Produkte der Fach­stelle NaTech

Die Fortsetzungsgeschichte «Kati und Sven und der zerstreute Professor» verbindet die Förderung der Lesekompetenz mit Experimenten aus dem Bereich «Natur und Technik». Angaben zu den Experimenten und den zugehörigen Arbeitsblättern sowie entsprechende Hintergrundinformationen finden Sie nachfolgend. Die Reihenfolge der Experimente wird von der Geschichte vorgegeben.

Im Rahmen des Leseprojekts «Geschichtendock» hat die Fachstelle «NaTech» 2016 für den Krimi Kati und Sven und der zerstreute Professor Kurzversuche erstellt, die die Geschichte experimentell umrahmen.

Bei den Kurzversuchen handelt es sich um Einzelversuche, die nicht aufeinander aufbauen.

Das Geschichtendock

Das Geschichtendock ist eine innovative Verknüpfung von traditionellem Leseunterricht und neuartiger Medienbildung, die eine Individualisierung des Leseunterrichts ermöglicht. Das Konzept umfasst eine spannungsgeladene Fortsetzungsgeschichte auf zwei Lesestufen für unerfahrene bzw. versierte Leserinnen und Leser. Weiterführende Aufgabenstellungen auf unterschiedlichen Denkstufen fördern vernetztes Denken und eine fächerübergreifende Unterrichtsgestaltung.

Ausführliche Informationen sind auf der Website von Geschichtendock abrufbar.

Die Funktionsweise einer Toilette in der Schwerelosigkeit basiert auf dem Prinzip des negativen Überdrucks. Dabei gilt: pu = pL – p (p < pL). Ein Unterdruck herrscht, wenn der Druck innerhalb des Volumens kleiner ist als der Umgebungsdruck.

Vakuumtoilette

Einfache Varianten der Weltraumtoilette, sogenannte Vakuumtoiletten, sind beispielsweise in Zügen oder Flugzeugen anzutreffen. Allerdings fallen bei diesen Toiletten Urin und Kot zunächst durch die Gravitationskraft in die Kloschüssel – also so, wie bei einem normalen WC mit Wasserspülung. Anschliessend werden die Fäkalien über einen Unterdruck (und nicht mehr durch die Schwerkraft) aus der Schüssel abgeführt. Somit muss die Klomuschel nicht wie bei der Weltraumtoilette dicht abschliessen, wenn der Benutzer Platz nimmt.

Toilette in der Schwerelosigkeit

Im Alltag ist der Gebrauch einer Toilette auf die Schwerkraft angewiesen. Durch das Einwirken dieser Kraft ist es möglich, dass die Fäkalien in die Kloschüssel fallen und mittels eines Wasserstroms abgeführt werden können. Bei einer bemannten Raumfahrt in der Schwerelosigkeit gelingt dies nicht, da die Gravitationskraft nicht so stark ist, als dass Urin oder Kot nach «unten» fallen könnte. Das Ergebnis wären schwebende Fäkalien. Um dies zu verhindern, sind Weltraumtoiletten mit einer Art Staubsauger ausgerüstet: Anstelle einer Wasserspülung verfügt eine Raumfahrttoilette über ein Absaugrohr, das über einen erzeugten Unterdruck die Fäkalien nach unten in eine Auffangvorrichtung abführt. Die Feststoffe werden gepresst und bis zur späteren Entsorgung (zurück auf der Erde) gelagert. Der Urin wird separat abgesaugt, aufgefangen und für den Gebrauch der Besatzung wieder aufbereitet oder ebenfalls bis zur Entsorgung gelagert.

Leim ist ein nicht metallischer Prozessklebstoff. Es wird zwischen physikalisch abbindenden Leimen und chemisch härtenden Leimprodukten unterschieden. Die Klebefunktion der einzelnen Fügeteile wird durch Adhäsion und Kohäsion verursacht.

