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Baue deine Energiewandel - Station

Mit der Energiewandel - Station kannst du verschiedene Stromwandler an dein Kurbel-Kraftwerk anschliessen und elektrische Energie in andere Energieformen wie Bewegungs-, Schall- und Lichtenergie umwandeln.

Material
 1) Rasterpapier
 2) Doppelklebeband
 3) 1 Elektromotor mit schwarzer und roter Litze
 4) 1 rotes Zahnrad
 5) 1 grünes Zahnrad
 6)  3 Magnete
 7) 1 Pinwandnadel 
 8) 1 Holz-Rundstab 3 mm (Grillspiesschen)
 9) 1 quadratischer Hartschaumblock
10) 1 Stecknadel
11) 1 Kartonscheibe
12) 1 Hartschaumstab

Achtung: Magnete können innere Verletzungen hervorrufen, wenn sie verschluckt werden!

• Markiere auf dem Doppelklebeband ein Stück von 0.5 cm und schneide es ab. 
• Stelle einen zweiten Streifen von 0.5 cm her. 
• Halbiere beide Streifen; so erhältst du 4 gleichgrosse Klebebandstücke. 

• Markiere auf dem quadratischen Hartschaumblock zwei Stellen für die Magnete.
• Beide Marken haben 3 cm Abstand von einer Ecke.

• Nimm den Hartschaumstab und lege ihn diagonal auf den quadratischen Hartschaumblock, so dass seine Ecken die Kanten berühren. 
• Zeichne eine Markierung entlang der vorderen Kante des Stabes. 

• Schneide die angezeichnete Ecke mit dem Messer weg. 
• Achte auf einen senkrechten Schnitt.

• Klebe je ein Stück Doppelklebeband auf die zwei Markierungen und eines in die Mitte der weggeschnittenen Ecke.
• Entferne die Schutzfolien. 

• Klebe je einen Magneten auf das Klebeband.
• Achte darauf, dass unterhalb und oberhalb der Magnete jeweils gleich viel Freiraum ist - und dass die Magnete senkrecht stehen.  

• Klebe in der Mitte des Hartschaumblocks ein Stück Doppelklebeband von 2.5 cm Breite auf. 
• Entferne die Schutzfolie. 
• Klebe den Motor in die Mitte des Hartschaumblockes und achte darauf, dass die Kabel zur Ecke gegenüber der weggeschnittenen zeigen.
• Presse den Motor stark an.

Soundmaschine: 
Verwandle elektrische Energie in Schallenergie

• Lege die Kartonscheibe auf den Hartschaumstab.
• Stich mit der Pinwandnadel ein Loch in die Mitte. 

• Klebe ein Stück Doppelklebeband von 2.5 cm Breite auf das grüne Zahnrad
• Entferne die Schutzfolie.

• Stecke die Pinwandnadel von der bedruckten Seite her in das Loch in der Kartonscheibe. Behalte die Pinwandnadel in der Hand.
• Stecke die Mitte des grünen Zahnrades auf die Pinwandnadel-Spitze. So findest du genau die Mitte. 
• Presse das grüne Zahnrad kräftig auf die Kartonscheibe. 

• Stecke das grüne Zahnrad mit der aufgeklebten Kartonscheibe auf die Motorachse.

• Kürze einen Rundstab auf die Länge von 10 cm (mit Spitze).

• Stelle den Rundstab mit der Spitze nach oben auf den Tisch.
• Stecke das Zahnrad auf den Stab (das kleine Zahnrad nach oben!).
• Stosse es bis in die Mitte. 

• Stecke den Rundstab mit der Spitze voran in die Ecke, die gegenüber der abgeschnittenen Ecke des Hartschaumblockes ist.
• Achtung: Der Stab darf die Kartonscheibe nicht berühren - und er soll möglichst senkrecht stehen.
• Stecke den Stab so weit in den Hartschaum, bis die Spitze den Tisch erreicht.

Stelle eine Schneidehilfe her, mit der du den Hartschaumstab rechtwinklig abschneiden kannst: 

• Schneide von einem 2 cm breiten Papierstreifen (rot, gelb, blau oder grün) ein Stück von 9 cm Länge ab. 
• Lege ihn um den Hartschaumstab. Achte darauf, dass die Kanten genau aufeinander liegen.  
• Fixiere den Papierring mit einem kurzen Stück normalen Klebebandes. 

