Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik E-Book

Dirk Fox

• Herausgeber: dpunkt
• Kategorie: Lebensstil
• Serie: Edition Make:
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2015

Seitenzahl: 335

Beschreibung

Unternehmen Sie eine Reise durch die Geschichte der Technik - von der Frühzeit bis in das zwanzigste Jahrhundert. Dirk Fox und Thomas Püttmann stellen Ihnen 16 Meilensteine herausragender technischer Innovationen der Menschheit, ihre Geschichte und ihre Erfinder vor - vom Flaschenzug über die Uhr, die Rechenmaschine, die Dampfmaschine bis zum Hubschrauber. Diese Erfindungen prägen den technischen Fortschritt bis heute. Anhand von fischertechnik-Modellen vermitteln die Autoren die Funktionsweisen und technischen Hintergründe dieser herausragenden Errungenschaften. Durch ihre Einbettung in den geschichtlichen Kontext veranschaulichen sie die Herausforderungen, die die Erfinder zu bewältigen hatten, und unterstreichen ihre Bedeutung für die weitere Entwicklung. Zahlreiche Fotos und Abbildungen illustrieren die Ausführungen. Die Modelle eignen sich nicht nur zum Nachbauen, sondern auch für den Einsatz im Physik-, Mathematik-, Technik- oder Geschichtsunterricht und regen zur Entwicklung eigener Varianten an. Der Aufbau der fischertechnik-Modelle wird im Buch beschrieben; detaillierte 3D-Bauanleitungen stehen Ihnen zudem auf der Buch-Webseite zum Download zur Verfügung. Wer die fischertechnik-Modelle nachbaut, gewinnt ein tieferes Verständnis der Technik und ihrer Geschichte - und lernt spielerisch einige wesentliche technische Grundlagen kennen. In der "edition Make:" erscheinen Titel, die vom dpunkt.verag gemeinsam mit der Redaktion der Zeitschrift "Make:" ausgewählt werden. Inhaltliche Schwerpunkte dieser Reihe sind Maker"-Themen.

Leseprobe

Dirk Fox ist Informatiker, Gründer und Geschäftsführer eines Beratungsunternehmens für IT-Sicherheit, Herausgeber einer Fachzeitschrift für Datenschutz und Datensicherheit, Vorstand eines großen IT-Netzwerks – und begeisterter »fischertechniker«. Er gibt die fischertechnik-Zeitschrift »ft:pedia« heraus und setzt sich für den Ausbau des Technikunterrichts an deutschen Schulen ein – mit fischertechnik.

Thomas Püttmann ist außerplanmäßiger Professor für Mathematik an der Ruhr-Universität Bochum. Zur Vermittlung von Themen aus den Bereichen Mathematik, Technik und Naturwissenschaften entwickelt er gezielt lehrreiche Modelle, wenn möglich aus fischertechnik. Als echter Mathematiker optimiert er seine Konstruktionen so lange, bis man keinen Stein mehr weglassen oder verschieben kann. Regelmäßig schreibt er Beiträge für die ft:pedia.

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Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik

16 Meilensteine zum Nachbauen

Dirk FoxThomas Püttmann

Dirk Fox

E-Mail: [email protected]

Thomas Püttmann

E-Mail: [email protected]

Lektorat: Dr. Michael Barabas

Copy-Editing: Sandra Gottmann, Münster-Nienberge

Herstellung: Susanne Bröckelmann, Heidelberg

Satz: Ulrich Borstelmann, Dortmund

Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de

Druck und Bindung: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN:

Buch   978-3-86490-296-3

PDF   978-3-86491-791-2

ePub   978-3-86491-792-9

mobi   978-3-86491-793-6

1. Auflage 2015

Copyright © 2015 dpunkt.verlag GmbH

Wieblinger Weg 17

69123 Heidelberg

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Inhaltsverzeichnis

1   Der Flaschenzug

Faktorenflaschenzug

Potenzflaschenzug

Differenzialflaschenzug

Differenzialwinde

Krane mit Wellrad

Tretradkrane

Literatur

2   Das Getriebe

Sakijen und Mühlen

Steinsägemühlen

Kraftverstärkung

Übersetzungen

Das Hodometer

Der Antikythera-Mechanismus

Literatur und Links

3   Das Differenzialgetriebe

Angetriebene Fahrzeuge

Das White’sche Dynamometer

Das White’sche Differenzialrad

Mathematische Beschreibung

Äquationsuhren

Kompasswagen

Literatur und Links

4   Die Uhr

Einleitung

Uhren und Zeiteinteilung

Spindel mit Waagbalken

Frühe Uhren mit Schlagwerk

Das Pendel

Die Ankerhemmung

Die Unruh

Ruhende Hemmungen

Das Turmuhr-Modell

Aufbau und Funktion

Die Antriebseinheit (Gehwerk)

