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Die Ausbildung zu fördern und die erworbenen Kenntnisse für den Gebrauch in der Schule und im Alltag griffbereit zu erhalten, ist ein Ziel dieser Skriptsammlung. Die Zusammenstellung orientiert sich an den Inhalten der Unterrichtseinheiten im Fach Technik. Es ist aus zahlreichen Unterrichtsvorbereitungen der vergangenen Jahre hervorgegangen und soll die wichtigsten Inhalte zusammenfassen. Die vorliegende Zusammenstellung fasst dabei neun Skripte zum Fach Technik als Sammlung zusammen und stellt eine korrigierte Fassung der jeweils einzeln erschienenen Ausgaben dar. Die vorliegende Zusammenstellung soll aber darüber hinaus nicht nur den notwendigsten Stoff in einer strukturierten Form erfassen und dadurch das Arbeiten erleichtern, sie soll auch einen Eindruck von naturwissenschaftlich-technischen Fragestellungen geben. Die Themenbereiche werden im Rahmen des Unterrichts als Einführung in die behandelte Thematik verstanden werden und sollen den Schülern einen Einblick in den Stoff geben und dadurch Interesse auf verschiedenen technischen und naturwissenschaftlichen Gebieten wecken. Dabei den Gesamtzusammenhang nicht aus den Augen zu verlieren, ist die Absicht. Wenn das Skript den Schülern hilft, eine Vorstellung von naturwissenschaftlich-technischer Arbeit zu gewinnen und sie dafür zu begeistern und wenn es dadurch gelingt, sich ggf. mit weiterführenden Inhalten in der jeweiligen Thematik zu beschäftigen, so hat es seinen Zweck erfüllt. Vielleicht kann der Technikkurs sogar dem einen oder anderen Schüler ein Denkanstoß bei seiner Berufswahl sein.
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Seitenzahl: 139
Veröffentlichungsjahr: 2016
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Die Ausbildung zu fördern und die erworbenen Kenntnisse für den Gebrauch in der Schule und im Alltag griffbereit zu erhalten ist das Ziel dieser Skriptsammlung. Die Zusammenstellung orientiert sich an den Inhalten der Unterrichtseinheiten im Fach Technik. Es ist aus zahlreichen Unterrichtsvorbereitungen der vergangenen Jahre hervorgegangen und soll die wichtigsten Inhalte zusammenfassen. Die vorliegende Zusammenstellung fasst dabei alle Skripte zum Fach Technik als Sammlung zusammen und stellt eine korrigierte Fassung der jeweils einzeln erschienenen Ausgaben dar.
Die vorliegende Zusammenstellung soll aber darüber hinaus nicht nur den notwendigsten Stoff in einer strukturierten Form erfassen und dadurch das Arbeiten erleichtern, sie soll auch einen Eindruck von naturwissenschaftlich-technischen Fragestellungen geben. Die Themenbereiche werden im Rahmen des Unterrichts als Einführung in die behandelte Thematik verstanden und sollen den Schülern einen Einblick in den Stoff geben und dadurch Interesse auf verschiedenen technischen und naturwissenschaftlichen Gebieten wecken. Dabei den Gesamtzusammenhang nicht aus den Augen zu verlieren ist die Absicht.
Wenn das Skript den Schülern hilft, eine Vorstellung von naturwissenschaftlichtechnischer Arbeit zu gewinnen und sie dafür zu begeistern, und wenn es dadurch gelingt, sich ggf. mit weiterführenden Inhalten in der jeweiligen Thematik zu beschäftigen, so hat es seinen Zweck erfüllt. Vielleicht kann der Technikkurs sogar dem einen oder anderen Schüler ein Denkanstoß bei seiner Berufswahl sein.
Kaiserslautern, im Winter 2015/2016 A. Rueff
Bionik/Brückenbau
Das Fach Technik
Was ist „Technik“?
Wie geht das?
Die Natur als Vorbild - BIONIK
Die Natur als Erfinder
Evolution
BIONIK – Anwendungen (1)
Die Hai-Haut
BIONIK – Anwendungen (2)
Beine zur Fortbewegung
BIONIK – Anwendungen (3)
Der Lotuseffekt
Bautechnik
BIONIK – Anwendungen (4)
Natürliche Baumaterialien: Knochen
BIONIK – Brücken
Natürliche Vorlagen
Holzbrücken
Holz als Baustoff
Eigenschaften:
Problem:
Steinbrücken
Stein als Baustoff
Eigenschaften:
Problem:
Stahlbrücken (1)
Eisen und Stahl als Baustoff
Eigenschaften:
Stahlbrücken (2) - Ähnliche Bauformen: Schrägseilbrücken
Fachwerkkonstruktionen
Seilbrücken – Eisenketten und Stahlseile
Brücken aus Beton und Stahlbeton
Beton - künstlicher Stein
Temperatureinflüsse
Temperaturverhalten von festen Körpern
Anwendung: Temperaturausdehnung bei Brücken
Wartung von Brücken
Die Situation in Deutschland (2015)
Leonardo-Brücke
Besondere Brücken
Anhang: Wärmeausdehnung fester Stoffe
Luftfahrt
Was bedeutet „Fliegen“?
