Luft nimmt einen Raum ein

Luft
&
Wärmedämmung im Tierreich
Petra Becker-Nows
Kerstin Becker
Carsten Müller
Gliederung
Luft
Aus dem Lehrplan
Unterrichtsthema Luft
Versuche mit Luft
Wärmedämmung
Notwendigkeit der Wärmedämmung
Wärmetransportmechanismen
Effektive Wärmedämmung
Funktion des Fells bei Tieren
1.Luft
1.1 Aus dem Lehrplan
Bereich Natur und Leben / Unterrichtsgegenstände
in den Klassen 1 und 2:
experimentelle Erfahrungen mit Wasser und
Luft, Wärme und Kälte, Licht und Schatten
machen
in den Klassen 3 und 4:
Versuche mit Wasser, Luft und Schall
durchführen und deuten
Bereich Technik und Arbeitswelt /
Unterrichtsgegenstände
in den Klassen 1 und 2:
Modelle mit einfachen Werkstoffen bauen und
dabei grundlegende Technikerfahrung machen
in den Klassen 3 und 4:
Wirkungen und Wandlungen von Kräften
untersuchen
Energiequellen und –formen sowie Möglichkeiten
der Energieeinsparung kennen lernen
1.2 Unterrichtsthema Luft
• Wo ist Luft zu finden ?
(Lunge, Luftballon, Schwimmreifen, Fahrradreifen, Fußball,
Wind, überall?)
• Wie kann ich Luft spüren, erleben?
(Atmung, Ausströmen, Wind)
• Kann man Luft sehen, riechen, schmecken, hören,
anfassen?
(manchmal ja, manchmal nein)
• Was ist Luft eigentlich? Ist Luft nichts?
Luft erleben, experimenteller Umgang mit Luft
zum Einstieg
• bewusst ein- und ausatmen
•
•
•
•
•
Luftballons aufblasen und sausen lassen
Luft selber strömen lassen / pusten
Luft in der Sprache
den Wind draußen auf der Haut spüren
fliegende Blätter, Samen flatternde Fahnen draußen
beobachten
• Drachen steigen lassen
• vielleicht gibt es Naturphänomene zu sehen, die durch
Luft entstanden sind?
Ein kurzer Blick in die
Geschichte:
• Otto von Guericke erfand
1650 die erste Luftpumpe.
• 1654 demonstrierte er
öffentlich die „Magdeburger
Halbkugeln“
• Joseph Priestley entdeckte
1774 den Sauerstoff.
Luft ist nicht nichts!
Luft hat viele Eigenschaften!
1.3 Versuche mit Luft
Wichtig bei allen Versuchen:
Den Kindern Zeit zum Staunen (Verwunderung,
Faszination) lassen!
Gelegenheit zum freien Experimentieren,
Ausprobieren, „Herum-Suchen“ lassen!
Luft nimmt einen Raum ein
(Mechanik, Raumerfüllung)
• scheinbar leere Gefäße enthalten in Wirklichkeit
Luft / Gefäße ganz unter Wasser halten,
Luftblasen beobachten
• Aufpumpen von Rollerschläuchen o.ä. und
entlassen von Luft unter Wasser / Luftblasen
beobachten
Luft verdrängt Wasser
(Mechanik, Raumerfüllung)
Gefäß mit Papiertaschentuch unter Wasser drücken
Gefäß und „Schiffchen“ unter Wasser drücken
Luft ist ein Körper / Wo ein Körper ist, kann nicht
gleichzeitig ein zweiter sein
(Mechanik, Raumerfüllung)
• ein Gegenstand (Gewicht)
verdrängt Luft aus einem unter
Wasser gedrückten Gefäß
• Luftballon in einer Flasche
aufpusten (funktioniert nur,
wenn die enthaltene Luft
entweichen kann)
• Wasser hinein, Luft heraus
• Luft hinein, Wasser heraus
• Technische Umsetzung:
Taucherglocke
Luft kann in anderen Körpern eingeschlossen
sein
(Mechanik, Raumerfüllung)
Schwamm, Ziegelstein, Stück Brot unter Wasser
tauchen und Luftblasen beobachten
Luft übt eine Kraft aus
(Mechanik, Luftdruck)
• Luft lässt sich zusammendrücken und dehnt sich
wieder aus
(nebenbei wird gelernt: als gasförmiger Körper
ist das Volumen von Luft veränderlich)
• Mit der Kraft zusammengepresster Luft kann ein
Gegenstand angehoben werden
• Strömende Luft kann einen Gegenstand bewegen
(selbstgebaute Windräder, Windmühle)
• Strömende Luft kann einen Gegenstand
fortbewegen (Spiel mit Wattebäuschen,
selbstgebaute Segelboote)
• Der Rückstoß als Antriebskraft (Luftballonrakete,
Rückstoßwagen)
Überdruck / Unterdruck, Einführung des
Luftdruckbegriffs
(Mechanik, Luftdruck)
• Wechselwirkung zwischen Über- und Unterdruck
• ein Dosenbarometer bauen
• Verblüffende Versuche: Widerspenstiger Korken
oder Flamme im Trichter
• schwebende Karte (in strömender Luft nimmt der
Druck um so mehr ab, je schneller die
Strömung fließt / Bernoulli-Prinzip)
Porträt des Schweizer Wissenschaftlers
Daniel Bernoulli (1700-1782).
