Physik der Brücken

Harbour Bridge
Ein wunderbares Beispiel für eine Brücke mit vielen stabilen Dreiecken – die Harbour Bridge in Sydney

Die Vermittlung der Theorie der Kräfte im Physikunterricht – ein heikles Thema!

Die Behandlung von Kräften im Physikunterricht stellt ein klassisches Beispiel für die Notwendigkeit einer "Hands-on-Physik" dar. Schülerinnen und Schüler können das Fachwissen über Kräfte, Kraftzerlegung und Kraftwandler nur erlernen, wenn sich der Unterricht nicht nur auf Demonstrationsexperimente und kluge Tafelbilder des Lehrers beschränkt. Schüler müssen Kräfte und Kraftwirkungen erfahren, sie müssen Lasten bewegen und heben. Experimentelle Erfahrungen führen im Vergleich zu (guten) Lehrervorträgen zu tieferen Einsichten. Ein weiteres Beispiel sind die im Physikunterricht so beliebten Miniflaschenzüge aus dem Lehrmittelhandel. Mit filigranen Fäden werden Minilasten am Stativ gehoben. Kraftmesser zeigen dann die Auswirkungen der Apparaturen an. Viel besser und eindruckvoller sind reale Flaschenzüge, die über dem Lehrerexperimentiertisch an der Decke befestigt auch Schülern erlauben, schwere Lasten zu heben. Unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften ergeben sich für viele Schüler nachhaltige Erlebnisse, denn nur wenigen Schülern wird es vergönnt sein, im Alltag Flaschenzüge einzusetzen.

Brücke Oslo
Brücke auf dem Weg nach Oslo

Nach einer Einführung mit vielfältigen Schülerübungen zu Kraftwirkungen und zur Zerlegung von Kräften (stabile Dreiecke) eignet sich ein Brückenprojekt, um diese Einsichten zusammenzuführen, zu vertiefen und auf größere Bauwerke auszudehnen. Im Vorfeld wurde ein kurzer historischer Abriss zur Entwicklung der Brücken gegeben und die Kräfteverteilung an verschiedenen Brückentypen thematisiert. Außerdem wurde als verpflichtende Hausaufgabe das freeware Computerspiel Bridge-Builder vorgegeben.

 Bruecke1

Vorgaben zum Brückenbauprojekt:
Die Aufgabenstellungen sind in 2er und 3er-Teams zu bearbeiten. 

Als Material sind nur maximal 500 g Makkaroni (eine Packung, diese wird vom Lehrer gestellt) und zusätzlich Heißkleber zugelassen. Die Brücke muss exakt 50 cm lang sein!

Für die Bewertung werden 5 Kriterien herangezogen:

  1. Schriftliche Ausarbeitung (eine DIN A 4-Seite) zu den Vorüberlegungen und Planungsgrundlagen (mit Skizze)
  2. Kurzpräsentation zu den grundlegenden Überlegungen und zum Design der Brücke (3-5 min)
  3. Masse der Brücke (Brücke wird gewogen)
  4. Design (Bewertung erfolgt durch die Schülerteams der jeweils anderen Gruppen)
  5. Belastbarkeit der Brücke

Für den Brückenbau stehen drei Unterrichtsstunden zur Verfügung. Es kann länger an der Brücke gebaut werden, dann aber in Freistunden und/oder am Nachmittag.
Alle Brücken werden mit den Teams fotografiert, denn die Brückenbauten  werden anschließend im Belastungstest zerstört.

Aus der Erprobung haben sich einige Tipps ergeben:
Die Schülerteams sollten eine Planungsskizze im Maßstab 1:2 anfertigen.
Der Heißkleber sollte nur als Punktkleber eingesetzt werden.
Als Bewertungsmaßstab hat sich bewährt: 1. 10%, 2. 10%, 3. 20% (Platzierungsrangfolge 1-10), 4. 20% (wie 3.), 5. 40%

Bauphase
Bauphase mit der Erstellung von stabilen Dreiecken

Designkontest
Designbewertung mit Hilfe vorgefertigter Bewertungsbögen

Belastungstest 1
Belastungstest der Brücke 9 – maximale Belastung 12,5 kg (Note 1)

Die maximalen Belastungen variierten von 4,5 kg (Note 5) bis zu unglaublichen 22,5 kg (Note 0,5). Es wurde deutlich, das keinesfalls extrem stabile Böden für die hohe Belastung verantwortlich zeichnen, vielmehr ist eine stabile obere Brückenkonstruktion für hohe Belastungswerte ausschlaggebend.

Belastungstest4

Stabilste Brücke: Sie wurde außer Konkurrenz gewertet, weil ein Befahren der Brücke durch die mittleren Streben nicht möglich wäre. Zudem ist das direkte Verkleben der Nudeln aneinander per Wettbewerbsausschreibung nicht gestattet. Maximale Belastung: 28,5 kg

Die Massen der Brücken differierten von 265 g bis 566 g, dementsprechend wurden die Rangfolge von 1 – 10 festgelegt (s.o.).

Mein Dank geht an das Berliner "Physik im Kontext"- Team unter der Leitung von Gunter Wapler. Das Team hat mit wissenschaftlicher Unterstützung durch Prof. Schön (HU-Berlin, Physikdidaktik) diese Unterrichtseinheit ausgearbeitet und erprobt. Für die vielfältigen Tipps war ich außerordentlich dankbar!

 NY-Brücke
Detailansicht der Brooklyn Bridge in New York