Leim ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken: Die Tapete klebt an der Wand, die Bücher sind zusammengeleimt. In der Medizin werden Operationswunden immer öfter geklebt als genäht. Regenjacken werden an den Nähten ebenso verklebt wie Teile von Möbeln. Selbst bei Flugzeugen kommt Kleber an wichtigen Verbindungen zum Einsatz. Ohne Leim geht es auch in der Raumfahrt nicht.

Wie aber funktioniert der Leim?

Alle Oberflächen haben kleine Unebenheiten und Löcher, auch wenn sie ganz glatt aussehen. Selbst polierte Flächen weisen Unebenheiten auf. Diese Unebenheiten sind fürs Leimen wichtig, denn der Leim fliesst in die Hohlräume, füllt sie auf und verstärkt die Haftung zwischen den zu klebenden Materialien. Wenn der Leim an der Luft trocknet, verbinden sich zudem die Leimteilchen miteinander. Diese beiden Eigenschaften, die Haftung mit den zu klebenden Materialien und das Verbinden der Leimteilchen miteinander, sind der Grund, warum Leim klebt.

Konkreter Vorschlag für den Unterricht:

Ja, die meisten Knochenfische und einige Knorpelfische können rückwärts schwimmen. Aber wie? Die Flossen sind ausschlaggebend für die Fortbewegung und Richtungsänderung der Fische. Die Bewegung der Flossen erfolgt mithilfe von Muskeln. Ein Fisch besitzt insgesamt 5 verschiedene Typen von Flossen, welche unterschiedliche Funktionen haben.

Die Rückenflosse und die Afterflosse helfen dem Fisch, das Gleichgewicht im Wasser zu halten. Die Schwanzflosse dient zur Fortbewegung. Die zwei Bauchflossen bremsen die Schwimmbewegungen ab und die zwei Brustflossen ermöglichen es dem Fisch, rückwärts und langsam vorwärts zu schwimmen. Die paarigen Brust- und Bauchflossen werden jedoch hauptsächlich zum Steuern verwendet.

Da die Knorpelfische im Gegensatz zu den Knochenfischen unbewegliche Brustflossen besitzen, können die Knorpelfische nicht rückwärts schwimmen. Wie immer und überall gibt es auch hier natürlich Ausnahmen.

Konkreter Vorschlag für den Unterricht:

Das Schnurren der Katzen ist sowohl beim Ein- als auch beim Ausatmen zu vernehmen. Es verkürzt die Atemphasen und erhöht die Atemfrequenz. Ist dies reine Energieverschwendung der Katze?

Untersuchungen ergaben, dass Hauskatzen hauptsächlich mit einer Frequenz von 25 Hertz (Hz) und einem Oberton von 50 Hz schnurren. Zusätzlich konnten die Wissenschaftler kräftige Schwingungen in den Frequenzen messen, von denen man sagt, dass sie die Knochendichte verbessern. Durch eine Beschallung mit Vibrationen zwischen 20 und 50 Hertz werden eine höhere Knochendichte, ein schnelleres Knochenwachstum und eine verkürzte Heilungsdauer bei Verletzungen erreicht. Bereits frühere Studien konnten beweisen, dass die Knochendichte bei Frequenzen von 20 bis 50 Hz zunimmt und bei 25 bis 50 Hz die Knochenheilung stimuliert und beschleunigt wird.

In einer Studie wurden Hühner für zwanzig Minuten auf einer vibrierenden Plattform platziert, was ihren Knochen zu einer grösseren Dichte verhalf. Als man Kaninchen für eine Weile mit 25 bis 50 Hertz beschallte, stieg die Knochendichte um 20 Prozent und Brüche verheilten deutlich schneller.

In anderen Fällen haben Forscher ein bisschen nachgeholfen. Zum Beispiel bei Schafen: Wissenschaftler haben die Tiere einer regelmässigen Schüttelkur unterzogen und beobachtet, dass sich ihr Skelett dadurch langfristig signifikant festigte. Auch beim Menschen gibt es schon länger Anzeichen, dass eine Beschallung im unteren Frequenzbereich Schmerzen lindert und zur Heilung von Muskeln und Sehnen beiträgt: Bei Tests für die bemannte Raumfahrt hat man durch den Einsatz von Vibrationsgeräten den durch mangelnde Bewegung bedingten Knochenabbau vermindern können.

