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Pendeluhr

... erforsche: Was ist Zeit?

Drei Wochen Ferien gehen im Nu vorbei, eine Minute im eiskalten Wasser dauert dagegen eine Ewigkeit. Für die Physik stellt sich die Frage anders. Sie will alles vermessen. Für sie ist Zeit: Das Ausmessen eines Raumes - die Raumzeit. Ein Tag ist die Drehung der Erde um sich selber. Ein Jahr ist die ellipsenförmige Bahn, welche die Erde beim Umkreisen der Sonne beschreibt. Ein Lichtjahr ist der Weg, welcher das Licht in einem Jahr zurück legt. Und bei unserer Pendeluhr ist es die Wegstrecke des Pendels zwischen dem "Tic" und dem "Tac". Zeit ist also auch immer Bewegung im Takt: Die Schwingungen des Pendels, einer Stimmgabel, eines Quarzes oder von Atomen oder das Rieseln von Sand, das Tropfen von Wasser, das Wachsen eines Baumes... Bedeutet dies, dass es ohne Bewegung auch keine Zeit mehr gibt? Unvorstellbar, aber versuch es trotzdem: Wie muss ich mir das vorstellen, keine Zeit, kein gestern, heute, morgen? Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft wären ein und dasselbe, der absolute Stillstand ... oder Ewigkeit?

Der Bau der Pendeluhr hilft dir, über Fragen von Raum, Zeit, Bewegung und Takt nachzudenken. Sie wird dir auch den Trick verraten, wie aus gleichmässigen Umdrehungen regelmässige Zeiteinheiten (Takte) entstehen, welche die Zeitanzeige um immer die gleiche Wegstrecke vorwärts bewegen.

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Bau der Pendeluhr in 5 Schritten:

  1. Bau der Halterung
  2. Bau der Zeitanzeige
  3. Montage von Elektroantrieb und Zeitanzeige
  4. Bau von Unruh und Pendel
  5. Zusammenbau
Material

Material

  • Durchsichtige Plastikfolie
  • Vorlagen für Sterne, Unruhe und Pendel
  • 3 Hartschaumstücke, Holzspiesschen
  • Doppelklebstreifen
  • Batterie mit 3 kleinen Magneten
  • Aus dem Kleinmaterialbeutel: Gummifaden 45cm, 2 Stecknadeln, 3 gelbe Pinnadeln, Gummischlauch 2.5cm, Schraube, Einschraubmutter, kleine Unterlagscheibe, 2 Agraffen, 2 Unterlagsscheiben gross, 5 Doppelzahnräder, Motor, Schleifpapier
  • Klebroller, Klebstift, Klebband, Schere und Messer
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1. Bau der Halterung

  • Zeichne auf dem langen Hartschaumstück 3 Linien ein:
  • 4 cm vom rechten Ende entfernt
  • 12 cm vom rechten Ende entfernt
  • 6 cm vom linken Ende entfernt
    Markiere auf dieser Linie auch die Mitte (Kreuz).
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  • Schneide ein 4 cm langes Stück am rechten Ende weg.

 

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  • Klebe darauf zwei Doppelklebstreifen.
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  • Klebe das 4 cm lange Stück bündig zum rechten Rand auf die Hartschaumfläche.
  • Klebe ein Klebband über das aufgesetzte Stück und über den Rand der Hartschaumflächen.
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  •  Schneide 4.5 cm vom dünnen Hartschaumstück ab.
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  • Klebe dieses Stück mit dem Klebroller auf das 4 cm lange Stück.
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  • Kontrolliere deine Markierungen am linken Ende der Fläche. 
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  • Durchstosse den Hartschaum mit einem Holzpiesschen senkrecht in der Mitte der Linie.
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  • Vergrössere das Loch mit einem Bleistift.
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  • Mit dem Klebroller gibst du etwas Klebstoff auf den Hartschaum und klebst ein gelbes Doppelzahnrad fest.
  • Drehe den Hartschaum um und mache das gleiche auf der Rückseite.
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  • Bohre mit dem Bleistift ein Loch in die Mitte der Hartschaumseite.
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  • Schraube mit Hilfe der Unterlagscheibe die Einschraubmutter ein.
  • Schraube sie so weit hinein, bis sie im Hartschaum vollständig versenkt ist und nicht mehr hinausschaut. 
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  • Zeichne auf dem quadratischen Hartschaumstück eine Linie ein, die 4 cm vom Rande entfernt ist. Sie ist parallel zur Kante.

  • Bestimme auf dieser Linie die Mitte (Pfeil).
  • Durchstosse den Hartschaum mit einem Holzspiesschen senkrecht in der Mitte der Linie.
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  • Schraube die Schraube durch das Loch. 
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  • Mit der Unterlagsscheibe kannst du die Schraube in die Einschraubmutter drehen. 

Hinweis: Achte darauf, dass das lange Hartschaumstück senkrecht steht und gut hält. Sorge dafür, dass der Schraubenkopf nicht mehr aus dem quadratischen Hartschaumstück herausschaut.

