Luft &

Wärmedämmung im Tierreich

Petra Becker-Nows

Kerstin Becker

Carsten Müller

Gliederung

LuftAus dem LehrplanUnterrichtsthema LuftVersuche mit Luft

WärmedämmungNotwendigkeit der WärmedämmungWärmetransportmechanismenEffektive WärmedämmungFunktion 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

Luft verdrängt Wasser

(Mechanik, Raumerfüllung)

Gefäß mit Papiertaschentuch unter Wasser drücken

Gefäß und „Schiffchen“ unter Wasser drücken

Luft ist ein Körper / Wo ein Körper ist, kann nicht

gleichzeitig ein zweiter sein

(Mechanik, Raumerfüllung)

• ein Gegenstand (Gewicht)verdrängt Luft aus einem unterWasser gedrückten Gefäß

• Luftballon in einer Flascheaufpusten (funktioniert nur, wenn die enthaltene Luftentweichen 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).

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

a) Wärmeleitung

– diffusiver Prozess

– Wärmeleitfähigkeit

Gas <(<) Flüssig/Fest

Tiefe

Temperatur

Hohe

Temperatur

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 => 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

dxdplv 12

2

• 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. LiteraturZum 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. 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