Naturwissenschaftlicher Sachunterricht – Sprint II Projekt Thema „Bionik“ Wärmedämmung nach Eisbärenart Name: Sonja Hofstetter und Ving Chan Hua Schule: VS II Schwechat Klassenlehrerin: Petra Fuchs Klasse: 3b Projekttage: 18.1.2013 und 21.1.2013 Fragen: · Warum friert der Eisbär nicht? · Warum hat der Eisbär eine schwarze Haut? · Wie würdest du das Wissen umsetzen? · Wie wurde das Wissen in der Technik umgesetzt? Ziele: · Kinder sollen den Begriff Bionik kennen lernen und erklären können. · Kinder nennen die Besonderheiten des Eisbären. · Kinder können die Experimente vorzeigen. · Kinder entwickeln ein Gefühl dafür, dass sich aus der Natur wichtige Ideen für den Alltag und die Technik ergeben können. · Kinder lernen verschiedene Beispiele für bionische Erfindungen kennen. · Kinder verstehen den Zusammenhang Wärmedämmung Eisbär – Wärmedämmung Technik · Kinder lernen, warum ein Eisbär nicht friert. Unterrichtsmittel: Arbeitsmittel: Sachinformation Was ist Bionik? Eine Verbindung zwischen Natur und Technik – wie geht das? Bionik bedeutet “Lernen von der Natur für die Technik” und damit die bestehenden Technologien zu verbessern. Der Begriff Bionik setzt sich aus den Worten Biologie und Technik zusammen. Mit dem Traum vom Fliegen begann die Geschichte der Bionik. Vögel waren die großen Vorbilder der ersten Flugzeugbauer. Es gibt in unserem Alltag einige Gegenstände, die Vorbilder aus der Natur haben. Oft wissen wir das gar nicht, z.B. der Klettverschluss oder der Stacheldraht. Der Eisbär Der Eisbär ist ein Säugetier und gehört zu der Untergruppe der Großbären. Sie sind meist Einzelgänger oder leben nur in kleinen Gruppen. Eisbären legen ca. 70 Kilometer pro Tag zurück. Sie leben in der Arktis (Nordpol) und auf dem Packeis. Männchen wiegen ungefähr 700 kg. Weibchen wiegen ungefähr 300 kg. Wenn sich ein Eisbär auf die Hinterbeine stellt, ist er 3 m groß. Sein Fell ist weiß und im Sommer etwas gelblicher. Es bietet Schutz vor der Kälte und tarnt den Eisbären ideal. Die „weißen“ Haare haben in Wirklichkeit keine Farbe. Sie sammeln das UV Licht und leiten dieses zur schwarzen Haus vor, die die Wärme speichert. Unter seinem Fell hat er eine 5-10 cm dicke Fettschicht, die ihn ebenfalls gegen die Kälte schützt. Die Haare sind innen hohl. Augen, Nase, Lippen und Krallen sind schwarz. Eine Besonderheit des Eisbären ist seine Zunge, diese ist graublau und schützt ihn so vor der Kälte. An der Unterseite seiner breiten Pfoten hat er kurze, borstige Haare. So bekommt er nie kalte Füße. Der Eisbär kann seine 5 Krallen nicht einziehen. Auf dem Eis kann er sich mit den Krallen gut festhalten. Eisbären sind Allesfresser. Auf ihrer Speisekarte stehen: Fische, Vogeleier, gestrandete Wale. Am liebsten verspeisen sie aber Robben. Im Sommer fressen sie aber auch Gräser oder Beeren. Eisbären sind kluge Jäger. Um Robben fangen zu können, wendet er einen besonderen Trick an. Um sich nicht zu verraten, deckt er die schwarze Nase mit seinen Pfoten ab. So können die Robben den Eisbären nicht erkennen. Außerdem sind Eisbären sehr gute Schwimmer. Beim Tauchen schließen sie die Nasenlöcher, aber die Augen bleiben offen. Ein Eisbär kann 2 Minuten unter Wasser bleiben. Eine Bärin bekommt nur alle 4 Jahre Nachwuchs. Meistens sind es Zwillinge. Vor der Geburt zieht sich die Bärin in eine Höhle zurück. Bei der Geburt sind die Babys so groß wie ein Meerschweinchen. Die Jungen werden 3 Monate gesäugt. Die Eisbärin und ihre Jungen bleiben 3 Jahre beisammen. Zu den Feinden der Eisbären zählten nur die