Arbeitsblatt
Werbung
Schulversuche zur Bionik Veranstalter: Bildungsdepartment des Kantons St. Gallen Ort: Gymnasium Marienburg, Rheineck Datum: 14.05.2011 Referent: Wolfgang Schatz Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 2 Arbeitsblatt Brennstoffzelle/1 Bau einer mikrobiellen Brennstoffzelle Versuchsanleitung: Bau einer bionischen Brennstoffzelle im Low-Cost-Verfahren Diese Anleitung ist im Wesentlichen eine Kombination aus [4] und [3] Material: 2 Filmdosen, ca. 3 cm PVC-Schlauch, Heißklebepistole, Agar-Agar, Trockenhefe, Carbonfaserelektroden [5], Puffer=7, Methylenblaulösung, rotes Blutlaugensalz 0,02 molar (Alternative: Beta Isodona = iodhaltiges Desinfektionsmittel), (siehe Folie …) Traubenzuckerlösung 1 molar, Multimessgerät, 2 Kabel mit Krokilklemmen Durchführung: 1. Bau der Brennstoffkammern Schneide vom PVC-Schlauch ein ca. 2 cm langes Stück ab. Schneide in die 2 Filmdosen ein Loch mit einem Durchmesser, der dem des Schlauchstücks entspricht oder drücke einen heißen Metallgegenstand gegen die Filmdose, damit ein Loch entsprechender Größe heraus schmilzt.. Der obere Rand des Loches sollte etwa in der Mitte der Filmdose liegen. Klebe nun das Schlauchstück mit der Heißklebepistole dicht an die Filmdosen. (Vorsicht: Verbrennungsgefahr - die Spitze der Klebepistole und der ausfließende Kunststoff ist extrem heiß!!) Lasse die Doppelkammer ruhig stehen, bis der Kunststoff ausgehärtet ist. 2. Herstellen der Protonen-Austausch-Membran In 250 ml Wasser wird ½ Päckchen Agar-Agar verrührt und kurz aufgekocht. Der Kunststoffkleber der Verbindung der Doppelkammer sollte inzwischen weitgehend eingetrocknet sein. Ist dies der Fall, fülle die Agar-Agar-Lösung langsam bis knapp über die Höhe der Schlauchverbindung in die Doppelkammer, damit sich das Verbindungsstück luftblasenfrei mit Agar-Agar füllt. Agar-Agar wirkt als Protonenaustauschmembran. 3. Herstellen der Lösungen 2.1. Das Päckchen Trockenhefe wird in 50 ml Wasser mit etwas Pufferlösung pH = 7 zum Quellen gebracht 2.2. 50 ml einer 1 molaren Traubenzuckerlösung: Die Masse von einem Molekül Traubenzucker ist 180 u, daher ist ein Mol Traubenzucker 180 g. Für eine 1 molare Traubenzuckerlösung sind daher 180 g Traubenzucker auf 1000 ml mit Wasser aufzufüllen. Für 50 ml werden daher 180 g Traubenzucker: 20 = 9 g Traubenzucker auf 50 ml aufgefüllt. Verwende destilliertes Wasser. 2.3. 100 ml einer 0,02 molaren Lösung von rotem Blutlaugensalz: Die Masse von einem Teilchen rotem Blutlaugensalz ist 329 u, daher ist ein Mol rotes Blutlaugensalz 329 g. Für eine 0,02 molare Lösung sind daher 329 g mal 0,02 = 6,58 g Rotes Blutlaugensalz auf 1000 ml mit Wasser aufzufüllen. Für 100 ml werden daher 6,58:10 = 0,66 g rotes Blutlaugensalz auf 100 ml aufgefüllt. Verwende destilliertes Wasser. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 3 Arbeitsblatt Brennstoffzelle/2 4. Zurechtschneiden der Karbonfaserelektrode Schneide aus dem Karbonfaserblatt Elektroden im Maß ca. 5 cm mal 4 cm aus (Zerschneide das Blatt bitte mit möglichst wenig Abfall). 