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2. Bau der Zeitanzeige

  • Zeichne auf dem Hartschaumquadrat die Diagonalen ein.
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  • Lege das quadratische Hartschaumstück als Vorlage auf ein Blatt Papier und zeichne es nach.
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  • Schneide das Papierquadrat aus. 
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  • Zeichne die Diagonalen und die seitenhalbierenden Linien ein.

Hinweis: Die Diagonalen und die seitenhalbierenden Linien findest du durch Abmessen und Einzeichnen mit Lineal und Bleistift. Du findest sie aber auch durch geschicktes Falten des Quadrats.

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  • Lege dein Papierquadrat deckungsgleich auf das Hartschaumquadrat.
  • Mit einer Stecknadel fixierst du das Papier in der Mitte (Pfeil).
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  • Drehe das Papierquadrat so, dass seine seitenhalbierenden Linien auf die Diagonalen des quadratischen Hartschaumstückes treffen. 
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  • Schneide vom Hartschaum die Ecken ausserhalb des Papierquadrats weg. 
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  • Aus dem Hartschaumquadrat ist so ein gleichmässiges Achteck geworden. 
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  • Drücke eine Mittel-Rinne in die Seiten und Ecken des Achtecks.

Hinweis: Rolle das Achteck mit etwas Druck über einen Bleistift. Oder rolle das Achteck mit etwas Druck im 45° Winkel entlang einer Tischkante.

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  • Stecke einen Bleistift bis zur Spitzer-Ansatzstelle senkrecht in die Mitte des Achtecks.
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  • Gib mit dem Klebroller etwas Leim um das Loch herum und klebe ein rotes Doppelzahnrad in die Mitte des Achtecks. 
  • Klebe mit dem Klebroller auf die gegenüber liegende Seite eine Kartonscheibe, genau passend zum Achteck.
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  • Schneide ein Holzspiesschen auf die Länge von 6 cm zu.
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  • Stecke es bis zum Anschlag in das rote Doppelzahnrad. 
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3. Montage von Elektroantrieb und Zeitanzeige

  • Klebe einen Doppelklebstreifen oberhalb und unterhalb der Linie, die 8 cm vom rechten Ende des langen Hartschaumstückes entfernt ist.
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  • Entferne die Schutzschicht der Doppelklebstreifen.
  • Klebe den Elektromotor genau in die Mitte der Linie. 
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  • Sichere den Motor zusätzlich mit einem Klebband, das über die obere Hälfte des Motors (Pfeil) und die Seiten des Hartschaumstückes geht.
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  • Lege die Drähte der beiden Litzen frei.
  • Verdrehe die feinen Drähte der Litzen gegeneinander zu einem festen "Draht". 
  • Schneide zwei 1 cm lange Stücke Silikonschlauch zu.
  • Lege zwei Agraffen bereit.
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  • Biege die Drähte der Litzen zur Hälfte zurück, damit der "Draht" noch steifer wird. 
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  • Stosse die Drähte in die 1 cm langen Silikonschläuche. 
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  • Stosse je eine Agraffe in die Silikonschläuche mit den Drähten. 
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  • Klebe mit Klebband die Litzen am Hartschaum fest. 
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  • Klebe mit einem Doppelklebstreifen eine Batterie zuoberst auf den Hartschaum-Ständer.
  • Achte darauf, dass beide Pole einen kleinen Magneten haben (Pfeile). 
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  • Stosse die Zeitanzeige mit der Holzachse durch die Oeffnungen der gelben Doppelzahnräder. 
  • Achte darauf, dass sich die Zeitanzeige leicht drehen kann.
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  • Schiebe eine kleine Unterlagscheibe auf die Holzachse.
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  • Stosse ein rotes Doppelzahnrad so weit auf die Achse, dass sich die Zeitanzeige gerade noch leicht drehen lässt. 
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  • Knüpfe das Gummiband so zusammen, dass es eine Schlaufe von 20 cm bildet 
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  • Lege das Gummiband in die Rinne der Zeitanzeige und über die Nabe des Elektromotors. 
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  • Verbinde die schwarze Litze (schwarzer Pfeil) mit dem Minus - Pol (-) und die rote Litze (roter Pfeil) mit dem Plus - Pol (+) der Batterie.
  • Ueberprüfe, ob sich die Zeitanzeige im Uhrzeigersinn dreht.
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  • Halte das Schleifpapier an die Achse des drehenden Motors.
    So wird die Achse rauh und der Gummifaden wird zuverlässiger transportiert.
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4. Bau von Unruh und Pendel 

  • Wähle einen Stern aus und schneide ihn und die beiden Rechtecke grossräumig aus.
  • Klebe die Vorlagen mit einem wasserlöslichen Leimstift auf die Plastikfolie.
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  • Schneide alle drei Teile auf der Plastikfolie exakt entlang den Linien der Vorlagen aus. 
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  • Stecke eine Stecknadel durch den Mittelpunkt des Sterns. 
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  • Gib mit dem Klebroller Leim auf die flache Seite des grünen Doppelzahnrades.
  • Klebe das grüne Doppelzahnrad auf die Rückseite des Sterns. 

