Ein Spielzeug-Segelboot bauen

Eine segelwissenschaftliche Aktivität von Science Buddies

Schlüsselkonzepte
Physik
Kräfte
Gewicht
Auftrieb
Schwerkraft
Massenschwerpunkt

Einführung
Es ist Zeit, die Segel zu setzen! Selbst wenn Sie nicht in der Nähe eines Sees oder Ozeans leben, werden Sie in dieser wissenschaftlichen Aktivität segeln können, während Sie Ihr eigenes Spielzeug-Segelboot bauen. Aber zuerst musst du sicherstellen, dass dein Boot nicht kentert! Bist du bereit für die Herausforderung?

Hintergrund
Erinnerst du dich, dass du mit Spielzeugbooten in der Badewanne gespielt hast – oder warst du jemals auf einem echten Boot? Boote können aufgrund des Auftriebs schwimmen. Gleichzeitig werden sie durch die Kraft ihres Eigengewichts (verursacht durch die Schwerkraft) nach unten gezogen und durch die Auftriebskraft nach oben gedrückt, die dem Gewicht des von ihnen verdrängten Wasservolumens entspricht. (Eine detailliertere Erklärung der Auftriebskraft finden Sie im Abschnitt „Mehr zu erforschen“.) Einige Boote bestehen aus Materialien, die weniger dicht sind als Wasser, was bedeutet, dass sie weniger Masse pro Volumeneinheit haben. Diese Materialien werden immer schwimmen. Andere Boote bestehen jedoch aus Metallen wie Stahl, die viel dichter sind als Wasser. Wie schweben sie also? Sie können, weil sie hohl sind, so dass es viel leeren Luftraum im Inneren des Bootsrumpfes gibt. Die durchschnittliche Dichte des Bootes (einschließlich des Metalls und der Luft) ist niedriger als die Dichte des Wassers.

Boote müssen nicht nur schwimmen – sie müssen auch aufrecht stehen und nicht kentern oder umkippen. Dazu benötigen sie einen niedrigen Massenschwerpunkt, d.h. ihr Gewicht konzentriert sich auf den Bootsboden und nicht auf die Oberseite. Das mag so aussehen, als wäre es ein Problem für Segelboote, die sehr hohe Segel haben, die weit oben in der Luft hängen. Wie bleiben sie im Gleichgewicht, wenn so viel Masse konzentriert und hoch oben ist? Sie tun dies mit einem anderen Teil, dem Kiel, der sich auf dem Boden des Bootes befindet. (Wenn du nur ein Segelboot von oben gesehen hast, weißt du vielleicht nicht einmal, dass der Kiel existiert hat!) Der Kiel ist ein großer Teil unter dem Boot, geformt wie eine Flosse, die zwei Zwecken dient. Es hält den Ballast, oder das Schwergewicht, das hilft, den Schwerpunkt des Bootes zu senken. Es hilft auch zu verhindern, dass das Boot durch den Wind seitlich weggeblasen wird. In diesem Projekt werden Sie sehen, wie ein Kiel dazu beitragen kann, dass ein Segelboot nicht umkippt und gerade geht.

Materialien

Drei Weinkorken
Zwei Gummibänder
Zahnstocher
Mehrere Schrauben oder Nägel
Wasserdichtes Material, wie z.B. Kunstschaum, Wachspapier oder Papier-Milchkarton, um ein Segel zu machen.
Aluminiumfolie
Spüle, Badewanne oder ein großer Behälter, den Sie mit Wasser füllen können (Der Behälter sollte tiefer sein als die Länge Ihrer Nägel/Schrauben.)

Vorbereitung

Füllen Sie Ihren Behälter mit Wasser. Stellen Sie sicher, dass das Wasser tief genug ist, damit Sie Ihren längsten Nagel/Schraube vertikal eintauchen können.