Menschen, da sie die Bären wegen ihres Felles jagten. So war der Eisbär bald vom Aussterben bedroht, doch zum Glück steht er heute unter Naturschutz. Nur mehr den Inuits ist es erlaubt sie zu jagen. Wärmedämmung nach Eisbärenart Das Eisbärenfell ist das natürliche Vorbild für moderne transparente Wärmedämmstoffe. Eisbären schützen sich durch die Kombination mehrerer Effekte erfolgreich vor der eisigen Kälte am Nordpol. Selbst Temperaturen von minus 70 Grad Celsius bereiten Eisbären keine Schwierigkeiten. Funktionen des Eisbärenfells Das weiße Fell des Eisbären erfüllt mehrere sinnvolle Funktionen, die dem Eisbär das Leben unter den herrschenden Bedingungen erleichtert. So dient die weiße Farbe des Fells der Tarnung. Damit kann sich der bis zu drei Meter große Jäger unbemerkt in der schneebedeckten Landschaft an seine Beute heranschleichen oder ihr auflauern. Das dichte Fell dient daneben zum Schutz gegen die Kälte. Die einzelnen Haare sind von einem öligen wasserabweisenden Film umgeben. Deshalb macht dem Eisbären auch ein kleines Bad im eiskalten Wasser nichts aus. Denn nach dem Schwimmen schüttelt er sämtliche Wassertropfen einfach aus dem Fell. So kann auch Schnee nicht im Fell gefrieren. Gleichzeitig schließen die dicht stehenden Fellhaare Luft ein und erzeugen so eine Isolierschicht. Hierdurch kann die Körperwärme nicht so leicht entweichen. Dieser Effekt wird beim Eisbärenfell durch die starke Kräuselung der einzelnen Haare verstärkt. Das dichte Haargeflecht bildet ein Luftpolster um den Eisbärenkörper. Darüber hinaus fungieren die Haare als Lichtleiter. Sie sind innen hohl und einer technischen Glasfaser vergleichbar. Die Sonnenstrahlen werden durch die Haarkanäle auf die schwarze Haut des Eisbären geleitet; die Strahlung wird absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Fettschicht der Haut speichert diese Wärme zusätzlich zur Körperwärme. Transparente Fassadendämmung - Solare Wandheizung Das Eisbärenfell war der Ideengeber für die transparente Wärmedämmung: Die wärmenden Sonnenstrahlen werden auf die Haut geleitet. Die gefangene Wärme wird von dem Luftpolster im Fell festgehalten. In der Technik verwendet man eine Schicht aus dünnen Glasröhrchen, welche das Sonnenlicht auf die dunkel gestrichene Hauswand leiten. Die dunkle Farbe absorbiert die Strahlen und gibt die Wärme an die innen liegenden Räume ab. Im Sommer vermindert die Dämmschicht den Wärmeeintrag von außen durch die sonnenstandsabhängige Wirkung: Fällt das Licht mit kleinem Einfallswinkel auf die Fassade, wird nur wenig reflektiert und es liegt eine hohe Absorptionsrate vor. Bei hohem Lichteinfallswinkel wird hingegen nur wenig Wärme in das Gebäude geleitet. Dadurch erzielt man, dass die Räume im Winter effektiv aufgewärmt und im Sommer entsprechen weniger stark aufgeheizt werden. Wärmedämmende Textilien Nach dem Prinzip der transparenten hohlen Haare hat man bereits künstliche Fasern entwickelt, die zu einem Gewebe verarbeitet werden können. Die Vliesstoffe werden zum Teil bereits in Bettdecken, Anoraks und speziell für tiefe Temperaturen geeignete Schlafsäcke verarbeitet. Ein weiteres Einsatzgebiet für solche flexiblen Textilien sind beispielsweise halbkugelförmige Sonnenkollektoren. Sie könnten die klassischen transparenten Dämmmaterialien, die starr und schwer sind, ablösen. Auch zur Isolation von zum Beispiel Warmwasserrohren sind diese Textilien als Isolationsmaterial geeignet. Biologisches Vorbild Technische Lösung Experimente Weshalb hat der Eisbär wohl eine schwarze Haut? Du brauchst: schwarze und weiße Eisbärenform (Alternative: Tücher) Taschenlampen Durchführung: 1. Lege eine schwarze und eine weiße Eisbärform für einige Minuten( ca. 5 min) unter eine Lampe. 