Warum fliegen „Gegenstände“? (1)
→ Es muss eine Kraft wirken!
Warum fliegen „Gegenstände“? (2)
→ Der Auftrieb im Wasser
Warum fliegen „Gegenstände“? (3)
→ Die Dichte eines Körpers
Beispiele zur Berechnung:
Aufgaben (1)
Aufgaben (2)
Der Flaschentaucher
Der Auftrieb als Grundlage für die Luftfahrt
1) Ein Vakuum ist leichter als Luft!
2) Heiße Luft ist leichter als kalte Luft
3) Wasserstoffgas ist leichter als Luft
Aufgaben (3)
Die Vögel als Vorbild
Motorisierte Luftfahrt (1)
Der Wright Flyer
Motorisierte Luftfahrt (2)
Motorisierte Luftfahrt (3)
Der Propeller
Der Hubschrauber
Die Rakete
Anhang
Masseeinheiten
Volumeneinheiten
Aufgaben (1) - Lösungen
Aufgaben (2)
Aufgaben (3)
Technisches Zeichnen
Technisches Zeichnen
Zeichengeräte
Das Papier
Arbeitsmaterialien
Linienarten und -breiten
Linienbreiten „Liniengruppe 0,7“
Geometrisches Zeichnen
Skizze und Zeichnung
Regeln für die Bemaßung von Zeichnungen
Aufgabe – Bemaßung von Zeichnungen
Räumliche Ansichtsarten für das Technische Zeichnen
Darstellungsarten
Die Zentralperspektive
Darstellungsarten – Anwendungen
Ansichten – verschiedene Möglichkeiten
Ansichten der technischen Zeichnung
Die Dreitafelprojektion
Der Schnitt durch den Körper
Abwicklungen
Anhang
Technische Industrialisierung
Anfänge der Industrialisierung
Papins atmosphärische Dampfmaschine (1)
Erste praktikable Dampfmaschine
Weiterentwicklung der Dampfmaschine (Newcomen)
Weiterentwicklung der Dampfmaschine (Watt)
Weiterentwicklungen der ersten Dampfmaschine von Papin (Zusammenfassung)
Industrialisierung in Deutschland
Fortschritte auf verschiedenen Gebieten der Technik beeinflussten sich gegenseitig
Anwendungen der Dampfmaschine
Weiterentwicklung der Dampfmaschine - Verbrennungsmotoren
Moteur Lenoir – 1860
Hubkolbenmotoren
Der Zweitakt-Ottomotor
Der Viertakt-Ottomotor
Vergleich: Viertaktmotor ↔ Zweitakter
Ottomotor: Die Kraftstoff-Gemischbildung
Der Viertakt-Dieselmotor
Optik
Lichtquellen
Gegenstände sehen:
Lichtausbreitung:
Optische Täuschungen
Lichtausbreitung: Lichtbündel
Die Lichtgeschwindigkeit
Licht und Schatten
Kern- und Halbschatten
Übergangsschatten
Sonnen- und Mondfinsternis
Der Mond und seine Gestalt
Reflexion von Licht
Das Spiegelbild
Gekrümmte Oberflächen
Wölbspiegel
Hohlspiegel
Brechung von Licht (1)
Brechung von Licht (2)
Abhängigkeit vom Einfallswinkel
Brechung von Licht (3)
Die Totalreflexion
Optische Abbildungen (1)
Die Lochkamera
Abbildung durch eine Linse
Optische Abbildungen (2)
Abbildungen durch eine Linse
Optische Abbildungen (3)
Abbildungen durch die Sammellinse (1)
Optische Abbildungen (4)
Abbildungen durch die Sammellinse (2)
Optische Abbildungen (5)
Die Lupe
Linsen
Die Konvexlinse (Zerstreuungslinse)
Das Mikroskop
Das Fernrohr (1) [Kepler]
Das Fernrohr (2) [Galilei]
Farben
Astronomie
Astronomie - Die Himmelskörper und das Weltall
Weitere kosmische Nachbarn
Astronomie: Früher und heute
Astronomie: Untersuchungsmethoden (1)
Astronomie: Untersuchungsmethoden (2)
Orientierung am Sternenhimmel
Orientierung am Sternenhimmel (1) (die scheinbare Himmelskugel)
Orientierung am Sternenhimmel (2) (Koordinatensysteme)
Auffinden des Frühlingspunkts
Orientierung am Sternenhimmel (3) (Sternbilder/Sternkarte)
Handhabung der drehbaren Sternkarte