Hinweis: Das Zahnrad ist exakt in der Mitte des Sterns platziert, wenn die Nadel durch die Mitte der Oeffnung im Zahnrad geht. Es ist wichtig, dass du dies genau machst!

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  • Ist die Mitte gefunden, darf sich das Zahnrad nicht mehr veschieben!
  • Sichere seine Lage mit 5 kurzen Klebstreifen (Pfeil). 
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  • Setze den Stern auf die Nabe des Elektromotors. 
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  • Loche das Pendel an der rot markierten Stelle mit einer Pinnadel vor.

Hinweis: Die Plastikfolie muss dort, wo du den Pin einsteckst, auf einem Hartschaumstück liegen! Achte darauf, dass beim Herausziehen des Pins in der Plastikfolie keine Knicke entstehen!

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  • Entferne die Papiervorlage von der Plastikfolie des Pendels.
  • Weite das Loch im Pendel mit der Spitze eines Holzspiesschens etwas aus.
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  • Loche die Unruh mit einer Pinnadel an den vier rot markierten Stellen (Pfeile) vor.

 

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  • Loche die Unruh beim blauen Punkt mit einer Stecknadel vor.
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  • Drehe die Unruh um, so dass das Papier unten ist.
  • Klebe ein 7 cm langes Stück des dünnen Hartschaums mit dem Kleberoller bündig auf das Ende der Folie.

Hinweis: Achte darauf, dass es das Ende ist, das weiter weg ist von den drei Punkten in der Mitte.

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  • Mit einer Stecknadel lochst du den Hartschaum bei der roten Markierung vor.

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  • Entferne die Papiervorlage von der Plastikfolie der Unruh.
  • Reinige die Plastikfolie wenn nötig mit Wasser, um Leimspuren abzuwaschen.
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  • Setze ein:
  • oben an der Unruh eine Stecknadel
  • seitlich zwei Pinnadeln bis zum Anschlag
  • unten eine Pinnadel, die durch das geweitete Loch des Pendels geht und dann in die Unruh. Das Pendel muss frei schwingen können!
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5. Zusammenbau

  • Lege die Unruh auf den flach gelegten Ständer und richte sie wie unten beschrieben aus:
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  • Die Markierung mit der Stecknadel, in der Mitte zwischen den zwei seitlichen Pinnadeln, liegt genau über der Mitte des Sterns. 
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  • Die Oberkante der Unruh verläuft parallel zur Oberkante des Ständers.
  • Drücke die Stecknadel zur Hälfte ein.
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  • Stelle die Pendeluhr sorgfältig auf.
  • Lass die Unruh sich frei einpendeln (sie darf dabei seitlich nirgends anstossen). 
  • Kontrolliere: Die Marke muss auch in dieser Lage über der Mitte des Sterns liegen.
  • Drücke die Stecknadel ganz hinein wenn alles stimmt.
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  • Das linke Bild zeigt nochmals die korrekte Platzierung der Unruh.
  • Das rechte Bild zeigt das gleiche, von der Seite her gesehen. Unruh und Pendel liegen in geringem Abstand neben dem Stern und der Zeitanzeige.
  • Möglicherweise musst du den Stern etwas nach aussen schieben, damit sein Abstand zur Unruh nicht zu gross ist.
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Das Gewicht am Pendel besteht aus zwei Unterlagscheiben und einem kleinen Magneten.

  • Lege den Magneten auf eine Unterlagscheibe.
  • Lege den Plastikstreifen des Pendels darauf. 
  • Lege die zweite Unterlagscheibe darüber.
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  • Diese Bauweise hat den Vorteil, dass sich das Gewicht auf dem ganzen Pendel verschieben lässt.
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  • Verbinde die schwarze Litze mit dem Minus - Pol (-) und die rote Litze mit dem Plus - Pol (+) der Batterie.
  • Gib dem Pendel einen ganz kleinen Schubs... und ... tic - tac - tic - tac - tic - tac ...
Hinweis: Vergiss nicht, am Schluss einen Kontakt von der Batterie zu entfernen, damit der Stromfluss unterbrochen wird !
Denn auch wenn das Pendel still steht, fliesst trotzdem Strom, der deine Batterie leert.

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Experiment: Position des Gewichtes

Verschiebe das Gewicht des Pendels und beochbachte die Geschwindigkeit des Pendels.

Kannst du eine Regel beschreiben?
Die Regel könnte lauten: Wenn das Gewicht ... , dann ... .

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Experiment: Eine Umdrehung der Kartonscheibe

Wie lange dauert eine Umdrehung der Kartonscheibe?
Vergleiche die Umdrehungszeit bei verschiedenen Positionen des Gewichtes.

 

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