2. Welche Form ist wärmer? Der Wärmetresor Du brauchst: jede Gruppe 2 schwarze Eisbärformen Luftpolsterfolie Lampe Uhr Klebefilm Durchführung: 1. Lege eine der Formen auf die Luftpolsterfolie. Falte die Folie zu einer Tasche die die Form umschließt. Klebe sie von oben und den Seiten zu. Dabei soll die schmale Seite offen bleiben. 2. Lege die beiden Eisbärformen ca. 5 Minuten unter die Lampe. 3. Halte die Formen in der Hand und fühle die Temperatur an verschiedenen Stellen. 4. Wenn du die Wärme an der unbedeckten Form nicht mehr fühlen kannst, dann nimm die zweite Form aus der Folientasche. Was beobachtest du? Eisbären fühlen sich in eisiger Kälte pudelwohl. Hier kannst du erfahren, warum: Du brauchst: Styropor Metall oder Glas Durchführung: 1. Lege eine Hand auf ein Stück Styropor. 2. Die andere Hand legst du auf Metall oder Glas. 3. Welche Hand fühlt sich kälter an? 4. Warte einige Minuten. Wie fühlt sich nun deine Hand auf dem Styropor an? Kann man Wärme einschließen? Du brauchst: Schuhkarton Thermometer Stoppuhr Gefäße aus Glas, Ton, Plastik, Metall usw. Wolle, Watte, Papier, Kieselsteine, Erde usw. Wassergefäß 40°C Anmerkung: kleine Herdplatte eventuell notwendig?! Durchführung: Die Kinder bekommen rund 40° C warmes Wasser (am besten aus einer Thermoskanne). Ihnen stehen verschiedene Gefäße aus Glas, Metall, Plastik und Ton zur Verfügung. Isolationsmaterialien sind zum Beispiel Styropor, Steine, Watte und Papier. Die Gruppen suchen sich aus, welche Materialien sie verwenden möchten. Wenn alle fertig sind, wird die Zeit gestoppt. Nach zehn Minuten erfolgt der Vergleich mit einem Thermometer. Welche Gruppe hat gewonnen? Warum? Welche Materialien hat sie verwendet? Wichtige Erkenntnis: Luft ist ein guter Wärmeisolator. Sie ist also ein schlechter Wärmeleiter. Quelle: http://suite101.de/article/waermedaemmung-nach-eisbaerenart-a49197#axzz2GoiibBOs http://www.heise.de/tp/artikel/22/22417/1.html http://www.frag-die-natur.uni-muenster.de/eisbaer/eisbaer.htm http://www.berliner-zeitung.de/newsticker/modellversuch-in-friedrichshagen--neuewaermedaemmung-an-plattenbauten-wird-ausprobiert-ein-haus-mit--eisbaerenfell,10917074,9736006.html http://www.kidsnet.at/sachunterricht/tiere/eisbaer.htm http://www.lehrerweb.at/materials/gs/faecheruebergreifendes/baeren/eisbaer.pdf Arbeitsblätter mit unterschiedlichen Öffnungsgraden Arbeitsblatt 1: Experiment: Kann man Wärme einschließen? Arbeitsblatt 2: Beobachtungsbogen mit Vorgaben: Experiment Kann man Wärme einschließen? Arbeitsblatt 3: Beobachtungsbogen ohne Vorgaben: Experiment Kann man Wärme einschließen? Arbeitsblatt 4: Experiment mit Anleitung: Der Wärmetresor Arbeitsblatt 5: Experiment ohne Anleitung: Der Wärmetresor Arbeitsblatt 5: Beobachtungsbogen mit Vorgaben: Der Wärmetresor Arbeitsblatt 6: Beobachtungsbogen ohne Vorgaben: Der Wärmetresor Arbeitsblatt 7: Experiment: Wenn es heiß wird in der Arktis Arbeitsblatt 8: Beobachtungsbogen: Wenn es heiß wird in der Arktis Name: ________________________________ Du bist dran! Um Wasser warm zu halten, stehen dir einige Gefäße und Materialien zur Verfügung. Wer schafft es, das Wasser im Gefäß am längsten warm zu halten? Notiere, welche Materialien eure Gruppe verwendet hat und welche Temperatur das Wasser nach einigen Minuten noch hatte. Name:_____________________________ Wärme kann man einschließen? BEOBACHTUNGSBOGEN – KANN MAN WÄRME EINSCHLIEßEN? Besprich deine Überlegungen in der Gruppe! Welches Material vermutest du hält das Gefäß am längstem warm? Welche Materialien wirst du dafür verwenden? