Technik: Skriptsammlung zum Unterricht

(TEM)

Bionik / Brückenbau

Skript zur Unterrichtseinheit

(Technik)

Das Fach Technik

Was ist „Technik"?

Ohne Technik würde in unserem Leben vieles fehlen:

→  Computer

→  Handy

→  Heizung

→  Auto, Fahrrad, Flugzeug, Schiff, U-Boot

→  Elektrizität (Licht, elektrische Geräte, Bohrmaschine, usw.)

→  Küche (Ofen, Mikrowelle, Wasserkocher, usw.)

→  Gebäude (Häuser, Brücken, Tunnel, usw.)

Technik soll uns das Leben erleichtern.

Technik gibt uns Möglichkeiten besser miteinander zu leben.

Technik ersetzt uns biologische Nachteile gegenüber anderen Lebewesen (bessere Augen, Ohren, schnellere Fortbewegung, …)

Wie geht das?

→  Fast alle technischen Errungenschaften sind von der Natur abgeschaut!

Beispiele:

Flugzeug (Vögel)

Elektrizität

(z.B. Beleuchtung)

Bauwerke

Wir müssen die Natur verstehen, dann können wir uns das Leben erleichtern!

Technik ist die Anwendung und Umsetzung mathematischnaturwissenschaftlicher Erkentnisse in technische Entwicklungen.

Die Natur als Vorbild - BIONIK

Die Bionik beschreibt das Bestreben der Menschen die Natur zu verstehen in technischen Fortschritt umzusetzen.

→ Wir „schauen ab" von der Natur!

Frühe Beispiele aus der Steinzeit:

→  Steine wurden als Werkzeug verwendet

→  Nutzbarmachung des Feuers

Genau geplante Untersuchungen erst viel später!

→  Leonardo da Vinci: Vogelflug (1505)

Die Naturwissenschaften untersuchen die Natur genauer.

Wir unterscheiden:

→  Biologie:Wissenschaft der Lebewesen

→  Chemie:Wissenschaft von den Eigenschaften der Materialien

→  Physik:Wissenschaft von den Vorgängen in der Natur

BIONIK: Umsetzung der Erkenntnisse in technische Entwicklungen

→  Die Natur liefert Anregungen. Das grundlegende Prinzip muss dann durch den Mensch weiterentwickelt und angepasst werden.

Beispiele:

Luftfahrt

Materialforschung

Bautechnik

Elektronikusw.

Die Natur als Erfinder

Die technischen Vorlagen der Natur sind Ergebnisse eines langen Entwicklungsprozesses der auf der Erde seit vielen Millionen Jahren stattfindet.

Evolution

Die Lebewesen auf der Erde waren schon immer ständigen Veränderungen in der Umwelt ausgesetzt (Klimawandel). Überleben war nur möglich, wenn sich die Lebewesen an ihre Umwelt anpassten. Die ständige Anpassung führt immer wieder zu Verbesserungen der Lebensformen.

Charles Darwin erkannte als Erster, dass der Mensch und alle Lebensformen auf der Erde durch einen Entwicklungsprozess entstanden sind der heute noch fortgesetzt wird. Dieser Entwicklungsprozess wird als Evolution bezeichnet.

Entwicklung vom Affen zum heutigen Menschen

BIONIK – Anwendungen (1)

Die Hai-Haut

Der Hai ist in ähnlicher Gestalt bereits seit etwa 400 Millionen Jahren auf der Erde. Seine Haut hat besondere Eigenschaften die erst seit kurzem erkannt und verstanden wurden.

→ Der Hai benötigt sehr wenig Energie zur Fortbewegung.

→ Grund hierfür sind Schuppen an seiner Hautoberfläche.

Bei der Fortbewegung bildet sich durch den Grat in der Mitte der Schuppenoberfläche ein dünner Wasserfilm auf der Haut des Hais. Dieser Wasserfilm verringert den Wasserwiderstand.