5. Aktivieren der Brennstoffzelle Das Agar-Agar sollte inzwischen schnittfest sein. Ist dies der Fall, löse das feste AgarAgar so vollständig wie möglich mit einem Messer aus den Kammern. Die Schlauchverbindung muss aber mit festem Agar-Agar gefüllt bleiben!! Fülle die eine Kammer mit ca. 5ml Traubenzuckerlösung, 5 ml Hefesuspension und 5 ml Methylenblaulösung. Rühre kurz um. In die 2. Kammer kommen ca. 15 ml Rote Blutlaugensalzlösung (Alternativ kann in diese Kammer nur Wasser und ca. 3 Tropfen Betaisodona gegeben werden. Betaisodana stellt einen weiteren Bezug zu Alltagsprodukten her und erhöht die Spannung fast auf das Doppelte). In beiden Kammern sollen die Lösungen etwas über die Höhe des Verbindungsschlauchs stehen. Stecke die Karbonfaserelektroden in jede Kammer und verbinde diese mit den Kabeln mit dem Messgerät. Lese Spannung und Stromstärke ab, trage deine Messwerte in die Tabelle ein. Anschließend werden alle Kammern in Serie geschaltet, d.h. Verbindung der Hefekammer mit der Blutlaugensalzkammer der nächsten Brennstoffzelle u.s.w. Lese Spannung und Stromstärke ab, trage deine Messwerte in die Tabelle ein. Spannung in Volt Stromstärke in mA Einzelne Kammer Serienschaltung von ……… Kammern Messgerät Karbonfaserelektrode Verbindung mit Agar-Agar Kammer mit Betaisodona oder rotem Blutlaugensalz [email protected] Kammer mit Hefe, Traubenzucker und Methylenblau Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 4 Arbeitsblatt Bionik und Bauen/1 Wärmehaushalt der Eisbären – transparente Wärmedämmung 1. Aus weißem Ton (eine Alternative wäre Fimo; Ton hat jedoch den Vorteil, dass dieses Material eine Verbindung zum Baustoff Ziegel herstellt) werden zwei "Bären" geformt. In die Körper wird mit z.B.: einem Bleistift ein Loch für das Thermometer gebohrt. Das Loch sollte etwas weiter sein als das Thermometer, da der Ton beim Trocknen schrumpft. Tonbären trocknen lassen. Nach dem Austrocknen einen Bären mit einem Bleistift schwarz anmalen. Die Bären in die Sonnenstrahlung stellen. Wenn keine Sonne scheint, dann in einem Abstand von ca. 20 cm vor einer Wärmelampe aufstellen; werden Halogenlampen verwendet, in einem Abstand von 10 cm. [8] Temperatur nach: 5 Minuten 10 Minuten 15 Minuten Weißer Bär = Eisbär DunklerBär Erklärung: Je mehr Licht von einem Körper reflektiert wird, desto heller erscheint er uns. Je dünkler ein Körper ist, umso mehr Licht absorbiert er. Das von dem Körper absorbierte Licht wird in Wärme umgewandelt. Daher erwärmt sich der schwarz eingefärbte Bär rascher als sein weißer Artgenosse. 2. Material: 4 Ytongziegel ca. 5x10x3 cm mit Lochbohrung, 4 Thermometer, Okaluxwabe, Sonne oder Tageslichtlampe, Bleistift Durchführung:Stelle die 4 Ytongziegelstücke mit dem Loch nach oben nebeneinander auf. Male die Vorderseite von Stück 2 und 3 schwarz an (mit Bleistift oder Filzstift). Stecke in jedes Loch ein Thermometer, positioniere die Wabe so, dass Nr. 3 und Nr. 4 dahinter stehen. Bestrahle mit direkter Sonneneinstrahlung oder Lampe und trage die Messwerte in die Tabelle ein. Weiß Dunkel Dunkel Weiß ohne ohne mit mit 0 min 5 min 10 min 15 min Okalux-Wabe [3] Arbeitsauftrag: Überlege und zeichne für die Messungen auf Millimeterpapier eine geeignete Graphik zur Darstellung der Messwerte: [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 5 Arbeitsblatt Bionik und Bauen/2 Architektur 1. Seifenblasendächer Material: Styroporplatte, Nägel oder Holzspieße, Wollfaden, Seifenblasenlösung, Glaswanne, Durchführung: Stecke in die Styroporplatte unterschiedlich lange Nägel und verbinde sie an der Spitze mit Wollfäden. Stecke alles kopfüber in eine Seifenblasenlösung. Benutze mehr als drei Stäbchen und versuche damit das Dach des Münchner Olympiastadions (siehe Folie ppt od. Skriptum oben) nachzubauen bzw. konstruiere dein eigenes Dach. (Mögliche Anregungen siehe unten) [1]. Wenn dir