Die Spindelhemmung

Stabpendel

Gewichte und Seile

Die Anzeigeeinheit

Der Antrieb des Schlagwerks

Die Auslösung des Schlagwerks

Die Schlossscheibe

Das Schlagrad

Laufzeit und Genauigkeit

Literatur und Links

5   Das Planetarium

Armillarsphären

Astronomische Uhren

Mondphasen

Epizykel

Wechsel des Weltbilds

Tellurien

Planetarien

Merkur, Venus, Erde

Der Aufbau

Merkur- und Venusgetriebe

Sonne und Planeten

Bahngeschwindigkeiten

Konjunktionen und Transite

Sternbilder

Venus- und Merkurphasen

Motorisierung

Literatur und Links

6   Die Rechenmaschine

Einleitung

Geschichte

Der Abakus

Uhren und Zählwerke

Die Rechenuhr

Ein zweiter Anfang

Leibniz

Planetengetriebe

Das Rechenmaschinenmodell

Addierwerk

Eingaberegister

Koppeln mehrerer Maschinen

Bedienung

Literatur und Links

7   Der Sextant

Warnung

Geschichte

Der Quadrant

Geografische Breite

Mittagshöhe der Sonne

Geografische Länge

Standlinien

Der Sextant

Aufbau

Handhabung und Funktion

Nachbau

Anbringen der Skalen

Messungen

Literatur und Links

8   Die Dampfmaschine

Geschichte

Das Dampfmaschinenmodell

Das Getriebe

Das Schwungrad

Die Geradführung

Die Druckluftzufuhr

Literatur

9   Die Achsschenkellenkung

Die Entwicklung der Lenkung

Schwenkachslenkung

Knicklenkung

Einzelradlenkung

Die Achsschenkellenkung

Entwicklung

Konstruktion

Lenkfehler

Spurkreis

Varianten und Alternativen

Funktionsmodelle

Spezialteile für Lenkungen

Literatur

10 Der Elektromotor

Funktionsweise

Jakobi-Motor

Repulsionsmotor

Synchronmotor

Synchronuhr

Literatur

11 Der Telegraf

Optische Telegrafen

Erster elektrischer Telegraf

Nadeltelegrafen

Zeigertelegrafen

Morsetelegraf

Literatur

12 Die Normalzeit

Die gesetzliche Zeit

Das Zeitsignal

Funksignal

Referenzzeit

Vollständige Zeitinformation

DCF77-Zeitcode

DCF77-Empfänger

Die Hardware

Die Software

Weitere Funktionen

Literatur

13 Der Film

Lichtbilder

Bewegte Bilder

Fotografie

Projektoren

Literatur

14 Das Raupenfahrzeug

Geschichte

Raupenkette

Lenkung

Getrennter Antrieb

Kupplungen

Schaltung

Differenzial mit Bremse

Kontrollierte Differenzialsteuerung

Überlagerungsgetriebe

Gleichlaufgetriebe

Einsatz von Raupenantrieben

Einbau in Raupenfahrzeuge

Einbau in Wasserfahrzeuge

Einbau in autonome Fahrzeuge

Literatur

15 Das Radar

Geschichte

Echoortung

Ultraschallsensor

Funktionsmodelle

Fahrzeugradar

Radarfalle

Literatur

16 Der Hubschrauber

Dynamischer Auftrieb

Drehflügler

Entwicklung

Igor Sikorsky

Funktionsmodell

Der Heckrotor

Hauptrotor mit Taumelscheibe

Literatur

Zeitleiste

Bildnachweise

Zur Einführung

Die Geschichte der Entwicklung der Menschheit ist vor allem eine Geschichte der Entwicklung der Technik.

