche Holzarten) schwimmen dagegen nur aufgrund des archimedischen Prinzips, wonach die Auftriebskraft eines Körpers genauso groß ist wie die Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeitsmenge. Wenn nun das Gesamtgewicht eines Schiffes inklusive seiner Zuladung und einem Sicherheitsaufschlag kleiner ist, als die verdrängte Wassermenge, dann schwimmt ein Schiff. Ein Schiffsrumpf muss weiterhin so konstruiert sein, dass die Wasserverdrängung bei starkem Wind und Wellengang nicht auf ein kritisches Maß reduziert wird. In diesem Fall könnte das Schiff wegen mangelndem Auftrieb sinken. Um diese Gefahr auszuschließen, werden bei vielen kleineren Booten, die durch ihre geringe Größe anfälliger gegen Wind und Wellen sind, zusätzliche Auftriebs- und Schwimmkörper eingebaut.

1.2 Geschichte

Die Formen der Schiffsrümpfe wurden zu allen Zeiten von den folgenden Faktoren bestimmt:
- zur Verfügung stehendes Baumaterial
- Antriebsart
- Verwendungszweck
- Fähigkeiten und wissenschaftliche Erkenntnisse
Die ersten Wasserfahrzeuge sind vermutlich vor mehreren 10000 Jahren entstanden, als der Mensch sich freiwillig auf das Wasser wagte. Diese ersten einfachen Wasserfahrzeuge bestanden aus Holzstämmen, gebündelten Zweigen oder gebündeltem Schilfrohr. Bis heute werden an den Ufern des Tschad-Sees in Afrika die Zweige vom Ambatsch(Korkholz)-Baum zu kleinen Flößen zusammengebunden und als Transportmittel verwendet. Eine Vielzahl der primitiven Boote, die in der Frühzeit benutzt wurden, wurden weiterentwickelt und sind von den Prinzipien her mit heutigen Booten vergleichbar. In den Regionen, die sich in den folgenden Jahrhunderten zu Zentren der Bootsbauwissenschaft entwickelten, kann man den fortdauernden Entwicklungsprozess vom Einbaum bis zum hochseetauglichen Wikingerschiff, oder z.B. im Süden, anhand der Römischen Galeeren erkennen und zurückverfolgen.

1.3 Bauarten

Bei der Entwicklung des Schiffsbaus etablierten sich zwei grundlegende Bauweisen: die Schalen- und die Skelettbauweise. Bei der Schalenbauweise wurden zuerst die äußeren Bretter, in der Schiffsbausprache die Planken, aneinander befestigt und danach erst die zur Verstrebung dienenden Spanten eingefügt. Bei der Skelettbauweise wurde zuerst ein sich selbst tragendes Skelett aufgestellt, und anschließend wurden die Planken befestigt. Das Aussehen der Schiffe ließ immer auf die zu der damaligen Zeit üblichen und verwendeten Techniken und Werkzeuge schließen. Ab dem Mittelalter vermischten sich aufgrund der Kreuzzüge, und des damit verbundenen Einschiffens von nordischen Schiffen, die Bauweisen des Nordens und des Südens. Seit den Kreuzzügen war keine eindeutige Trennung der Bootstypen nach geographischer Lage mehr möglich. Selbst in der Neuzeit nahm die Entwicklung der Bootsrümpfe keinen Abriss. So wurde zum Beispiel 1990 vom venezianischen Bürgermeister eine Ausschreibung ins Leben gerufen, die zum Ziel hatte, einen Bootsrumpf zu entwickeln, der keine Wellen erzeugt und somit die gefährdete Stadt Venedig schonen sollte. Dies gelang dem österreichischen Physiker Theodor Eder.