Vorgehensweise

Richten Sie drei Korken aus (Seite an Seite, nicht von einer Seite zur anderen).
Verwenden Sie zwei Gummibänder, um die Korken zusammenzuhalten und ein „Floß“ zu bilden.
Stechen Sie einen Zahnstocher in den mittleren Korken, damit er gerade nach oben klebt. Dies ist der Mast deines Bootes (der Teil, der das Segel hält).
Schneiden Sie ein Quadrat aus Ihrem dünnen, wasserdichten Material, um ein Segel zu setzen. Er sollte etwa sechs Zentimeter groß sein.
Stecken Sie den Zahnstocher durch die gegenüberliegenden Enden des Segels (in der Nähe der Kanten), um ihn an seinem Platz zu halten.
Du hast dein erstes Segelboot gebaut! Leg ihn ins Wasser. Was passiert dann?
Blasen Sie das Segel von hinten an. Was passiert dann?
Machen Sie nun ein dünneres Boot, indem Sie die Gummibänder und die beiden äußeren Korken entfernen. Halten Sie das Segel an Ort und Stelle. Je nachdem, wie Sie das Segel ursprünglich befestigt haben, müssen Sie es möglicherweise um 90 Grad drehen.
Legen Sie Ihr neues Segelboot wieder ins Wasser. Was passiert dann?
Oh-oh! Dein Segelboot ist wahrscheinlich umgestürzt! Das ist nicht gut. Um es zu reparieren, versuche einen Kiel hinzuzufügen. Stecken Sie vorsichtig einen Nagel oder eine Schraube in den Bootsboden, direkt gegenüber dem Segel.
Versuchen Sie, das Boot wieder ins Wasser zu bringen. Bleibt es diesmal aufrecht?
Wenn Ihr Boot nicht aufrecht bleibt, fügen Sie immer wieder Nägel oder Schrauben (in gerader Linie mit dem ersten) hinzu, bis es schwimmen kann, ohne umzukippen.
Versuchen Sie nun, wieder auf das Segel zu blasen. Was passiert dann? Bewegt sich Ihr Boot in einer geraden Linie?
Im Moment besteht Ihr Kiel aus einem oder mehreren Nägeln/Schrauben, die aber nicht miteinander verbunden sind. Schneiden Sie ein rechteckiges Stück Aluminiumfolie ab und wickeln Sie es fest um die Nägel/Schrauben, um eine Lamellenform zu erhalten.
Stellen Sie Ihr Boot wieder ins Wasser und versuchen Sie, wieder auf das Segel zu blasen. Was passiert diesmal? Geht es gerade aus?
Extra: Versuchen Sie, ein größeres Segel zu bauen und einen Teil eines Holzspießes für den Mast anstelle eines Zahnstochers zu verwenden. Wie schwer muss Ihr Ballast sein, um das Boot mit einem größeren Segel auszugleichen? Tipp: Versuchen Sie, einen horizontalen Nagel/Schraube an der Unterseite Ihres Kiels anzubringen, um als Ballast zu dienen. Auf diese Weise müssen Sie nicht immer wieder weitere Nägel/Schrauben in den Korken stecken.
Beobachtungen und Ergebnisse
Dein erstes Segelboot war wahrscheinlich ziemlich stabil, weil es sehr breit war (aus drei Korken). Als du jedoch zwei Korken entfernt hast, um es dünner zu machen, wurde dein Segelboot wahrscheinlich instabil und kippte um. Es ist ähnlich wie mit eng zusammenstehenden Füßen zu stehen, anstatt sich leicht zu spreizen – es ist schwieriger zu balancieren. Wenn Sie Nägel/Schrauben an der Unterseite Ihres Segelbootes angebracht haben, haben Sie seinen Schwerpunkt gesenkt und ihn stabiler gemacht. Einzelne vertikale Nägel leisten jedoch keine sehr gute Arbeit, wenn sie gegen das Wasser drücken – das Wasser kann direkt um sie herum fließen. Das bedeutet, dass der Kiel keine gute Arbeit leistet, wenn das Boot gerade fährt. Wenn Sie auf das Segel geblasen haben, könnte Ihr Boot zur Seite gebogen oder im Kreis gedreht sein. Als du die Nägel in Alufolie gewickelt hast, hast du den Kiel eher wie eine Flosse gemacht. Er kann das Wasser in einer Richtung sehr leicht durchschneiden, bietet aber viel Widerstand gegen das Wasser in der anderen Richtung. Das macht es einfacher für Ihr Boot, sich vorwärts zu bewegen, und schwieriger für es, sich seitwärts zu bewegen. Deshalb können echte Segelboote lang, dünn und hochseetauglich sein – der Kiel verhindert ein Umkippen und hilft ihnen, gerade zu gehen!

Mehr zu entdecken
What Is Buoyant Force, von der Khan Academy.
Schwimmende Wissenschaft: Wie Metallboote schwimmen, von Scientific American
DIY Spielzeug-Segelboot, von Science Buddies
Versandwissenschaft: Bau eines Bootes, das Fracht transportieren kann, von Scientific American
Wissenschaftliche Aktivitäten für alle Altersgruppen, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies angeboten.

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