Technische Anwendung:

Anzüge für Schwimmer → schnellere Zeiten bei Wettbewerben

Oberflächen von Flugzeugen → Benzineinsparung

Hai-Schuppen

BIONIK – Anwendungen (2)

Beine zur Fortbewegung

Bei Insekten haben sich perfekte Möglichkeiten zur Fortbewegung entwickelt: Beine!

→  Sie sind an beliebige äußere Bedingungen angepasst.

→  Sehr hohe Geschwindigkeiten sind möglich.

→  Die Beine federn Erschütterungen ab und schützen so das Insekt.

Technische Anwendung:

→ Erkundungsroboter für die Raumfahrt oder unzugängliche Gebiete.

Weiterentwicklungen:

Der Mensch hat hier aber auch eigene Fortschritte erreichen können:

→ Die Erfindung des Rades!

Auf geeigneten Straßen sind hierdurch noch Verbesserungen bei der Fortbewegung ermöglicht worden!

→  Zahnräder werden in Maschinen verwendet.

Aufgabe: Schneide die Bilder aus und ordne sie einander zu.

BIONIK – Anwendungen (3)

Der Lotuseffekt

Bei der Lotuspflanze beobachtet man, dass die Blätter nicht nass werden. Wasser bildet Tropfen und läuft direkt ab.

Die Oberfläche von verschiedenen Materialien (Lacke, Kleidung, …) können durch eine spezielle Oberfläche wasserabweisende Eigenschaften erhalten.

Die Oberfläche ist dann sogar schmutzabweisend (selbstreinigend).

Bautechnik

→  Klimatisierung von Gebäuden

Problem:

Die Klimatechnik des Menschen ist heute mit sehr hohem Energiebedarf und dadurch hohen Kosten verbunden.

Ziele:

→  Gleichbleibende Temperaturen in Gebäuden.

→  Geringere Kosten.

Lösung der Natur:

Luftschächte in Termitenbauten Luftschächte eingebaut werden. Dadurch entstehen kühlende Luftströmungen.

BIONIK – Anwendungen (4)

Natürliche Baumaterialien: Knochen

Der Aufbau eines Knochens muss zwei Eigenschaften erfüllen:

→  Der Knochen muss leicht sein.

→  Der Knochen muss stabil sein.

Die Natur löst dieses Problem dadurch, dass der Knochen hohl ist, dabei aber im Inneren aus einem Gerüst aus Verstrebungen besteht.

→  Vorlagen für technische Baukonstruktionen

→  Die Konstruktion muss auch leicht sein.

→  Die Konstruktion muss auch stabil sein.

Lösung: Verstrebungen bei Kränen, Brücken, usw.

BIONIK – Brücken

Natürliche Vorlagen

Auch in der Natur sind Brücken zu finden.

Beispiele:

→  Steinbrücken

→  Umgestürzte Bäume

→  Ameisenbrücke

Der Bau einer Brücke muss wichtige Einzelheiten berücksichtigen:

→  Verwendetes Material

→  Spannweite der Brücke

→  Belastung der Brücke

→  Lebensdauer der Brücke

→  Kosten (!)

Materialien:

→  Holz

→  Stein

→  Metall

→  Beton & Stahl

Holzbrücken

Holz als Baustoff

Holz ist seit langer Zeit ein vielseitiges Baumaterial und findet auch heute noch oft Verwendung.

Eigenschaften:

→  Gute Verfügbarkeit (+)

→  Leicht (+)

→  geringe Kosten (+)

→  nachwachsender Rohstoff (+)

→  Leichte Bearbeitung (+)

→  Stabil (+/-)

→  Langlebigkeit (-)

Bereits die Römer bauten Brücken aus Holz (z.B. 55 v. Chr. Über den Rhein).

Besonders bei kleinen Spannweiten (Fußgängerbrücken) wird Holz verwendet. Allerdings sich auch bei schweren Lasten Holzbrücken möglich.

Problem:

Holz geht bei witterungsbedingten Einflüssen (Regen, Wind) oder durch Pilze oder Schädlingsbefall mit der Zeit kaputt.

Besonders anfällig ist das Holz bei Nässe. (→