1.4 Baupläne

Aus der Zeit vor dem 15 Jahrhundert existieren nur Zeichnungen von Schiffen. Erst ab dem 15. Jahrhundert findet man Schiffsrisse und wissenschaftliche Berichte und Abhandlungen über den Schiffsbau. Sie sind zum größten Teil in italienisch und spanisch abgefasst und beschreiben die Bautechnik des Mittelmeerraumes. Erst ab dem 17. Jahrhundert existieren Berichte über systematische Versuche, anhand von Modellen die Strömungseigenschaften und den Schiffswiderstand zu erforschen. Erst im 18. Jahrhundert entstehen erste Abhandlungen über die Stabilität von Schiffen. Ebenfalls im 18. Jahrhundert entstanden aufgrund der vermehrten Schmuggeltätigkeiten und der Piraterie in den südamerikanischen Ländern sehr kleine und sehr schnelle Schiffe. Auffällig dabei ist, dass die Form des Rumpfes stark an die der Wikingerschiffe angelehnt war. Diese V - förmige Rumpfform war dann von Vorteil, wenn es auf hohe Geschwindigkeit und geringere Zuladung ankam.
Im frühen 19. Jahrhundert hielt der Dampfantrieb auch im Schiffsbau Einzug. Dadurch standen die Bootsbauer vor dem Problem, das hohe Gewicht der Maschinen und die hohen mechanischen Beanspruchungen des Antriebs auf die Schiffe zu verteilen. Anfangs waren die Dampfer wie Segler gebaut, an die der Antrieb der Schaufelräder gehängt wurde. Erneute Versuche mit Prototypen von Dampfschiffen zeigten, dass scharfe Linien für hohe Geschwindigkeiten unablässig waren.
Eine bahnbrechende Erfindung im 20. Jahrhundert war der Bugwulst. Anstatt eines glatten zum Heck verlaufenden Bugs, wurde ein so genannter Wulst in Fahrtrichtung gezogen. Dieser Bugwulst verteilt das Wasser so günstig, dass der Wasserwiderstand ganz erheblich vermindert wird.
Im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurden beim Bau schneller Fährschiffe ganz neue Ideen verwirklicht. Die Entwicklung der Katamarane im Fährverkehr war hier Bahnbrechend. Ein Katamaran ist ein Doppelrumpfschiff, dessen Prinzip vorher nur bei deutlich kleineren Schiffen Anwendung gefunden hatte. Die beiden Schwimmkörper halten den eigentlichen Rumpf von der Wasserfläche frei. Dadurch ist der Wasserwiderstand sehr klein.

1.5 Styropor

Styropor wurde 1951 von einem Chemiker der BASF, Fritz Stastny, beim Experimentieren mit Polystyrolsplittern entdeckt. Styropor ist ein transparenter, amorpher oder teilkristaliner Thermoplast. Amorphes Polystyrol ist ein weit verbreiteter Kunststoff, der in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz kommt. Styropor ist gegen wässrige Laugen und Mineralsäuren beständig, jedoch zersetzt es sich beim Kontakt mit Benzin, Ketonen und Aldehyden. Styropor hat eine ungefähre Dichte von 90kg/qm. Styropor verbrennt mit einer leuchtend gelben, stark rußenden Flamme. Dabei entsteht ein starker Styrolgeruch. Die Dämpfe des verbrennenden Styropors sollten nicht eingeatmet werden, da sie gesundheitsschädlich sind. Styropor ist physiologisch unbedenklich und auch für Lebensmittelverpackungen uneingeschränkt zugelassen.

1.6 Thermosäge

Um beim Bearbeiten von Styropor eine möglichst saubere und glatte Schnittkante zu erreichen, benutzt man in der Regel einen Styroporschneider. Im Gegensatz zu herkömmlichen Trennmethoden wird beim Styroporschneider das zu trennende Material geschmolzen. Demnach sind die Materialien, die sich zum ‚Trennen mit einer Thermosäge eignen auch bestimmten Voraussetzungen unterworfen. So muss das zu trennende Material bei relativ geringen Temperaturen schmelzen, wie zum Beispiel Schäume thermoplastischer Kunststoffe, Wachs oder Eis. Die Hauptanwendungsbereiche von Styroporschneiden finden sich im Modellbau und beim Bearbeiten von Schaumpolystyrol. Das wichtigste Element der Thermosäge ist ein Metalldraht, der zumeist aus Konstantan besteht. Dieser Draht wird während des Arbeitsvorgangs von einem schwachen Strom durchflossen und erhitzt dabei den Draht. Zur Stromversorgung wird meist ein Niedervoltnetzgerät verwendet, damit das Sicherheitsrisiko so gering wie möglich ist.