Denn dass ein biologisch wenig spezialisiertes und angepasstes Lebewesen wie der Mensch bis heute überlebt hat, verdankt er in erster Linie seiner (technischen) Erfindungsgabe. Technische Errungenschaften erlauben es dem Menschen, Arbeiten zu verrichten, die weit über seine physischen Kräfte hinausgehen, sich Energien dienstbar zu machen, Distanzen zu überwinden, sich von Temperatur und Wetter weitgehend unabhängig zu machen und über große Entfernungen mit anderen Menschen in Kontakt zu treten.

In den vergangenen 2000 Jahren haben technische Entwicklungen das Leben der Menschheit grundlegender und umfassender verändert als Millionen von Jahren davor.

Dennoch ist die Geschichte der jüngsten 2000 Jahre, die heute in der Schule gelehrt wird, in erster Linie eine Geschichte von Macht und Krieg, von Herrschaft und sozialen Verhältnissen. Bis auf die Phase der industriellen Revolution, in der sich der Einfluss von Technik nicht ignorieren lässt, spielt die Geschichte der Technik darin keine Rolle.

Wer aber hat – auf lange Sicht – die Entwicklung der Welt wohl nachhaltiger beeinflusst: Ludwig XIV. oder Christiaan Huygens’ Pendeluhr? Napoleon Bonaparte oder die Erfindung der Dampflokomotive durch seinen Zeitgenossen Richard Trevithick? Karl Marx oder die von Samuel Morse entwickelte Telegrafie?

Dieses Buch erzählt daher eine andere Geschichte. Es ist die Geschichte einiger großer Erkenntnisse und Innovationen, die unser heutiges Leben geprägt haben. Es ist eine Geschichte, die nicht werten, aber würdigen will. Sie erzählt von Erfindern und Machern, die sich nicht mit dem theoretischen Verständnis von Zusammenhängen zufrieden gegeben haben, sondern so lange an ihrer praktischen Umsetzung und Nutzbarmachung getüftelt haben, bis sie eine funktionierende Lösung vor sich hatten.

Unsere Auswahl von 16 Meilensteinen ist subjektiv, und zweifellos lassen sich mit guten Argumenten weitere nennen, die in einer Geschichte der Technik eigentlich nicht fehlen dürfen. Unstrittig dürfte aber sein, dass den von uns ausgewählten Innovationen der Ehrentitel »Meilenstein« gebührt.

Wir erzählen unsere Geschichte mit der Unterstützung von prototypischen Modellen. Sie sollen zum Nach- und Weiterbauen anregen, denn erst durch die eigene Konstruktion wird die Genialität vieler Innovationen nachvollziehbar, manchmal geradezu haptisch erlebbar. Wir haben die Modelle mit einem Baukastensystem nachkonstruiert, das eine äußerst schnelle Entwicklung von Prototypen erlaubt und zugleich realen Verhältnissen sehr nahe kommt: mit fischertechnik.

In diesem Jahr feiert das fischertechnik-Baukastensystem, das nach unserer festen Überzeugung in keinem Kinderzimmer der Welt fehlen sollte, seinen 50sten Geburtstag. Wie kein zweites technisches Spielzeug vermittelt es technisches Grundverständnis und begeistert zugleich für technische Zusammenhänge.

Entwickelt wurde es von dem genialen Tüftler Artur Fischer, mit weit über 1000 Patenten ein zweiter Thomas Alva Edison.

Ihm widmen wir dieses Buch – zum Dank für die ungezählten wunderbaren, faszinierenden und erkenntnisreichen Stunden, die seine Erfindung uns und unseren Kindern beschert hat.

Dirk Fox/Thomas Püttmann

Hinweise

Im Anhang haben wir eine Zeitleiste mit den in diesem Buch genannten technischen Innovationen beigefügt – eingebettet in den historischen Kontext. Sie gibt einen Eindruck davon, mit welcher Macht und Geschwindigkeit technische Entwicklungen vor allem die jüngsten 200 Jahre unserer Zeitrechnung geprägt haben.