Ausser Tigern schnurren fast alle Katzen, sogar Löwen und Geparde. Tiger, die aufgrund der andersartigen Struktur ihres Kehlkopfes nicht schnurren können, produzieren dafür ihren eigenen, einschmeichelnden Behaglichkeitslaut, der sich wie ein rasches, abgehacktes f-f-f-f anhört.

Ob Insekt, Fisch oder Vogel – damit ein Schwarm funktioniert, weisen Schwarmtiere spezifische Eigenschaften auf:

Schwarm-Chefs

Schwärme verlassen sich nicht auf einen einzigen Anführer. Ungefähr fünf bis zehn Prozent der Tiere geben die Richtung vor. Jedes Individuum kann zum Anführer oder Experten werden, wenn es wichtige Informationen besitzt (z. B. einen Raubfisch erkennt) und konsequent handelt, indem es direkt die Richtung wechselt. Experimente haben gezeigt, dass sich sogar Menschenmassen wie ein Schwarm leiten lassen, wenn fünf bis zehn Prozent Eingeweihte die Richtung vorgeben.

Ein Schwarm bietet seinen Mitgliedern viele Vorteile: Vor allem bietet er Schutz. Wenn viele Kleine als grosses Ganzes auftreten, kann das einen Fressfeind schon mal abschrecken. Und greift der Räuber doch an, fällt es ihm schwer, im Gewimmel der Leiber ein einzelnes Tier ins Visier zu nehmen. Ausserdem sehen hunderte Augen mehr als zwei: Experimente bestätigen, dass Entscheidungen des gesamten Schwarms besser und sogar schneller getroffen werden, je grösser der Schwarm ist.

Autoren: Christian Esser, Nicole Schwery

Gute Nachbarschaft

Im Schwarm richten sich die Individuen jeweils nach ihren nächsten Nachbarn. Auch wenn sie dicht nebeneinander schwimmen oder fliegen, halten sie stets den gleichen Abstand zueinander ein. Das ermöglicht eine reibungslose Interaktion und verhindert Kollisionen. Mit ihren sensiblen Wahrnehmungsorganen checken die Schwarmtiere ständig Abstand, Tempo und Richtung der Nachbarn. Bei Staren sind es meist sechs bis sieben direkte Nachbarn, die jeder im Auge behalten muss.

Wahrnehmung

Schwarmtiere verfügen meist über ganz besonders sensible Wahrnehmungsorgane. Die meisten Schwarmfische haben einen ausgeprägten optischen Sinn und können sich darüber hinaus auf das so genannte Seitenlinienorgan verlassen. Mit diesem können die Fische kleinste Druckveränderungen und Wasserwirbel wahrnehmen, die z. B. der Nachbarfisch verursacht. Bei vielen Schwarmvogelarten überprüfen spezielle Sensoren in den Federn den Luftdruck und die damit verbundene Position im Schwarm.

Kommunikation

Die Kommunikation zwischen den Individuen eines Schwarms raubt kaum Zeit – zumindest nach menschlichen Massstäben. Das Reaktionsvermögen der Schwarmindividuen ist so gross, dass Menschenaugen einfach nicht hinterher kommen. Darum sieht es auf den ersten Blick auch oft so aus, als ob alle Schwarmindividuen gleichzeitig die Richtung wechseln, wenn z. B. Gefahr droht. Dabei handelt es sich aber nur um eine scheinbare Gleichzeitigkeit.

Hochgeschwindigkeitskameras zeigen, dass die Richtungsänderung von einem einzelnen Individuum ausgeht. Schlägt dieses Individuum eine neue Richtung ein, registrieren die direkten Nachbarn die Veränderung und tun es dem einen in Sekundenbruchteilen nach. Wenn man weit genug von einem Schwarm entfernt steht, z. B. bei einem Starenschwarm am Himmel, kann man diesen «Dominoeffekt» in Form von Wellenbewegungen sehen.