1.7 Konstruktionsaufgabe

Die Konstruktionsaufgabe nach Wilkening ist teil einer Werkaufgabe. Als technische Problemlöseaufgabe beinhaltet sie das Nacherfinden, Experimentieren,Konstruieren, Entwerfen, Zeichnen, Bauen und Optimieren. Schwerpunkt der Konstruktionsaufgabe sind Aufgaben bei denen die Problemlösefähigkeit der Schüler gefordert werden. Im Prozess der Problemlösung sollen die Schüler eigenständige Lösungsmöglichkeiten entwickeln und ausprobieren.
Wilkening schlägt folgenden Verlauf vor:
1. Technische Problemstellung
2. Klären der Problemstellung
3. Sammeln von Informationen
4. Erfindungsprozess/ Experimentieren
5. Entwurf
6. Konstruktion und Herstellung
7. Erprobung und Bewertung des Ergebnisses/ Optimierung
8. Auswertung und Transfer

2. Lernvoraussetzungen
2.1 Bedingungen der Schule vor Ort
XXX

2.2 Bedingungen der Lerngruppe
XXX

3. Didaktische Analyse

3.1 Exemplarität

Inhalt des Unterrichts sind technische Grundprobleme des Schiffbaus. Im Rahmen eines Wettbewerbs entwickeln die Schüler hydrodynamische Formen. Unter den Bedingungen eines bestimmten zu transportierenden Gewichtes und eines standardisierten Antriebs (Unterrumpfmotor) ist ein möglichst schnelles Boot zu bauen, das eine ausreichende Tragfähigkeit und Eigenstabilität besitzt. Die gesetzten Bedingungen führen bei Probefahrten zu vergleichbaren Ergebnissen. Die Analyse der Ergebnisse verhilft zu Einsichten in den Zusammenhang zwischen der Rumpfform und der Geschwindigkeit. Es wird also der Einfluss der Bootsform und des Reibungswiderstands auf die erreichbare Geschwindigkeit deutlich. Der Konstruktionsprozess führt die Schüler von einer Problemstellung zu einem Ergebnis. Nicht das Produkt ist hierbei entscheidend, sondern der Weg, den die Schüler gehen. Dieser Weg ist Erkenntnis fördernd. Durch das aktive Mitgestalten und Verändern werden die Schüler gefordert, und das Interesse wird gestärkt.

3.2 Gegenwartsbedeutung

Die Erfahrungen, die die Schüler mit der Konstruktionsaufgabe machen, sind vielseitig gefächert. Erkenntnisse über Materialien, Arbeitsabläufe und Fertigkeiten sowie ganz speziell die Kenntnisse über den Schiffsbau, lassen sich hierbei erfahren und erlernen. Durch die Teambildungen wird das Arbeiten in einer Gruppe gefördert und die Teamfähigkeit gestärkt. Das Ziel, nach Beendigung der Konstruktionsphase das Rennboot auszuprobieren, weckt in den Schülern weiteren Ehrgeiz.

3.3 Zukunftsbedeutung

Bei der Bearbeitung vom Werkstoff Styropor lernen die Schüler handwerkliche Fähigkeiten. Dies ist ein weiterer Beitrag zu Förderung und Koordination von handwerklichen Tätigkeiten.
Die Problemerkenntnis und die Planungsphasen sind vielseitig und exemplarisch für viele Problemstellungen. Es soll von einer Problemstellung auf ein Ziel hingearbeitet werden. Eine ständige Überprüfbarkeit des Lösungsweges ist hier lernbar.

3.4 Struktur des Inhalts

Die Unterrichtsstunde soll erste Erkenntnisse über die Schwimmfähigkeit und die Lagestabilität geben, sowie den Aspekt der Stromlinienform beleuchten. Die Schüler sollen anhand einer selbst angefertigten Skizze, einen Rumpf aus Styropor anfertigen. Dieser wird anschließend in einer Wasser Rinne ausprobiert. Die Schüler fertigen eine Skizze unter den in der vorherigen Stunde gewonnenen Erkenntnisse an. Hierbei ist auf die Stabilität, Stromlinienform, Schwimmfähigkeit und Gewichtsverteilung zu achten. Nachdem die Skizze beim Lehrer vorgelegt wurde, wird die Klasse in den Styroporschneider eingewiesen. Diese Einweisung erfolgt für alle Schüler. Hierbei muss auf die Gefahren hingewiesen werden, die von diesem Gerät ausgehen. Nachdem die Modelle grob zugeschnitten wurden, bearbeiten die Schüler das Modell mit Schleifpapier nach. Hierbei werden die Kanten gebrochen. Wenn die Modelle fertig bearbeitet sind, werden die Modelle in der Wasserbahn ausprobiert. Dazu wird an den Rumpf ein Motor gehängt, und das Modell mit Gewichten beschwert. Die Ergebnisse aus 3 Versuchen werden notiert, und die Bestzeit wird ermittelt. Anhand der unterschiedlichen Modelle und Zeitergebnissen wird anschließend eine Auswertung durchgeführt. Nach der Reinigung des Werkraumes sind die Schüler entlassen.