Ein Buch ist in der heutigen Zeit schon fast ein Anachronismus. Tatsächlich lassen sich viele Informationen (wie z. B. Onlinequellen, Bauanleitungen oder Programmdateien) viel leichter über ein Onlinemedium vermitteln. Daher gibt es eine Webseite zu diesem Buch mit weiterführenden Materialien: http://www.technikgeschichte-mit-fischertechnik.de

Die Modelle in diesem Buch können alle mit heute noch käuflich zu erwerbenden fischertechnik-Bauteilen nachgebaut werden. Wem einzelne Bauteilbezeichnungen, die wir verwenden, nicht geläufig sind, kann sie in der offiziellen Bauteilliste von fischertechnik nachschlagen, die wir auf der Webseite zum Buch verlinkt haben. Dort finden sich auch Bezugsquellen für fischertechnik-Baukästen und Einzelteile.

Zu allen Modellen, die sich nicht so leicht anhand der Fotos in diesem Buch nachbauen lassen, haben wir eine 3D-Bauanleitung mit Bauteilliste erstellt und zum Download auf der oben angegebenen Webseite bereitgestellt. Die 3D-Bauanleitungen wurden mit dem Programm fischertechnik designer von Michael Samek entworfen. Auf der Webseite http://3dprofi.de gibt es ein kostenloses Demo-Programm für Windows und einen Apple-Reader zum Download, mit dem die Anleitungen genutzt werden können.

Einige wenige Modelle verwenden einen fischertechnik-Controller (ROBO TX oder ROBOTICS TXT). Die Programme in der Programmiersprache ROBO Pro können ebenfalls von der Webseite zum Buch heruntergeladen werden.

Alle Literaturhinweise, die über eine Internetquelle erreichbar sind, finden sich ebenfalls auf der Webseite zum Buch und können dort direkt angeklickt werden.

1 Der Flaschenzug

Schon in der Frühzeit der Menschheitsgeschichte war die Überwindung der Begrenztheit menschlicher Kraft eine der großen Herausforderungen. Vor über 2000 Jahren entdeckten die Menschen eine technische Lösung, um selbst tonnenschwere Gegenstände, wie z. B. große Steinblöcke, mit Menschenkraft anzuheben.

Abb. 1–1 Kuppel des Doms von Florenz, Zeichnung von Filippo Brunelleschi (um 1419)

In einer Zeit, in der als Kraftquelle nur die Muskelkraft von Mensch und Tier zur Verfügung stand, war die Entdeckung einer Mechanik, mit der es gelang, die Kraftwirkung zu vergrößern, von größter Bedeutung. Neben dem Hebelgesetz, das bereits in der Antike von dem griechischen Mathematiker und Physiker Archimedes von Syrakus (287–212 v. Chr.) aufgestellt wurde und die Grundlage der Mechanik bildet, revolutionierte die Erfindung des Flaschenzugs die Bautechnik. Mit Flaschenzügen gelangen in der Antike und Renaissance architektonische Leistungen wie das Colosseum in Rom oder die Kuppel des Florenzer Doms von Filippo Brunelleschi (1377–1446), bis heute beeindruckende Meisterwerke.

Die Funktion eines Flaschenzugs – dessen Bezeichnung übrigens nichts mit Gefäßen für Flüssigkeiten zu tun hat, sondern von den Rollenhalterungen stammt, die dieselbe Bezeichnung trugen – ist schnell erklärt. Die für eine bestimmte Hubarbeit – das Anheben eines bestimmten Gewichts um eine definierte Höhe – erforderliche Kraft lässt sich über die Länge des zu überwindenden Hubwegs steuern, da die Hubarbeit als Produkt aus Kraft und Weg berechnet wird: Mit einem längeren Hubweg benötigt man weniger Kraft für dieselbe Hubarbeit.

Ein Flaschenzug verlängert nun künstlich den Hubweg, genauer: die Länge des für die Leistung der Hubarbeit aufzuwickelnden Zugseils. Damit ist weniger Kraft für die Hubarbeit erforderlich. Der Preis, den man für diese »Kraftverstärkung« zahlt: Man muss länger ziehen oder kurbeln.

Abb. 1–2 Flaschenzug

Faktorenflaschenzug

Wenn wir heute von einem Flaschenzug sprechen, meinen wir in der Regel einen Faktorenflaschenzug, der die Seillänge durch »Schlingen« und Seilrollen künstlich verlängert.

Schon ein einfacher Flaschenzug mit einer Schlinge verdoppelt die Länge des Zugseils und halbiert damit die benötigte Kraft: Ein Mensch, der maximal 50 kg bewegen kann, kann mit einem solchen Flaschenzug bis zu 100 kg Last anheben.