4.6: Funktionsweise einer Dampflokomotive
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| Publikation: | 9.3.2015 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Es wird die Funktionsweise einer Dampflokomotive – Dampfmotor + Pleuel-Kurbel-System – erörtert. |
| Angestrebte Kenntnisse: | Die (kontinuierliche) Hin-und-her-Bewegung des Kolbens treibt die Räder an. |
| Wortschatz: | geradlinige Bewegung |
| Dauer: | 45 Minuten |
| Material: | Für jeden Schüler: |
| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Untersuchung anhand des Arbeitsblattes 12 (Einzelarbeit)
Die Schüler arbeiten mit dem Arbeitsblatt 12 (Funktionsweise einer Dampfmaschine). Sie versehen die schematische Zeichnung der Dampfmaschine mit einer Legende und erläutern, wie sich der Kolben und das Rad bewegen. Bei Schwierigkeiten mit dem Vokabular hilft die Lehrerin bei der Wortwahl.
Gemeinsame Erörterung und Zusammenfassung
Die von den Schülern geschriebenen Legenden der Zeichnung werden besprochen. Anschließend werden die Schüler aufgefordert, gemeinsam einen zusammenfassenden Text zur Funktionsweise der Dampfmaschine zu formulieren. Dieser Text stellt auch die Schlussfolgerung der Unterrichtsstunde dar.
Beispiel: Im Kessel wird Wasser erhitzt, damit Dampf entsteht. Der Druck des Dampfes setzt einen Kolben in Bewegung, der mit einem Antriebsrad verbunden ist. Die andauernde Hin-und-her-Bewegung des Kolbens treibt das Rad an.
Die beiden folgenden interaktiven Animationen – zur Funktionsweise einer Dampfmaschine und zur Umwandlung einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung beim Radantrieb einer Lokomotive – sind der französischen Originalseite des Projekts entnommen. Sie sind auch ohne Französischkenntnisse sehr anschaulich. Das Textfenster einfach schließen und den französischen Legendentext mit einem Klick auf den Knopf "abc" entfernen.
Abb. 1: Funktionsweise einer Dampfmaschine. Mit dem Cursor oben links lässt sich die Temperatur im Heizkessel verändern.
Abb. 2: Umwandlung einer geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung beim Radantrieb einer Lokomotive. Auch hier kann mit dem Cursor wieder die Temperatur im Heizkessel verändert werden.
Wissenschaftliche Anmerkungen
In Abb. 1 ist James Watts Dampfmaschine zu sehen. Mit dem Fliehkraftregler (auch Watt'scher Regler genannt, weil er von Watt aus dem Mühlenbau für die Dampfmaschine übernommen wurde) wird die Geschwindigkeit (die Drehzahl) der Dampfmaschine geregelt. Der Fliehkraftregler wird über einen Treibriemen vom Rad in Bewegung gesetzt. Je höher die Geschwindigkeit der Drehachse des Fliehkraftreglers, desto höher steigen die beiden Kugeln und der mit den Kugeln über einen "Kniehebel" verbundene Ring (was man in der Animation sehr schön sehen kann). Der Ring ist seinerseits über eine Schnur bzw. ein Kabel mit dem Ventil verbunden, das die Dampfzufuhr zum Kolben reguliert. Über die Masse der Kugeln und die Länge der Hebelarme lässt sich die Drehzahl des Rads einstellen, die wiederum die Drehgeschwindigkeit des Fliehkraftreglers bestimmt, und so weiter und so fort. Es handelt sich hier um einen Rückkopplungsmechanismus.
Mögliche Erweiterung
In den letzten vier Unterrichtsstunden wurde untersucht, wie eine Dampfmaschine funktioniert. Da es heutzutage kaum noch Dampflokomotiven gibt, ist es für die Schüler sicher interessant, etwas über die Elektrifizierung der Bahn in Erfahrung zu bringen. Für den Personentransport wurden ab 1880 immer häufiger elektrisch betriebene Züge (bzw. Straßenbahnen oder U-Bahnen) eingesetzt.
Die Schüler können zum Beispiel die Energieversorgung einer Elektrolokomotive schematisch darstellen und anschließend mithilfe ihrer Kenntnisse über Stromkreise ein Modell bauen. Im Modell sind die Oberleitung und die Schienen über "Zuleitungen" (Kabel) mit dem Kraftwerk (der Batterie) verbunden. Die Schienen bilden die Rückleitung und schließen den Stromkreis.
Abb. 3: Arbeitsblatt zur Energieversorgung von Lokomotiven [1]. Für ein "leeres" Arbeitsblatt auf das Bild klicken. Quelle für die drei Lokomotivbilder: Wikimedia Commons: M. J. Richardson (CC BY-SA 2.0), Noben k (CC BY-SA 3.0) und Alaric Favier (CC BY-SA 3.0)
Fußnote
1: Abb. 3: 6. Klasse von Sophie Gouet (Paris)
Letzte Aktualisierung: 14.10.2024