4. Stundenziel/ Lernziele/ Kompetenzen

4.1 Stundenziel

Die Schüler sollen sich in Zweiergruppen zusammenfinden.
Die Schüler sollen sich innerhalb der Gruppen auf einen Entwurf einigen.
Die Schüler sollen den Entwurf aus dem Styroporblock herausarbeiten.
Die Schüler sollen die Versuche an mit ihrem Modell durchführen.

4.2 Lernziele/ Kompetenzen

a) fachlich-sachliche Kompetenzen

Die Schüler sollen die Erkenntnisse über Rumpfformen anwenden.
Die Schüler sollen die Versuche ordnungsgemäß durchführen.

b) methodische Kompetenzen

Die Schüler sollen Rumpfformen aus dem Styroporblock herausarbeiten.

c) soziale Kompetenzen

Die Schüler sollen gemeinsam in der Gruppe arbeiten.
Die Schüler sollen sich unterstützen.
Die Schüler sollen sich auf eine Lösung einigen.

d) personale Kompetenzen

Die Schüler sollen selbstständig und vorausschauend arbeiten.
Die Schüler sollen sich auf Veränderungen einstellen.

4.3 Bezug zum Bildungsplan

Im Bildungsplan für Hauptschulen in Baden-Württemberg von 2004 ist Technik kein eigenständiges Fach mehr. Technik kommt in den 2 Fächerverbünden MNT (Materie- Natur-Technik) und WAG (Wirtschaft-Arbeit-Gesundheit) vor. Diese Fächerverbünde werden in den Klassen 5-10 unterrichtet. „Die sich immer schneller verändernde Wirtschafts-, Arbeits- und Lebenswelt ist von hoher Komplexität geprägt und stellt Heranwachsende vor vielfältige Herausforderungen. Dies birgt Risiken, bietet aber auch Chancen. Um sich in dieser Situation zurecht zu finden, sind offene und flexible Betrachtungs-, Bewertungs- und Handlungsweisen erforderlich.“ Im Fächerverbund WAG werden die Bereiche Beruf, Privates und Öffentliches behandelt. Durch die Schaffung des Fächerverbundes erhält man hier ein breiteres Spektrum, und die eine Sache wird nicht mehr nur noch aus der Dimension der Technik gesehen. Das Kompetenzfeld 2 „Arbeit-Produktion-Technik“ Klasse 9 behandelt den fachgerechten Einsatz von Werkzeugen, Geräten und Maschinen in unterschiedlich Be- und Verarbeitungsprozessen. das Erarbeiten und Bewerten kreativer Lösungen im Team bei der Herstellung von Produkten und das Berücksichtigen von Gesetzen, Vorschriften und Maßnahmen zum Schutz der Arbeitenden und zur menschengerechten Arbeitsplatzgestaltung im eigenen Umfeld.

5. Verlaufsplanung und Methodenbegründung

5.1 Einstiegs- und Motivationsphase

5.2 Arbeitsphase

6. Strukturskizze

Thema: Bau und Erprobung von Rümpfen aus Styropor
Ziele:
- Für den weiteren Verlauf des Unterrichtsprojektes sollen Erkenntnisse über eine ideale Rumpfform gefunden und die hier gewonnenen Erkenntnisse übertragen werden.
- Die Schüler sollen sich in der Gruppe auf einen Lösungsweg einigen und diesen gemeinsam umsetzen.
- Die Schüler sollen den Versuch korrekt durchführen.

7. Anhang

7.2 Literaturangaben

- Was ist Was Band 25 Schiffe, Arnold Kludas, Tessloff Verlag Nürnberg, 1984/85
- Sehen, staunen, wissen Schiffe, Eric Kentley, Gerstenberg Verlag Hildesheim, 1992
- Das Schiff, Björn Landström, Bertelsmann Gmbh Gütersloh, 1973
- Shell Schifffahrtsbuch, Dr. Hans Maurer, Shell Frankfurt, 1953
- Bildungsplan 2004 Hauptschule
- Einführung in die Unterrichtsplanung, Gernot Gonschorek, Susanne Schneider, Auer Verlag Donauwörth 2005
- Wikipedia, Online Lexikon www.wikipedia.de