Luft trägt
(Mechanik, Luftströmung)
• einfache Flugobjekte bauen
Aus der Geschichte: Von den ersten Flugversuchen der Menschen / Erfinder bis zum
heutigen Flugverkehr
Luft hat ein Gewicht
(Mechanik, Masse)
• Zwei gleiche, aufgeblasene Luftballons an einer
Balkenwaage. Einer wird mit einer Nadel zerstochen
• Ein Plastikball mit wenig Luft wird gewogen, mit einer
Ballpumpe fest aufgepumpt und nochmals gewogen
(1l Luft wiegt 1,3 g)
Luft hat unterschiedliche Temperaturen
(Wärmelehre)
• Messen mit dem Thermometer /
Temperaturkurven erstellen
Erwärmte Luft dehnt sich aus und steigt nach
oben
(Wärmelehre, Konvektion)
• Heißluftballon
• Luftballon auf der erwärmten Flasche
• Weihnachtspyramide
Aus einem
Forschertagebuch
2. Wärmedämmung im Tierreich
2.1 Notwendigkeit der Wärmedämmung
Warmblüter
– Körpertemperatur muss auf Mindesttemperatur gehalten werden
– Im allgemeinen TKörper >TUmgebung
– Verringerung von Wärmeverlusten notwendig
2.2 Wärmetransportmechanismen
Hohe
Tiefe
Temperatur
Temperatur
a) Wärmeleitung
– diffusiver Prozess
– Wärmeleitfähigkeit l
lGas <(<) lFlüssig/Fest
b) Wärmemitführung (fluide Medien)
– Natürlich:
Wärmeausdehnung  Dichteunterschiede
 Auftrieb  Stoff- und Wärmetransport
Erzwungen:
aufgeprägte Strömungsvorgänge
Stoff- und Wärmetransport
c) Wärmestrahlung
– Im Bereich niedriger Temperaturen i.a. nicht
relevant
2.3 Effektive Wärmedämmung
• Grundgedanke: Nutzung von Materialien mit
möglichst kleinem l => Gase
• Problem: Wärmemitführung unvermeidlich
• Effektive Wärmedämmung erfordert
Einschränkung der Gasbeweglichkeit
z.B. Schaumstoff
2.4 Funktion des Fells bei Tieren
• Alternative Lösung des Problems der
Wärmemitführung in der Natur
• Luftdurchlässiges Haarkleid anstelle von
Gaseinschluss
• Behinderung des Austausches erwärmter Luft
durch viskose Strömung zwischen den Haaren
• Strömungsprofil zwischen parallelen Platten
l 2  dp 
v
 

12    dx 
• Übertragung auf idealisiertes Fell
• Einfluss des Haarabstandes
• Einfluss der Wärmeleitfähigkeit der Haare:
Wärmeleitung durch Haar kann überwiegen
 kein metallisches Fell
• Einfluss des Mediums zwischen den Haaren
 kein effektiver Schutz vor Auskühlung beim
Schwimmen
• Variabilität der Isolierschichtdicke
 Haare lassen sich aufstellen
3. Literatur
Zum Thema Luft:
Bezdek,Ursula,Monika u. Petra: Kinder in ihrem Element.
Sinnliches Erleben von Feuer und Erde, Wasser und
Luft. Don Bosco Verlag: München 2000
Crummenerl, Rainer: Luft und Wasser. WAS IST WAS
Band 48. Tessloff Verlag: Nürnberg 1996
Gressmann, Michael; Wolfgang Mathea: Die Fundgrube für
den Physik-Unterricht. Das Nachschlagewerk für jeden
Tag. Cornelsen Verlag: Berlin 1996
Hibon, Mireille; Elisabeth Niggemeyer: Spielzeug Physik.
Luchterhand Verlag: Neuwied; Berlin 1998
Holzhey, Christiane; Edgar Lüscher: Kinder entdecken
Physik. R. Oldenbourg Verlag: München 1977
Köthe, Dr. Rainer: Tessloffs superschlaues Antwortbuch.
Wissenschaft im Alltag. Tessloff Verlag: Nürnberg 2002
Microsoft: Encarta. Enzyklopädie 2001
Press, Hans Jürgen: Spiel- das Wissen schafft.
Experimente aus Natur und Technik. Otto Maier Verlag:
Ravensburg 1977
Schächter, Markus (Hg.): Mittendrin. Geht der Luft die
Puste aus? Wolfgang Mann Verlag: Berlin 1990
Walkstein, Jürgen: Lehrerhandreichung zur
Experimentierbox Luft. Cornelsen Verlag: Berlin 1993
Zum Thema Wärmedämmung im Tierreich:
Lavers, Chris: Warum haben Elefanten so große Ohren?
Dem genialen Bauplan der Tiere auf der Spur, Bastei
Lübbe 2003
Schmidt-Nielsen, Knut: Physiologie der Tiere, Spektrum
Akademischer Verlag 1999
Nachtigall, Werner: Bionik. Grundlagen und Beispiele für
Ingenieure und Naturwissenschaftler, 2. Auflage,
Springer 2002
Perry, Robert H.; Green, Don W.: Perry‘s Chemical
Engineers‘ Handbook, 7th Edition, Mc Graw Hill 1997