Luft & Wärmedämmung im Tierreich Petra Becker-Nows Kerstin Becker Carsten Müller

Gliederung Luft Aus dem Lehrplan Unterrichtsthema Luft Versuche mit Luft Wärmedämmung Notwendigkeit der Wärmedämmung Wärmetransportmechanismen Effektive Wärmedämmung Funktion des Fells bei Tieren

1.Luft

1.1 Aus dem Lehrplan Bereich Natur und Leben / Unterrichtsgegenstände in den Klassen 1 und 2: experimentelle Erfahrungen mit Wasser und Luft, Wärme und Kälte, Licht und Schatten machen in den Klassen 3 und 4: Versuche mit Wasser, Luft und Schall durchführen und deuten

Bereich Technik und Arbeitswelt / Unterrichtsgegenstände in den Klassen 1 und 2: Modelle mit einfachen Werkstoffen bauen und dabei grundlegende Technikerfahrung machen in den Klassen 3 und 4: Wirkungen und Wandlungen von Kräften untersuchen Energiequellen und –formen sowie Möglichkeiten der Energieeinsparung kennen lernen

1.2 Unterrichtsthema Luft Wo ist Luft zu finden ? (Lunge, Luftballon, Schwimmreifen, Fahrradreifen, Fußball, Wind, überall?) Wie kann ich Luft spüren, erleben? (Atmung, Ausströmen, Wind) Kann man Luft sehen, riechen, schmecken, hören, anfassen? (manchmal ja, manchmal nein) Was ist Luft eigentlich? Ist Luft nichts?

Luft erleben, experimenteller Umgang mit Luft zum Einstieg bewusst ein- und ausatmen Luftballons aufblasen und sausen lassen Luft selber strömen lassen / pusten Luft in der Sprache den Wind draußen auf der Haut spüren fliegende Blätter, Samen flatternde Fahnen draußen beobachten Drachen steigen lassen vielleicht gibt es Naturphänomene zu sehen, die durch Luft entstanden sind?

Ein kurzer Blick in die Geschichte: Otto von Guericke erfand 1650 die erste Luftpumpe. 1654 demonstrierte er öffentlich die „Magdeburger Halbkugeln“ Joseph Priestley entdeckte 1774 den Sauerstoff.

Luft ist nicht nichts! Luft hat viele Eigenschaften!

1.3 Versuche mit Luft Wichtig bei allen Versuchen: Den Kindern Zeit zum Staunen (Verwunderung, Faszination) lassen! Gelegenheit zum freien Experimentieren, Ausprobieren, „Herum-Suchen“ lassen!

Luft nimmt einen Raum ein (Mechanik, Raumerfüllung) scheinbar leere Gefäße enthalten in Wirklichkeit Luft / Gefäße ganz unter Wasser halten, Luftblasen beobachten Aufpumpen von Rollerschläuchen o.ä. und entlassen von Luft unter Wasser / Luftblasen beobachten

(Mechanik, Raumerfüllung) Luft verdrängt Wasser (Mechanik, Raumerfüllung) Gefäß mit Papiertaschentuch unter Wasser drücken Gefäß und „Schiffchen“ unter Wasser drücken

(Mechanik, Raumerfüllung) Luft ist ein Körper / Wo ein Körper ist, kann nicht gleichzeitig ein zweiter sein (Mechanik, Raumerfüllung) ein Gegenstand (Gewicht) verdrängt Luft aus einem unter Wasser gedrückten Gefäß Luftballon in einer Flasche aufpusten (funktioniert nur, wenn die enthaltene Luft entweichen kann)

Wasser hinein, Luft heraus Luft hinein, Wasser heraus Technische Umsetzung: Taucherglocke

Luft kann in anderen Körpern eingeschlossen sein (Mechanik, Raumerfüllung) Schwamm, Ziegelstein, Stück Brot unter Wasser tauchen und Luftblasen beobachten

Luft übt eine Kraft aus (Mechanik, Luftdruck) Luft lässt sich zusammendrücken und dehnt sich wieder aus (nebenbei wird gelernt: als gasförmiger Körper ist das Volumen von Luft veränderlich)

Mit der Kraft zusammengepresster Luft kann ein Gegenstand angehoben werden

Strömende Luft kann einen Gegenstand bewegen (selbstgebaute Windräder, Windmühle) Strömende Luft kann einen Gegenstand fortbewegen (Spiel mit Wattebäuschen, selbstgebaute Segelboote)

Der Rückstoß als Antriebskraft (Luftballonrakete, Rückstoßwagen)

Überdruck / Unterdruck, Einführung des Luftdruckbegriffs (Mechanik, Luftdruck) Wechselwirkung zwischen Über- und Unterdruck ein Dosenbarometer bauen

Verblüffende Versuche: Widerspenstiger Korken oder Flamme im Trichter

schwebende Karte (in strömender Luft nimmt der Druck um so mehr ab, je schneller die Strömung fließt / Bernoulli-Prinzip) Porträt des Schweizer Wissenschaftlers Daniel Bernoulli (1700-1782).