eine Konstruktion besonders gut gefällt, schreibe die Positionsnummer der Stäbe auf und gehe zu Punkt 2: [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 6 Arbeitsblatt Bionik und Bauen/3 2. Ein Stück Verbandgaze wird mit einer Moltofil-Paste glatt gestrichen (oder mit Haarspray fixiert) und in den Rahmen eingespannt. Lasse trocknen. Heinz Isler fand die Modelle für seine Konstruktionen nach dem unten abgebildeten Schema. Nach dem Trocknen wurde die Form umgekehrt und lieferte ein Modell für die Dachkonstruktionen [1]. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 7 Arbeitsblatt Fin Ray Effect®/1 1. Beobachtung an einer Fischflosse Material: Schwanzflosse von z.B. Forelle Durchführung: Halte die Flosse mit eine Hand in der Luft und drücke mit dem Finger oder Bleistift gegen die Schwanzflosse. Beobachtung: Die Flosse wölbt sich zum Druckpunkt 2. Konstruktion eines Flossenstrahls Material: biegbarer Karton oder Plastik, Klebstreifen, Schere Durchführung: Schneide aus dem Karton zwei Streifen 3 x 20 cm aus und klebe sie mit einem Klebstreifen aneinander. Achte darauf, dass zwischen den beiden Enden ein kleiner Abstand (nicht mehr als ein ½ mm) ist, damit die beiden Streifen aufeinander geklappt werden können. Klebeband Falte die Streifen zu einem Dreieck und verbinde sie mit 3 Querverstrebungen in regelmäßigen Abständen. Die beiden Schenkeln sollten am Grund einen Abstand von ca. 6 cm haben. Lasse zwischen den Schenkeln des Dreiecks und den Querverbindungen wieder max. ½ mm Spiel. Konstruiere ein zweites Dreieck gleicher Größe und verbinde die Schenkeln mit 6 Querverstrebungen in regelmäßigen Abständen. Klebeband 1. Halte die Pyramide an der Basisfläche am Boden fest und drücke seitlich mit dem Finger in verschiedenen Höhen auf einen Schenkel. Vergleiche den Unterschied zwischen den zwei Konstruktionen. Beobachtung: Die Spitze der Pyramide krümmt sich gegen die Druckrichtung zum Finger, je mehr Querverstrebungen, umso stärker die Verkrümmung. 2. Lege die Pyramide mit einem Schenkel auf den Tisch, fixiere den Schenkelmit einem Finger am 1. Segment, dann am 2. Segment usw. auf der Unterlage und drücke jeweils auf den zweiten Schenkel. Beobachtung: Je weiter von der Spitze weg gedrückt wird, umso mehr richtet sich die Spitze auf. 3. Verbinde zwei gleiche oder zwei verschiedene Pyramiden mit Büroklammer zu einem Quader und wiederhole die Druckversuche. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 8 Arbeitsblatt Fin Ray Effect®/2 Beobachtung: Bei Druckbelastung in der Mittel wölbt sich die Struktur an beiden Enden nach oben. 4. Lege die beiden Pyramiden um z.B. eine Petrischale, halte die Pyramiden an der Basisfläche, und drücke gegen die Petrischale. Achte darauf, dass die Eckpunkte unten immer beieinander bleiben. Beobachtung: Die Pyramiden schmiegen sich wie eine Zange um die Petrischale und die Petrischale lässt sich hochheben. Weiterführende mögliche Versuche: 1. Informiere dich unter http://www.felixklingmueller.de/pdf/formfolgt.pdf über weiter Variationsmöglichkeiten der Konstruktion, versuche eine nachzubauen, z.B. mit Plastik die Obstschale auf Seite 38. 