Orientierung am Sternenhimmel (4) (Bewegungen am Himmel)
Das Sonnensystem (1) - Entstehung
Das Sonnensystem (2) – Planeten
Das Sonnensystem 3 (a) - Wir bauen ein Planetenmodell:
Beispielrechnung zum Planeten-Modell
Das Sonnensystem 3 (b) – Aufgaben: Planetenwanderwege
Das Sonnensystem (4) – Keplersche Gesetze
Der Erdmond
Die Sonne
Kernenergie
Atommodelle
Teilchenmodell (Kugelmodell)
Weiterentwicklung durch Rutherford
Erweiterung durch Bohr
Ein weiteres Atommodell ist das Orbitalmodell
Der Atomkern
Das Atom besteht aus Kern und Hülle
Experimentelle Bestimmung der Kernladungszahl
Experimentelle Bestimmung der Massenzahl
Isotope
Wirkung radioaktiver Strahlung
Anwendungen:
Nachweis radioaktiver Strahlung
Ursprung radioaktiver Strahlung
Natürliche Radioaktivität
Künstliche Radioaktivität
Strahlungsarten und ihre Eigenschaften
Kernumwandlungen
Die Halbwertszeit
Unterscheide 4 Zerfallsreihen
Wir unterscheiden hier zwei Aufgabentypen
Beispiel zu Aufgabentyp 1
Beispiel zu Aufgabentyp 2
Rückblick: Mathematische Grundlagen
Aufgaben:
Gefahren durch Radioaktivität
Aktivität
spezifische Aktivität
Energiedosis D
Äquivalentdosis D
q
(!)
Qualitätsfaktor Q
Schädigungen des Körpers
1) Somatische Schäden (Körperschäden)
2) Genetische Schäden
Energie aus Atomkernen
Energiegewinnung durch Kernspaltung
Energiegewinnung durch Kernfusion
Radioaktivität – weitere Anwendungen
Periodensystem der Elemente
Nuklidkarte
Digitaltechnik
DIGITALTECHNIK
Analoge Darstellung
Digitale Darstellung
DIGITALE SIGNALE
Anwendungen im Alltag
Technische Umsetzungsmöglichkeiten
Logische Zustände: „0“ und „1“
ELEKTRIZITÄT (RÜCKBLICK)
SCHALTSYMBOLE
Elektrische Schaltsymbole
Digitale Schaltsymbole
LOGISCHE VERKNÜPFUNGSGLIEDER
Die UND – Verknüpfung (AND)
Die ODER – Verknüpfung (OR)
Die NICHT – Verknüpfung (NOT)
Die NICHT-UND – Verknüpfung (NAND)
Die NICHT – ODER-Verknüpfung (NOR)
Die EXKLUSIV-ODER – Verknüpfung (XOR) (Antivalenzglied)
Die ÄQUIVALENZ– Verknüpfung (XNOR) (Äquivalenzglied)
AUFBAU DER ZUSAMMENGESETZTEN GATTER DURCH GRUNDGATTER
SCHALTUNGSANALYSE
Welche Verknüpfung erzeugen einzelne Schaltungsteile?
Digitalschaltung aus der Funktionsgleichung erstellen
SCHALTUNGSANALYSE
(AUFGABEN)
BOOLESCHE ALGEBRA
Vorüberlegungen
Grundgesetze der Schaltalgebra
Grundgleichungen
Rechenregeln mit einer Variablen
Rechenregeln mit zwei und mehr Variablen
Morgansche Gesetze
Bindungsregeln
BOOLESCHE ALGEBRA (AUFGABEN 1)
Anwendung der Gesetzmäßigkeiten
BOOLESCHE ALGEBRA (AUFGABEN 2)
SCHALTUNGSSYNTHESE
Die ODER-Normalform
Vereinfachung der ODER-Normalform: KV-Diagramme
SCHALTUNGSSYNTHESE (AUFGABEN - 1)
SCHALTUNGSSYNTHESE (AUFGABEN - 2)
DATEN SPEICHERN
Das Flipflop
Funktionsweise – RS-Flipflop
Aufbau eines RS-Flipflops durch NAND-Glieder
RS-Flipflop mit dominierendem Eingang
Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop (Auffang-Flipflop)
D-Flipflop
Taktflankengesteuerte Flipflops
Taktflankengesteuertes RS-Flipflop
Taktflankengesteuertes D-Flipflop
Das Schieberegister
RECHENSCHALTUNGEN
Dualzahlen
Der Halbaddierer
Der Volladdierer (FA – engl. full adder)
Die Paralleladdierschaltung
Nanotechnologie
Nanotechnologie - Definition
Größenvergleich:
Die Ziele
Forschung im Bereich der Nanotechnologie:
Nanotechnologie – Kohlenstoff: sehr vielseitig!