(Mechanik, Luftströmung) Luft trägt (Mechanik, Luftströmung) einfache Flugobjekte bauen Aus der Geschichte: Von den ersten Flugver-suchen der Menschen / Erfinder bis zum heutigen Flugverkehr

Luft hat ein Gewicht (Mechanik, Masse) Zwei gleiche, aufgeblasene Luftballons an einer Balkenwaage. Einer wird mit einer Nadel zerstochen Ein Plastikball mit wenig Luft wird gewogen, mit einer Ballpumpe fest aufgepumpt und nochmals gewogen (1l Luft wiegt 1,3 g)

Luft hat unterschiedliche Temperaturen (Wärmelehre) Messen mit dem Thermometer / Temperaturkurven erstellen Erwärmte Luft dehnt sich aus und steigt nach oben (Wärmelehre, Konvektion) Heißluftballon

Luftballon auf der erwärmten Flasche Weihnachtspyramide Aus einem Forschertagebuch

2. Wärmedämmung im Tierreich

2.1 Notwendigkeit der Wärmedämmung Warmblüter Körpertemperatur muss auf Mindest-temperatur gehalten werden Im allgemeinen TKörper >TUmgebung Verringerung von Wärmeverlusten notwendig

2.2 Wärmetransportmechanismen Hohe Temperatur Tiefe Temperatur a) Wärmeleitung diffusiver Prozess Wärmeleitfähigkeit l lGas <(<) lFlüssig/Fest

b) Wärmemitführung (fluide Medien) Natürlich: Wärmeausdehnung  Dichteunterschiede  Auftrieb  Stoff- und Wärmetransport Erzwungen: aufgeprägte Strömungsvorgänge Stoff- und Wärmetransport c) Wärmestrahlung Im Bereich niedriger Temperaturen i.a. nicht relevant

2.3 Effektive Wärmedämmung Grundgedanke: Nutzung von Materialien mit möglichst kleinem l => Gase Problem: Wärmemitführung unvermeidlich Effektive Wärmedämmung erfordert Einschränkung der Gasbeweglichkeit z.B. Schaumstoff

2.4 Funktion des Fells bei Tieren Alternative Lösung des Problems der Wärmemitführung in der Natur Luftdurchlässiges Haarkleid anstelle von Gaseinschluss Behinderung des Austausches erwärmter Luft durch viskose Strömung zwischen den Haaren

Strömungsprofil zwischen parallelen Platten Übertragung auf idealisiertes Fell

Einfluss des Haarabstandes Einfluss der Wärmeleitfähigkeit der Haare: Wärmeleitung durch Haar kann überwiegen  kein metallisches Fell Einfluss des Mediums zwischen den Haaren  kein effektiver Schutz vor Auskühlung beim Schwimmen Variabilität der Isolierschichtdicke  Haare lassen sich aufstellen

3. Literatur Zum Thema Luft: Bezdek,Ursula,Monika u. Petra: Kinder in ihrem Element. Sinnliches Erleben von Feuer und Erde, Wasser und Luft. Don Bosco Verlag: München 2000 Crummenerl, Rainer: Luft und Wasser. WAS IST WAS Band 48. Tessloff Verlag: Nürnberg 1996 Gressmann, Michael; Wolfgang Mathea: Die Fundgrube für den Physik-Unterricht. Das Nachschlagewerk für jeden Tag. Cornelsen Verlag: Berlin 1996 Hibon, Mireille; Elisabeth Niggemeyer: Spielzeug Physik. Luchterhand Verlag: Neuwied; Berlin 1998

Holzhey, Christiane; Edgar Lüscher: Kinder entdecken Physik. R Holzhey, Christiane; Edgar Lüscher: Kinder entdecken Physik. R. Oldenbourg Verlag: München 1977 Köthe, Dr. Rainer: Tessloffs superschlaues Antwortbuch. Wissenschaft im Alltag. Tessloff Verlag: Nürnberg 2002 Microsoft: Encarta. Enzyklopädie 2001 Press, Hans Jürgen: Spiel- das Wissen schafft. Experimente aus Natur und Technik. Otto Maier Verlag: Ravensburg 1977 Schächter, Markus (Hg.): Mittendrin. Geht der Luft die Puste aus? Wolfgang Mann Verlag: Berlin 1990 Walkstein, Jürgen: Lehrerhandreichung zur Experimentierbox Luft. Cornelsen Verlag: Berlin 1993

Zum Thema Wärmedämmung im Tierreich: Lavers, Chris: Warum haben Elefanten so große Ohren? Dem genialen Bauplan der Tiere auf der Spur, Bastei Lübbe 2003 Schmidt-Nielsen, Knut: Physiologie der Tiere, Spektrum Akademischer Verlag 1999 Nachtigall, Werner: Bionik. Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, 2. Auflage, Springer 2002 Perry, Robert H.; Green, Don W.: Perry‘s Chemical Engineers‘ Handbook, 7th Edition, Mc Graw Hill 1997