2. Ist es möglich einen Stuhl mit bionischen Prinzipien aus Karton zu bauen. Berücksichtige dabei auch die Wabenkonstruktion (Arbeitsauftrag andere Schülergruppe) und das Prinzip technischer Pflanzenhalme [9], [10] [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 9 Arbeitsblatt Grätzelzelle/1 Bau einer Grätzelzelle [10, 11]: Material: 3 elektrisch leitende Glaselektroden ohne TiO2, 1 elektrisch leitende Glaselektroden mit TiO2-Beschichtung, nanokristallines TiO2 (z.B.: Hombikat UV 100 von Sachtleben oder P 25 von Degussa), Farbstofflösung mit Anthocyanen (z.B.: Hibiskusblüten, Heidelbeersaft, Schwarzer Johannisbeersaft, Brombeersaft, Rotwein, Rotkrautsaft, Essigsäure pH ca. 3-4, Mörser mit Pistill, Petrischale, weicher Bleistift, Multimeter, 2 Kabel mit Krokodilklemmen, Föhn, Küchenrolle Durchführung: 1. Wichtig: Fasse die Glasplatte immer nur an den Kanten an, greife nie auf die Glasfläche. Gilt für alle Arbeitsschritte!!! Bestimmung der elektrisch leitenden Seite der Glasplatte = mit SnO2 beschichtete Seite: Lege die Elektroden des Messgeräts auf die Glasplatte. Zeigt sich im Display ein Wert, dann ist es die beschichtete Seite. (Markiere die nicht leitende Seite mit einem kleinen Stück gelben Klebeband)) Beachte die richtige Positionierung der Messkabel am Gerät und Positionierung des Wahlschalters auf Ohm(siehe Abbildung bzw. Beschriftung Messgerät). Reinige die Glasplatte mit warmen Wasser und trockne mit einem Fön. 2. Herstellen der Farbstofflösung: die Hibiskusblüten werden mit kochend heißem Wasser übergossen und ca. 5 min. ziehen lassen. (Alternativ: Heidelbeersaft, Schwarzer Johannisbeersaft, Brombeersaft, Rotwein, Rotkrautsaft, .....) 3. Herstellung der TiO2-Suspension: Etwas nanokristallines TiO2 (ca. 0,3g Hombikat UV 100 von Sachtleben oder P 25 von Degussa) wird mit 1 ml Rotkrautextrakt (Wein, Brombeersaft, ….) und 1-2 Tropfen Essigsäure (pH = ca. 3-4) in einer Schale mit dem Mörser fein zerrieben, bis eine dünnflüssige Suspension entsteht. Die Säure verhindert, dass sich die feinsten Teilchen wieder zusammenlagern. 4. Auf die leitende Seite einer Glaselektrode wird ein Tropfen der Farbstoffsuspension gebracht und durch kreisende Bewegungen mit einem Objektträger fein verteilt. Am Rand sollte ein ca. 4 mm breiter Streifen frei bleiben Glaselektrode Farbstoffsuspension Objektträger beschichtete Elektrode Anschließend die Beschichtung mit dem Föhn trocknen. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 10 Arbeitsblatt Grätzelzelle/2 5. (kann für eine rasche Demonstration entfallen, führt aber zu einer beständigeren Beschichtung) Sintern (=Aufbacken der TiO2- Schicht auf die Glasplatte): die Glasplatte mit der TiO2-Schicht nach oben wird auf zweimal gefaltete Al-Haushaltsfolie (Folie sollte etwa gleich groß sein wie die Platte) gelegt und dann auf das Gitter am Stativring. Der Brenner wird entzündet. Die Glasplatte sollte genau in der Spitze der Flamme liegen. Die TiO2Schicht färbt sich zuerst braun und dann wieder weiß. Wenn die Schicht wieder durchgehend weiß ist, ist das Backen beendet. Brenner abdrehen, Glasplatte nicht bewegen und langsam abkühlen lassen. Das Brennen ist auch in einem Keramikofen bei ca. 450° C möglich. 6. Die Elektroden mit der Beschichtung nach oben in den Rotkrautextrakt (Wein, Brombeersaft, …) legen. Die Flüssigkeit soll über die Elektroden gehen, damit nochmals Farbstoff aufziehen kann. Die Elektroden nach ca. 2 Minuten herausnehmen, überschüssige Flüssigkeit abtropfen und nochmals mit dem Föhn trocknen. 