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Beschreibe deinen Vorgang! Welches Material hast du als erstes ausprobiert? Welche Materialien hast du verwendet? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Mögliche Erklärungen Warum hält das eine Material das Gefäß wärmer als die anderen? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Name: _________________________________ Unter seinem dicken Fell ist der Eisbär schwarz – so wie seine Nase. Du bist dran! Weshalb hat der Eisbär wohl eine schwarze Haut? Dieser Versuch verrät es dir: 1. Lege eine schwarze und eine weiße Eisbärform fünf Minuten unter eine Lampe oder in die Sonne. 2. Welche Form ist wärmer? Der Wärmetresor 1. Lege eine der Formen auf die Luftpolsterfolie. Falte die Folie zu einer Tasche die die Form umschließt. Klebe sie von oben und den Seiten zu. Dabei soll die schmale Seite offen bleiben. 2. Lege die beiden Eisbärformen ca. 5 Minuten unter die Lampe. 3. Halte die Formen in der Hand und fühle die Temperatur an verschiedenen Stellen. Form aus der Folientasche. Was beobachtest du? Welche Form wird deiner Meinung nach wärmer sein? Begründe deine Vermutung! ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Name: _________________________________ Unter seinem dicken Fell ist der Eisbär schwarz – so wie seine Nase. Du bist dran! Weshalb hat der Eisbär wohl eine schwarze Haut? Material: schwarze und weiße Eisbärform; Lampe Der Wärmetresor Material: Luftpolsterfolie, 2 schwarze Eisbärformen, Dixo Welche Form wird deiner Meinung nach wärmer sein? Begründe deine Vermutung! ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ Name:_____________________________ Eisbären haben eine schwarze Haut? BEOBACHTUNGSBOGEN – DER WÄRMETRESOR Besprich deine Vermutungen in der Gruppe! 1. Versuch: Welche Form wird eurer Meinung nach wärmer sein? Begründet eure Vermutung! __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 2. Versuch: Welche Form wird eurer Meinung nach wärmer sein? Begründet eure Vermutung! __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Was kannst du beobachten? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Wie würdest du es dir erklären? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Name: _______________________ Wenn es heiß wird in der Arktis Eisbären kommen selbst in der Arktis schnell ins Schwitzen. Wenn es ihnen zu warm wird, kühlen sie sich ab – in eiskaltem Wasser Du bist dran! Eisbären fühlen sich in eisiger Kälte pudelwohl. Hier kannst du erfahren warum: 1. Lege eine Hand auf ein Stück Styropor. 2. Die andere Hand legst du auf Metall oder Glas. 3. Welche Hand fühlt sich kälter an? 4. Warum? Name: _______________________ Wenn es heiß wird in der Arktis Eisbären kommen selbst in der Arktis schnell ins Schwitzen. Wenn es ihnen zu warm wird, kühlen sie sich ab – in eiskaltem Wasser Du bist dran! Eisbären fühlen sich in eisiger Kälte pudelwohl. Überlege warum! Material: 1 Stück Styropor, Metall oder Glas Name:_____________________________ Eisbären schwitzen in der Arktis – wieso? BEOBACHTUNGSBOGEN – WENN ES HEIß WIRD IN DER ARKTIS Was vermutest du, wird passieren? Vergleiche die beiden Materialien, welche Unterschiede erkennst du? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ Mögliche Erklärungen __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________