• Verschiebe die Schneidehilfe, bis sie genau 10 cm Abstand von der kurzen Kante des Stabes hat.
• Schneide mit dem Messer entlang der Schneidehilfe. 
• Bewege das Messer mit wenig Druck hin- und her und schneide den Stab etwa einen Drittel ein. 
• Drehe den Stab um 90 Grad und schneide ihn erneut etwa einen Drittel ein.
• Wiederhole diesen Vorgang.
• Beim vierten Schnitt schneidest du den Stab ganz durch (Film).

• Markiere die Mitte des Stabes mit einem Kreuz.
• Stich mit der Spitze des 3 mm Rundstabes an der Markierung durch den Hartschaumstab. 

• Vergrössere das Loch mit einem Bleistift.
• Stecke dazu den Bleistift abwechselnd von beiden Seiten in den Stab, bis du den Bleistift ganz in den Stab stecken kannst.

• Lege den Hartschaumstab auf den Tisch. 
• Stecke im Abstand von etwa 1 cm von der Kante des Stabes eine Nadel mit farbigem Glaskopf in den Hartschaum.
• Stecke die Nadel soweit in den Hartschaum, bis die Spitze den Tisch berührt und achte darauf, dass sie senkrecht ist.

• Stecke den Hartschaumstab auf den Rundstab und lege ihn auf das rote Zahnrad. 
• Verschiebe das rote Zahnrad, bis die Nadel die Kartonscheibe berührt. 

• Schneide 2 Silikonschlauch-Stücke von 2 cm Länge zu.

• Biege die Litzenenden um.

• Stecke das schwarze Litzenende ganz in das 2 cm lange Silikonschlauch-Stück.
  Achte darauf, dass die Isolation circa 0.5 cm in den Schlauch gesteckt wird.
• Fixiere die Litze mit einer Nadel. Stecke die Nadel ganz in den Schlauch, so wie auf dem Bild.
• Mach das Gleiche mit dem roten Litzenende.

• Verbinde die Stecker von Motor und Kraftwerk mit den Magneten: Rot mit rot und blau mit schwarz. 
• Erzeuge Strom!
• Kurble so, dass die Kartonscheibe die Nadel vom Rundstab wegziehen will (grüner Pfeil).
• Starte langsam, bis die Nadel ihre Position auf der Scheibe gefunden hat, dann kannst du «Vollgas» geben. Es entstehen deutliche Geräusche.

• Falls beim Drehen die Nadel von der Kartonscheibe gleitet, schwenkst du den Hartschaumstab mit der Nadel auf die andere Seite der Scheibe und änderst die Drehrichtung (grüner Pfeil).
• Vielleicht musst du zusätzlich das rote Zahnrad etwas nach unten oder oben schieben, damit der Nadelkopf gut auf der Kartonscheibe aufliegt.

• Wenn du auf der Kartonscheibe eine kleine Erhöhung anbringst, entsteht bei jeder Umdrehung ein Schlag auf die Nadel, welcher deutlich hörbar ist. 
• Klebe einen schmalen Papierstreifen mit normalem Klebeband auf die Kartonscheibe. Der Streifen soll vom Rand zur Mitte zeigen.
• Nun hat es auf der Scheibe eine kleine Erhöhung und die Nadel kann nicht einhängen.

Beleuchtung:
Verwandle elektrische Energie in Lichtenergie

• Befestige das schwarze Kabel am mittleren Magneten. 
• Verbinde eine LED mit den zwei Magneten, an denen der blaue und schwarze Stecker haften.

• Gleichzeitig zum Drehen des Motors, kannst du nun auch eine LED zum Leuchten bringen.
• Wenn die LED nicht leuchtet, musst du Ihre Anschlüsse wechseln. 
• Ein Teil der elektrischen Energie, die du durch das Kurbeln erzeugst, wird in Lichtenergie umgewandelt, was du am Leuchten der LED erkennen kannst.

Baue dein Kurbel-Kraftwerk
Beim Bauen gehst du so vor: 

1. Gerätegestell und Generatorbefestigung
   (schwarze und violette Teile)
2. Antriebsrad
   (Kartonscheiben mit Kurbelgriff)
3. Antriebsrad am Gerätegestell montieren
4. Anpressvorrichtung (Gummiband)
5. Funktionstest

Material
1) 3 Stecknadeln
2) 1 Pinwandnadel 
3) 1 Gummiband
4) Generator mit LED
5) 3 rote Zahnräder
6) 1 grünes Zahnrad
7) Silikonschlauch
8) 2 Kartonscheiben

Material
1) 1 Rasterpapier
2) 1 Doppelklebeband
3) 1 Hohlkammerplatte
4) 1 Hartschaumblock
5) 1 Holz-Rundstab 3mm (Grillspiesschen)

Gerätegestell und Generatorbefestigung

• Schneide die Hohlkammerplatte bei der achten Kammer durch. Du erhältst so eine Hohlkammerplatte mit 7 Kammern.
• Wiederhole dies. Nun hast du zwei Hohlkammerplatten mit 7 Kammern. 