7. Während des Aufziehen des Farbstoffs die Pluselektrode herstellen: die zweite Glasscheibe wird auf der leitfähigen Seite mit einer Graphitschicht versehen. Dazu mit einem weichen Bleistift (am besten ein ganz weicher, z.B.: LYRA TITAN 307/8B) die ganze Fläche gleichmäßig anmalen, bis die Platte möglichst dunkel eingeschwärzt ist. 8. Fertigstellen der Solarzelle: die eingefärbte Minuselektrode mit der TiO2-Schicht nach oben auf den Tisch legen und die Plus (=Graphit)-elektrode so versetzt darauf legen, dass die 4 mm breite Zone frei bleibt. TiO2-Schicht und Graphitschicht müssen aufeinander liegen. Dann die zwei Platten an gegenüber liegenden Seiten mit den vorbereiteten Büroklammern fixieren. Anschließend 2-3 Tropfen Elektrolytlösung (=Jod-Kaliumiodidlösung) wie in der Abbildung dargestellt auftragen. Die Lösung zieht auf Grund der Kapillarkräfte automatisch ein und sollte den kompletten Zwischenraum durchdringen. 9. Auswertung der Solarzelle: 9.1. Bestimmung von Spannung ( U ) und Stromstärke ( I ) bei verschiedenen Belichtungen: Die fertig zusammengefügte Solarzelle wird mit den Leitungskabeln am Messgerät angeschlossen, mit der eingefärbten Seiten zur Lichtquelle positioniert und beleuchtet. Stelle den Wahlschalter auf Volt – Gleichspannung (links von off) bzw Ampere und trage die Werte in die Tabelle ein. Gruppe Farbstoffquelle Belichtung Imax in A Umax in V Rotwein Tageslicht Sonne Tageslicht Raum Tageslichtlampe Rotkraut Tageslicht Sonne Tageslicht Raum Tageslichtlampe Tageslicht Sonne Tageslicht Raum Tageslichtlampe [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 11 Arbeitsblatt Superabsorber – Kiefernzapfen/1 1. Der Kaffee ist so stark, dass der Löffel darin steht: Material: (Zucker)Dose mit Superabsorber (Bezugsquelle [6], mühsamer aber origineller ist die Gewinnung von Superabsorbern aus Babywindeln: dazu wird die Windel aufgeschnitten und auf eine dunkle Unterlage ausgeklopft, aus den Schnittstellen fallen kleine weiße Körner – die Superabsorber.), eine Tasse starker Kaffe und ein Glas ½ voll mit Wasser, Plastikkaffeelöffel. Durchführung: Einem Teilnehmer wird ein Schluck Kaffee zum Testen angeboten und anschließend wird der Kaffee selbst getestet. Für mich ist er zu stark, daher zum Verdünnen etwas Kaffee in das Wasserglas gießen. Da der Kaffee nun sehr dünn ist, muss er wieder stärker werden und zwar so stark, „dass der Löffel darin steht“ (Wiener Sprichwort). Das wird durch Zugabe von einem Kaffeelöffel „Zucker“ erreicht. Der Zucker wird kurz umgerührt und anschließen das Glas mit beiden Händen umschlossen, so dass der Inhalt für die Teilnehmer nicht mehr sichtbar ist. Für ca. eine Minute wird eine Geschichte erzählt, anschließend der Plastiklöffel senkrecht in das Glas mit dem Kaffee geführt Beobachtung: der Löffel steht im Glas Erklärung: Der „Zucker“ ist in Wirklichkeit Superabsorberpulver. Der Superabsorber nimmt das Wasser auf, quillt und so wird der Inhalt im Glas zu einer gallertigen Substanz, die fest genug ist, dass ein Plastiklöffel darin stehen kann. 2. Feuchtigkeitsregulation eines Kieferzapfens: Material: offener Kieferzapfen, Glas mit Wasser; geschlossener Zapfen, Durchführung 1: Der offenen Kieferzapfen wird in ein Glas mit Wasser gelegt. Beobachtung nach einer Stunde: Die Schuppen haben sich nach oben gebogen, der Zapfen ist geschlossen. Erklärung: Der Mechanismus funktioniert durch Quellungsvorgänge. Bei hoher Feuchtigkeit nehmen die Zellen auf der Unterseite der Schuppen Wasser auf, dadurch kommt es unten zu einer Volumszunahme der Zellen, die Schuppen biegen sich nach oben und schließen dicht an die Unterseite der darüber liegenden Schuppe (siehe Theorieteil bzw. [4]). Durchführung 2: der