Ob die Brooklyn Bridge in New York, die Golden Gate Bridge in San Francisco oder die Brücke von Millau in Frankreich: Sie alle sind architektonische Meisterwerke, die Menschen seit ihrem Bau faszinieren und jährlich zahlreiche Touristen anlocken. Doch Brücken gibt es überall: Fußgängerbrücken, Autobahnbrücken, Eisenbahnbrücken etc. Jedes Kind hat wohl schonmal eine Brücke gesehen. Aber was macht diese Brücken eigentlich so stabil? Welche Bauweise sorgt dafür, dass die Brücken hoher Belastung standhalten? Und wie lässt sich das mit möglichst wenig Material realisieren? Diesen Fragen gehen Schüler*innen in folgendem Stundenentwurf nach. Anhand von drei Experimenten erforschen die Kinder, wie eine Papierbrücke möglichst stabil wird.
Das brauchen Sie pro Forscherteam:
- Kopiervorlage „Forscherbogen“
- mehrere DIN A4-Blätter (kann auch Schmierpapier sein)
- 2 gleichhohe Stapel Bücher
- Gewichte: z.B. Spielfiguren, Steine, Münzen
Einstieg (5min)
Die Stunde beginnt im Kinositz. Bauen Sie im Vorfeld den Versuchsaufbau auf dem Foto nach.
Fragen Sie die Schüler*innen nach ihrer Vermutung, ob die Papierbrücke standhalten wird oder nicht, wenn Sie gleich die Spielfiguren darauf platzieren. Nachdem die Papierbrücke „einbrechen“ wird, formulieren Sie die Zielangabe: „Wir werden heute erforschen, was eine Papierbrücke stabiler macht.“ Anschließend finden sich die Kinder zu dritt oder viert in Forscherteams zusammen.
Experimentierphase I (10min)
Zu Beginn experimentieren die Schüler*innen im ersten Versuch mit der Länge der Papierbrücke. Dabei verändern sie den Abstand zwischen den Bücherstapeln, sodass die Brücke mal länger, mal kürzer wird. Schnell werden die Lernenden feststellen, dass die Brücke instabiler ist, je länger sie wird. Eine weitere Erkenntnis könnte sein, dass diese Art der Brücke generell nicht besonders stabil ist. Das führt die Kinder zu der nächsten Frage, was man verändern müsste, damit die Papierbrücke insgesamt stabiler wird.
Hinweis: Bevor die Kinder die jeweiligen Versuche durchführen, tragen sie ihre Vermutungen auf dem Forscherbogen ein. Ihre Beobachtungen halten sie ebenfalls auf dem Forscherbogen fest.
Experimentierphase II (10min)
Nachdem die Kinder beim ersten Versuch vermutlich schnell feststellen konnten, dass eine Brücke, die nur aus einem flachen Bogen Papier besteht, nicht sehr stabil ist, können sie im zweiten Versuch erforschen, wie sich durch eine geringfügige Modifikation, nämlich dem Hinzufügen von Kanten, die Stabilität der Brücke verbessern lässt. Ebenso werden sie beobachten, dass auch die Kantenhöhe Einfluss auf die Stabilität der Brücke hat. Zur Vorbereitung müssen Sie als Lehrkraft für jede Gruppe drei unterschiedlich breite DIN-A4-Blätter zuschneiden (Breite: 12 cm, 14 cm, 16 cm). Die Schüler*innen falten die Blätter so, dass die Fahrbahn stets 8 cm breit ist und die Kantenhöhe je 2 cm bzw. 3 cm bzw. 4 cm beträgt. Im Anschluss belasten die Schüler*innen die unterschiedlichen Brücken mit Gewichten. Bei diesem Versuch werden die Lernenden die Erfahrung machen, dass die Brücke mit der längsten Kantenhöhe am stabilsten ist. Das liegt daran, dass sich das Gewicht auf einer Brücke mit höheren Kanten besser verteilen kann. Hintergrund sind die Zug- und Druckkräfte, die auf das Material einer Brücke wirken. Jedoch werden die Kinder feststellen können, dass auch diese Brückenbauweise beim Einsatz schwererer Gewichte wie z.B. Steine an ihre Grenzen stößt. Im folgenden Versuch erfahren die Kinder daher, wie die Brücke mit einer Art „Unterbau“ zusätzlich gestützt werden kann.
Experimentierphase III (10min)
Im letzten Versuch legen die Kinder zwischen die Bücher und ein halbiertes DIN-A4-Blatt ein im Zickzack gefaltetes Blatt, das als „Puffer“ dient. So kann sich das Gewicht auf der Brücke besser verteilen und die Brücke wird wesentlich stabiler. Auch hier liegt die verbesserte Stabilität an den umgeleiteten Zug- und Druckkräften durch das Zickzack-Profil. Sobald die Schüler*innen diese Konstruktion mit den Gewichten beschweren, werden sie feststellen, dass diese Brücke viel mehr Gewicht aushält als die vorherigen Brücken.
Sicherung (10min)
Die Klasse kommt wieder im Plenum zusammen. Gemeinsam werden in einer offenen Gesprächsrunde die Beobachtungen reflektiert und Erklärungen für die Ergebnisse gesucht. Warten Sie zunächst die Antworten Ihrer Schüler*innen ab, bevor Sie ggf. die physikalischen Hintergründe auflösen. Abschließend halten die Kinder fest, welche Merkmale eine Brücke stabiler bzw. instabiler machen.
Wir wünschen Ihnen viel Freude und Erfolg beim Experimentieren!
Weitere spannende Versuche finden Sie in unserer Lernwerkstatt „Brücken kennenlernen und bauen“ für die Klassen 3 und 4. Zudem lernen die Kinder in diesem Material, welche Brückenarten es gibt, wie die Bestandteile einer Brücke heißen und woraus Brücken in der Regel gebaut werden. Die Lernwerkstatt beinhaltet neben 16 Stationen Erläuterungen für die Lehrkraft, einen Laufzettel, Auftragskarten und Lösungen. Zwei Gratisseiten aus dem Material können Sie über diesen Link herunterladen.
Bildquellen:
Fotos und Videos der Versuche © Sybille Schreiber