• Markiere auf dem Doppelklebeband ein Stück
  von 0.5 cm und schneide es ab. 
• Stelle zwei Streifen von 0.5 cm und
  einen Streifen von 2.5 cm her. 

Hinweis: Beachte die Angaben zum Zuschneiden des Doppelklebebandes genau. Nur so hast du für alle Arbeiten genügend Doppelklebeband zur Verfügung. 

• Klebe das 0.5 cm breite Doppelklebeband in die Mitte einer der beiden Hohlkammerplatten.

• Klebe die zweite Hohlkammerplatte bündig auf die erste. 
• Das ist der Sockel für den Generator.

• Klebe das 2.5 cm breite Doppelklebeband in die Mitte der beiden Hohlkammerplatten.
• Entferne die Schutzfolie.

• Platziere den Generator in der Mitte der beiden Hohlkammerplatten, so dass die Kabel zur Seite zeigen.
• Drücke den Generator fest auf das Doppel-Klebeband.
  Die Hohlkammerplatten dürfen dabei etwas zusammengedrückt werden.

• Nimm ein etwa 5 cm langes Stück normales Klebeband.
• Klebe es oben auf das Generatorengehäuse
  Achtung: Das Klebeband darf die Generatorenachse nicht berühren.
• Ziehe das Klebeband über die Seite des Generators herunter und klebe es unter Zug auf der Unterseite der Hohlkammerplatten fest.
• Mach das Gleiche auf der gegenüberliegenden Seite.

• Schneide ein 12.5 cm langes Stück Hohlkammerplatte zu.
• Das ist die Grundplatte.

• Klebe ein 0.5 cm breites Stück Doppelklebeband in die Mitte auf der Unterseite des Sockels.
• Entferne die Schutzfolie.

• Klebe den Sockel mit dem Generator bündig an das eine Ende der Grundplatte.
• Achtung: Wenn du rechtshändig bist, schauen die Kabel nach rechts (wie auf dem Bild), wenn du linkshändig bist, nach links.

• Nimm ein etwa 5 cm langes Stück normales Klebeband.
• Klebe es neben dem Generator auf den Sockel.
• Ziehe das Klebeband über die Seiten des Sockels nach unten und klebe es unter Zug fest auf die Unterseite der Grundplatte.
• Mach das Gleiche auf der gegenüberliegenden Seite.

• Nimm ein etwa 5 cm langes Stück normales Klebeband.
• Klebe es auf das Generatorengehäuse
  Achtung: Das Klebeband darf die Generatorenachse nicht berühren.
• Ziehe das Klebeband über die Seite des Generators herunter und klebe es unter Zug fest auf die Unterseite der Grundplatte.

• Klebe zwei Stücke 0.5 cm breites Doppelklebeband auf den rechteckigen Hartschaumblock.
• Entferne die Schutzfolien.

• Klebe den Hartschaumblock bündig auf die Grundplatte.

• Fixiere den Hartschaumblock mit normalem Klebeband auf der Grundplatte.
• Klebe dazu an beiden Enden Klebeband um den Hartschaumblock und die Grundplatte.

Antriebsrad

• Schneide einen Rundstab ab von 6 cm (mit Spitze) und einen von 3.5 cm. 

Mit drei Nadeln machst du dir eine Hilfseinrichtung, damit du die Scheiben genau aufeinander kleben kannst. 

• Lege eine Kartonscheibe auf den quadratischen Hartschaumblock.
  Eine Ecke des Hartschaumblockes ist abgedeckt.
• Stecke drei Stecknadeln etwa zur Hälfte in den Hartschaumblock.
• Achtung: Die Nadeln müssen senkrecht eingesteckt werden und sie müssen die Kartonscheibe berühren.

• Klebe vier Stücke 0.5 cm breite Doppelklebebänder auf die Kartonscheibe. Platziere sie zwischen den beiden Kreislinien.
• Klebe ein 2.5 cm breites Stück Doppelklebeband in die Mitte der Scheibe.
• Entferne die Schutzfolien.