Geschlossenen Zapfen wird ca ½ Stunde in das Backrohr bei ca. 70° gelegt. Beobachtung: Die Schuppen biegen sich nach unten, der Zapfen öffnet sich. Erklärung: Bei Trockenheit verlieren die Zellen der Schuppen an der Unterseite Feuchtigkeit an die Luft, das Zellvolumen nimmt ab und die Schuppen biegen sich nach unten, der Zapfen öffnet sich. Weiterführender Versuch: Bau eines Hygrometers [7], [8] [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 12 Arbeitsblatt Superabsorber – Kiefernzapfen/2 3. Wirkung von Luquafleece®: Material: Ein Stück Luquafleece® [Bezugsquelle: 9] ca. 1 cm x 1 cm, ein Stück von der rauen Seite von einem Geschirrputzschwamm ca. 1 cm x 1 cm, 2 Stück durchsichtiger PVC-Schlauch je ca. 5 cm Durchführung 1: Das Luquafleece® -Stück wird fest eingerollt und in ein Stück PVCSchlauch gesteckt, das Stück des Schwamms wird ebenso eingerollt und in den zweiten PVC-Schlauch gesteckt. Versuche von oben durch die Schlauchstücke zu blasen. PVC-Schlauch PVC-Schlauch Luquafleece Putzschwamm Wasserschale Wasserschale Beobachtung: durch beide Schlauchstücke kann man ungehindert blasen, beim Putzschwamm ist eventuell ein stärkerer Widerstand feststellbar. Durchführung 2: Stecke die PVC-Schläuche mit dem Vlies für ca. 2 Sekunden in etwas Wasser und blase erneut durch. Beobachtung: durch den Putzschwamm kann man hindurchblasen und es spritzt Wasser heraus. Durch das Luquafleece® kann man nicht hindurchblasen, es verschließt den Schlauch fest. Durchführung 3: Halte die Schlauchstücke senkrecht über ein Gefäß und fülle sie von oben vollständig mit Wasser Beobachtung: Aus dem Schlauchstück mit Putzschwamm rinnt das Wasser ab, aus dem Schlauchstück mit Luquafleece® rinnt kein Wasser ab. Erklärung: Die Neuerung von Luquafleece® zu herkömmlichen Anwendungen der Superabsorber ist, dass die Polymerisation zum Superabsorber erst direkt auf der Faser erfolgt, dadurch ist der Superabsorber fest mit der Faser verbunden und die Ketten sind noch durch einen Vernetzer zu einem Molekülknäuel vernetzt. Dadurch sind die Ketten nicht beweglich, quellen bei Wasseraufnahme an ihrem Platz und können bis zum 400 fachen des Eigengewichts an Wasser aufnehmen[10]. Geschieht das bei allen gebunden Superabsorbern, verschließen sich die Hohlräume zwischen den Fasern und das Vlies ist vollkommen dicht – wasserdicht. Durchführung 4: Wird das Luquafleece®-Stück aus dem Schlauch genommen und an der Luft getrocknet, ist es jederzeit wieder verwendbar. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 13 Arbeitsblatt Superabsorber – Kiefernzapfen/3 Erklärung: Bei Trockenheit verdunstet das Wasser aus den Superabsorberkörnchen an die Luft, die Superabsorber ziehen sich zusammen, die Hohlräume zwischen den Fasern regenerieren sich und das Vlies ist wieder atmungsaktiv. Durchführung 5: Zwei gleich große Stücke von Luquafleece® werden nebeneinander gelegt. Ein Stück wird mit Wasser beträufelt. Beobachtung: Das mit Wasser behandelte Stück nimmt stark an Volumen zu, die Unterlage bleibt trocken. Erklärung: Superabsorbereffekt. 4. Modellexperiment mit dem Fortune Teller Miraclefish Material: Miraclefish, Bezugsquelle [12] Durchführung: Der Fisch wird auf die Handfläche oder eine andere Körperstelle gelegt. Beobachtung: Der Fisch rollt sich ein, je nachdem, wie er sich einrollt wird die Stimmung angezeigt, vergleiche Text auf Umhüllung. Erklärung: Der Fisch besteht aus Cellophan, das leicht Feuchtigkeit aufnimmt und sich dabei ausdehnt. Da von der Haut immer etwas Schweiß abgegeben wird, dehnt sich der Fisch nur auf der der Haut zugewandten Seite aus und rollt sich daher ein. Am meisten schweiß wird von der Handinnenfläche abgegeben. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 14 Arbeitsblatt – Strömungsverhalten/1 Versuche zum Bernoulli-Effekt; Halte die Veränderung in der Zeichnung fest: 1. Halte ein Blatt Papier zwischen den Fingern und blase von vorne oben darauf. Was passiert? Das Blatt steigt hoch. Erklärung: Bernoulli Effekt 2.1. Lege ein Blatt Papier zwischen 2 Bücher und blase mit einem Strohhalm kräftig in den Hohlraum. Halte die Veränderung in der Zeichnung fest: Erklärung: Durch die schneller fließende Luft aus dem Strohhalm entsteht ein Sog, der das Papier nach unten zieht. 2.2. Lege zwei Tischtennisbälle im Abstand von ca. 1 cm nebeneinander: Versuche die beiden Bälle mit einem Trinkhalm auseinander zu blasen, indem du den Trinkhalm knapp über den Bällen in die Mitte platzierst. Halte die Veränderung in der Zeichnung fest: Erklärung: Durch die schneller fließende Luft aus dem Strohhalm entsteht Trinkhalm Bälle ein Sog, der die beiden Bälle zueinander treibt 3. Binde den Luftballon an einem Faden an und halte ihn damit auf einer Unterlage fest. Blase dann mit dem Föhn oder Ventilator (Stufe 1) von schräg oben auf den Luftballon. Zeichne das Verhalten des Ballons in die Zeichnung: Erklärung: Der Ballon steigt durch den Bernoulli Effekt 4. Übertrage die Form der Tragfläche (siehe nächstes Blatt) 2 mal auf ein Stück Karton, schneide die zwei Kartonstücke aus und klebe sie mit 3 ca. 20 cm langen Kanthölzern zusammen. Fixiere zusätzlich den Karton an den Holzstäben mit Reißnägeln. Überzieh das ganze mit einer Plastikfolie und/oder Blatt Papier und fixiere die Tragfläche mit den Holzstäben stäben auf der Unterlage (z.B.:Styroporplatte)). Stelle alles auf die Waage, beschwere etwas mit z.B.: Wasserglas. Lese das Gewicht ab und blase dann mit dem Föhn (besser: Ventilator Stufe 1) aus ca. 20 cm Entfernung von vorne auf die Tragfläche. Notiere die Veränderung der Gewichtsanzeige: Trag- Trag- Trag- Tragfläche fläche fläche fläche 1 2 3 4 Gewicht ohne Wind Gewicht mit Wind Waage Differenz Erklärung: Durch den Bernoulli Effekt entsteht an der Tragfläche ein Auftrieb, daher nimmt das Gewicht ab. Verändere die Ventilatorleistung auf Stufe 2. Welche Gewichtsänderung tritt ein? Ein stärkerer Wind sollte den Auftrieb erhöhen und das Gewicht weiter abnehmen. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 15 Tragfläche Form 1 Tragfläche Form 2 Tragfläche Form 3 Tragfläche Form 4 Tragfläche 4 [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 16 Arbeitsblatt – Strömungsverhalten/2 5. Herstellung eines Papierrotors nach Prinzip von Pflanzensamen Material: Kopiervorlage von unten, Schere, Büroklammer Durchführung: Schneide die Kopiervorlage aus. Schneide die durchgezogenen Linien ein und falte die punktierten Linien so, dass Fläche C und E nach hinten geklappt werden und die Flächen A und B laut Zeichnung. Stecke auf die eingeklappten Flächen C, D und E eine Büroklammer. Werfe den Rotor in die Luft und beobachte, wie er fällt. A C [email protected] B D E Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 17 Arbeitsblatt Waben/1 1. Welche Tragkraft hat eine Papierwabe aus drei DIN A3 Blättern? Material: 3 Blätter DIN A3 mit mit Rastermuster (Kopiervorlage nächste Seite). Durchführung: Baue aus dem vorliegenden Blatt eine Wabenstruktur, die so aussehen soll: Wichtig: genaues Falzen entlang der Linien und Verkleben der Kontaktflächen begünstigt das Gelingen. Verwende die Kopiervorlage: 1. Scheide die Längsstreifen ab und knicke die Falzstellen in die richtige Richtung 2. Verklebe die Streifen 3. Die einzelnen Teilwaben werden miteinander verklebt, mit einer dünnen Platte, z.B: Acrylglasplatte bedeckt und möglichst gleichmäßig in der Mitte belastet mit Büchern, .... 