Anwendungen im Alltag
Anwendungen im Alltag (2) (Bsp.)
Ansätze zu Entwicklungen in Nanometerbereich
Gefahren durch Nanotechnologie?
Arbeiten im Bereich der Nanotechnologie
Alle Teilchen sind vier fundamentalen Wechselwirkungen unterworfen:
Nanotechnologie – Spektroskopie
Licht – Teilchen oder Welle?
Infrarotspektroskopie (IR)
Infrarotspektroskopie (IR) - Molekülschwingungen
Raman-Spektroskopie (1)
Raman-Spektroskopie (2)
UV-VIS-Spektroskopie
EDX-Spektroskopie
Nanotechnologie – Mikroskopie
Raster-Tunnel-Miskroskop (STM)
Der Tunnel-Effekt
Rastersonden-Verfahren
Oberflächenbearbeitung
Rasterkraftmikroskop (AFM)
Rasterelektronenmiskroskop (REM)
Transmissionselektronenmiskroskop (TEM)
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, …)
→ 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 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
Elektronik
usw.
Die technischen Vorlagen der Natur sind Ergebnisse eines langen Entwicklungsprozesses der auf der Erde seit vielen Millionen Jahren stattfindet.
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
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
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.
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).
→ 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.
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.
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
Holz ist seit langer Zeit ein vielseitiges Baumaterial und findet auch heute noch oft Verwendung.
→ 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.
Holz geht bei witterungsbedingten Einflüssen (Regen, Wind) oder durch Pilze oder Schädlingsbefall mit der Zeit kaputt.
Besonders anfällig ist das Holz bei Nässe. (→ Brückenpfähle im Wasser)
→ Das lässt sich durch Holzschutz (schützender Anstrich) vermindern.
Dies muss regelmäßig wiederholt werden!
Auch aus Stein bauten bereits die Römer eine Vielzahl von Brücken. Teilweise sind diese noch heute in Gebrauch.
→ Oft gute Verfügbarkeit (+)
→ Stabil (+)
→ Langlebigkeit (+) [je nach Sorte]
→ höhere Kosten (-)
→ Schwer (-)
→ aufwändigere Bearbeitung (-)
Problem: Die geringe Zugfestigkeit erfordert spezielle Bauformen.
→ Unterscheide:
Besonderheit von Stein: Hohe Druckfestigkeit;
ABER: Geringe Zugfestigkeit
Balkenbrücke: Druck- und Zugkräfte → Bruch!
Bogenbrücke: Nur Druckkräfte → Höhere Belastbarkeit
Hohe Traglasten durch die Eisenbahn erforderten im 19. Jahrhundert neuartige Brücken.
Besonderheit von Stahl:
Hohe Druck- und Zugfestigkeit
→ höhere Kosten (+)
→ Stabil (+)
→ kurze Bauzeit (+)
→ Langlebigkeit (Korrosion/Rost) (-)
→ Hoher Energiebedarf zur Metallgewinnung (-)
Die hohe Zugfestigkeit ermöglicht andere Bauformen.
Hängebrücke:
Die Brücke kann auch an dem Seil der Brücke aufgehängt werden.
Hier ist die Brücke an Seilen direkt an den Pfeilern aufgehängt.
Büschelform
Harfenform
Fachwerkkonstruktionen bestehen aus zusammengesetzten Dreiecken. Dreiecke sind formstabil und bilden dadurch eine feste Struktur.
Bogenbrücken
Man unterscheidet bei den Bogenbrücken die obenliegende und die untenliegende Fahrbahn. Weiterhin gibt es Mischformen.
Stabilität durch Dreiecke:
Ein Dreieck bildet bei Fachwerkkonstruktionen eine stabile Form.
Andere Vielecke (Vierecke, Fünfecke, usw.) können hingegen bei gleicher Seitenlänge verschiedene Formen bilden und sind dadurch als Grundform für eine Fachwerkkonstruktion ungeeignet.
Die Verwendung von Seilen und Ketten ist nur bei Zugbelastungen geeignet.