• Nimm die zweite Scheibe und halte sie knapp über die erste. Sie muss die drei Nadeln berühren.
• Senke die zweite Scheibe auf die erste und drücke sie fest.

• Entferne die Nadeln.
• Lege das Antriebsrad in die Mitte der Hartschaumplatte.
• Stich mit der Pinwandnadel in der Mitte ein Loch durch das Antriebsrad.

• Stich den 6 cm langen Rundstab durch das Antriebsrad. 

•  Drehe das Antriebsrad um und schneide mit dem Messer das herausgedrückte Material ringsum weg.
• Lege dazu das Messer flach auf das Antriebsrad und schiebe es mit Hin- und Herbewegungen gegen den Rundstab. 
  Achtung: Schneide nur den Karton weg! Der Rundstab soll nicht zerschnitten werden. 

• Entferne den Holzstab.
• Klebe 8 kurze Stücke Klebeband kreuzweise auf die Kartonscheibe. So verstärkst du das Antriebsrad, denn der Kunststoff des Klebebands ist sehr zäh.

• Stich mit der Pinwandnadel und dem Rundstab das Loch nochmals nach. 

Antriebsrad am Gerätegestell montieren

• Lege das Antriebsrad mittig auf die Hartschaumplatte. Das Antriebsrad muss die Generatorenachse leicht berühren.
• Stich mit dem Rundstab eine Markierung in den Hartschaum.

• Klebe 8 kurze Stück Klebeband kreuzweise auf das Hartschaumstück. So verstärkst du den Hartschaum, denn der Kunststoff des Klebebands ist sehr zäh.

• Lege die Scheibe mittig auf den Hartschaum.
  Das Antriebsrad muss die Generatorenachse leicht berühren.
• Stecke die Pinwandnadel in das Loch des Antriebsrades und stich durch die zähe Klebebandschicht. 

• Stelle den 6 cm Rundstab auf den Tisch mit der Spitze nach oben. 
• Stecke das rote Zahnrad darauf (das kleine Zahnrad unten).
• Stosse es bis in die Mitte (Grund: Das Zahnrad schneidet so Rillen in den Holzstab). 
• Ziehe das rote Zahnrad zurück, nur so weit, dass es noch am Rundstab hält.

• Stosse den Rundstab mit dem roten Zahnrad durch das Loch des Antriebsrades.
• Achte darauf, dass das rote Zahnrad flach auf der Kartonscheibe liegt. 
• Stosse den Rundstab mit Hilfe eines grünen Zahnrads ganz durch den Hartschaum.

• Drehe das Ganze um. 
• Halte das ganze Gerät so fest, dass die Daumen auf der Hohlkammerplatte liegen.
• Stelle den Rundstab auf den Tisch.
• Drücke mit den Daumen auf die schwarze Hohlkammerplatte und stosse sie nach unten, bis die Spitze des Rundstabes aus dem schwarzen Kunststoff tritt und es nicht mehr weiter geht.

• Stecke ein rotes Zahnrad mit der flachen Seite nach unten auf den Rundstab und drücke es auf die schwarze Hohlkammerplatte.
• Schneide den Rundstab über dem Zahnrad ab.
• Das geht am besten, wenn du mit der Schere den Rundstab rund herum kräftig einkerbst und dann das Rundholz brichst.

• Klebe ein 2.5 cm breites Stück Doppelklebeband auf ein rotes Zahnrad.

• Klebe das Zahnrad auf das Antriebsrad.
• Das Zahnrad soll etwa 2 mm vom Rand des Antriebsrades entfernt sein.
• Stecke den 3.5 cm langen Holzstab in das Zahnrad.

 
Anpressvorrichtung

• Stecke auf beiden Seiten eine Stecknadel in den Hartschaum.
• Die Nadeln sollen etwa 3 cm von der Kante entfernt sein. 
• Spanne das Gummiband über den Generator von Stecknadel zu Stecknadel.

Funktionstest

• Drehe an der Kurbel. 
• Dank des Antriebsrads kannst du nun dauernd Strom produzieren. 
• Wenn die LED in beiden Drehrichtungen nicht leuchtet, hat es vielleicht feine Drähtchen, die von einem Kabel zum anderen gehen und einen «Kurzschluss» verursachen. Sorge dafür, dass die Drähtchen gut am LED-Bein anliegen.  