4. Das Gewicht der Bücher zum Zeitpunkt des Einsturzes wird bestimmt: ............. 5. Trägt die Konstruktion auch einen Menschen? Lege die Wabe auf einen flachen Untergrund und bedecke mit z.B. Acrylglasplatte. Steige nun vorsichtig auf die Acrylglasplatte. (Am besten geht es, wenn man sich links und rechts an den Schultern von Kollegen abstützt und langsam sein eigenes Gewicht gleichmäßig auf die Platte absenkt.) Ausschnitt aus der Papiervorlage: Falzrichtung [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik Arbeitsblatt – Waben (Kopiervorlage, auf DIN A3 mit 60% vergrößern)) [email protected] 18 Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 19 Arbeitsblatt Waben/2 2. Selbstorganisation von Seifenblasen Material: 2 Plexiglasplatten ca. 10 x 15 cm mit Schrauben verbunden, Trinkhalme, Seifenblasenlösung, Winkelmesser, Pfeifenputzer, Plastikdose Durchführung 1: Benetze die Innenseiten vollständig mit Seifenblasenlösung. Tauche den Trinkhalm in die Seifenlösung und blase eine Seifenblase zwischen die beiden Platten. Betrachte von oben und halte die Beobachtung in der Skizze fest. Lege anschließend die Plexiglasplatten in die Seifenlösung (die untere Platte sollte vollständig mit Lösung gerade bedeckt sein – eventuell etwas Lösung nachfüllen). Setze den Strohhalm an der Kante der unteren Platte und blase anschließend viele, eher kleinere Blasen zwischen die beiden Platten, sodass der Zwischenraum möglichst vollständig mit Seifenblasen gefüllt ist. Betrachte von oben, achte besonders, welche geometrischen Figuren du sehen kannst, messe an verschiedenen Stellen den Winkel zwischen den Seifenblasen und halte die Beobachtung in der Skizze fest. Struktur einer Seifenblase Struktur vieler Seifenblasen Beobachtung: eine Seifenblase bildet eine ideale Kreisstruktur, viele Seifenblasen ergeben eine Wabenstruktur, wobei der Winkel zwischen 3 Seifenblasenmembranen immer 120° beträgt Herstellung von Seifenblasen: Sucht man im Internet nach Rezepten zur Herstellung von Seifenblasen, gibt es viele Rezepte. Welches ist das Beste? Ausprobieren ist wahrscheinlich die einzige Antwort dafür. Nicht jedes Spülmittel, jede Schmierseife funktioniert gleich gut. Meine Erfahrung zeigte, dass manche „gute“ Rezepte kein befriedigendes Ergebnis brachten, andere Rezepte ohne besonderen Hinweis schon, manchmal hilft auch eine geringfügige Änderung bei den Zutaten bzw. Mengen. Ein Rezept, etwas verändert nach [12] möchte ich angeben: Material: 750 ml destilliertes Wasser, 250 ml Spülmittel (flüssige Seife M-budget, Bezugsquelle: Migros), 1 EL Glycerin (Apotheke), 70 g Staubzucker, 2,5 g Tapetenkleister (Methylzellulose) Durchführung: Die Zutaten gut vermischen und über Nacht reifen lassen. [email protected] Bildungsdepartement St. Gallen Schulversuche zur Bionik 20 Arbeitsblatt - Faltungen Material: Blatt Papier DIN A4, Schere, Lineal Durchführung: Baue nach der Anleitung ein Sonnensegel nach dem Prinzip der Miurafaltung: [email protected]