• Wenn die LED beim Drehen der Kurbel flackert, wird die Generatorenachse zu wenig stark an die Scheiben gedrückt.
• Stecke in diesem Fall die Stecknadel auf einer Seite ein paar Millimeter weiter vom Motor entfernt ein.
• Nun zeigt dir die leuchtende LED, dass du mit deinem Hand - Elektrizitätswerk selber Strom produzieren kannst.

Die drei Phänomene "Reibung", "Anpress-Druck" und "Übersetzung" sind für eine gute Funktion des Kurbel-Kraftwerks wichtig.

... erforsche: Reibung

Du weisst sicher, wie wichtig ein gutes Schuhprofil im Winter ist. Die Vertiefungen in der Sohle sorgen für mehr Reibung zwischen dem Schuh und dem Untergrund.
Auch bei deinem Kurbel-Kraftwerk spielt die Reibung eine wichtige Rolle.

• Nimm den Silikonschlauch von der Generatorenachse weg.
• Versuche so, Strom zu produzieren.

... erforsche: Anpress-Druck

Um Lenken zu können, musst du auf dem Pumptrack dein Rad in die Mulden drücken. Nur so bleiben die Räder auf dem Boden und du kannst Kurven fahren. Bei einem Sprung fliegt das Gefährt geradeaus.
Beim Kurbel-Kraftwerk wird die Generatorenachse durch ein Gummiband gegen das Antriebsrad gedrückt. So entsteht immer genügend Reibung, damit das Kurbelkraftwerk gut funktioniert.

• Entferne das Gummiband und verringere so den Anpress-Druck.
• Leuchtet deine LED noch immer so zuverlässig wie vorher?
  

... erforsche: Getriebe und Übersetzung

Damit dein Generator Strom produziert, muss er mit ausreichend viel Tempo gedreht werden.
Du hast sicher bemerkt, dass es hier um etwas Ähnliches geht wie beim Fahrrad.

Den Generator könntest du beispielsweise auch mit einem Hartschaumstück antreiben. Um länger Licht zu produzieren, musst du den Hartschaumstab aber immer wieder neu ansetzen: Hartschaum-Länge an Hartschaum-Länge streift so vorbei an der Motorenachse.

Das Rad ist eine geniale Erfindung: Mit einem Rad steht dir eine unendlich lange Strecke zur Verfügung!

Bei jeder Umdrehung des Antriebsrads steift die Länge des Radumfangs an der Generatorenachse vorbei.
Bei der nächsten Umdrehung beginnt das ganze wieder von vorne.

Das hat sich wohl auch die Erfinderin dieses Fahrrades zu Nutze gedacht und die Schritte rundum angeordnet:-)

Bring auf dem Silikonschlauch eine Markierung an. Das kann beispielsweise eine Markierung mit einem Kugelschreiber sein.

• Finde heraus, wie das Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebsrad und Generatorenachse ist.
• Dazu musst du zählen, wie viele Umdrehungen die Generatorenachse macht, wenn sich das Antriebsrad einmal dreht. 
  

Mögliche Erkenntnisse:
Eine Schülerin hat bei einer Umdrehung des Antriebsrades 24 Umdrehungen der Generatorenachse gezählt. Ihr Kurbel-Kraftwerk habt ein Übersetzungsverhältnis von 1 zu 24. Zu welchem Ergebnis kommst du?

Das Antriebsrad und die Generatorenachse bilden zusammen ein Getriebe. Die kleine Drehzahl des Antriebsrades wird in eine grosse Drehzahl der Generatorenachse übersetzt.

 
Zusatzaufgabe für vife Mathematiker*Innen

Bei Autos mit einem Verbrennungsmotor findet man eine "rpm" - Anzeige. "rpm" ist die Abkürzung des englischen Begriffs "revolutions per minute", was "Umdrehungen pro Minute" meint. 

Du hast sicher bemerkt, dass die Leuchtdiode erst bei einer gewissen rpm - Zahl des Antriebsrades zu leuchten beginnt. 

• Berechne, wie viele Umdrehungen pro Minute (rpm) der Generator deines Kurbel-Kraftwerks braucht, um die weisse LED zum Leuchten zu bringen.
  
• Wie viele rpm braucht die rote LED?

Du hast erfahren, dass du selbst eine Art Kraftwerk bist und dein Körper den Energieträger "Nahrung" in Bewegungsenergie umwandeln kann. Als Folge dieser Energieumwandlung kannst du zum Beispiel das Antriebsrad deines Kurbel-Kraftwerks drehen.