Baggerarm mit Spritzen

Was das Kind lernt

• Dass sich Wasser kaum zusammendrücken lässt: Was in eine Spritze hineingeht, kommt aus der anderen heraus (5 ml gedrückt = 5 ml angekommen).
• Dass sich Luft sehr wohl zusammendrücken lässt und eine Blase den Arm deshalb „weich“ und verzögert macht.
• Was ein Hebel und ein Drehpunkt sind: Ein kurzer Schub nahe der Achse erzeugt eine große Drehung an der Armspitze.
• Wie echte Bagger, Kräne und Bremsen funktionieren: ein kleiner Steuerkolben und ein Zylinder, der drückt.
• Dass auch die Schwerkraft mitarbeitet: Der Arm senkt sich von selbst, wenn du Wasser aus dem Zylinder ziehst.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % (ohne „An Seite anpassen“) und prüfe mit dem Lineal, dass die rote Linie in der Kopfzeile 50 mm misst.
• Prüfe, dass der Schlauch stramm auf dem Konus der Spritzen sitzt: Sitzt er locker, tropft es und Luft kommt hinein.
• Bereite 200 ml Wasser mit Lebensmittelfarbe in einer Schüssel vor (wenn möglich zwei Farben: eine pro Kreislauf).
• Sind die Kinder noch klein, schneide die langen Teile (Grundplatte, Turm und Arme) vorher selbst mit dem Cuttermesser zu.
• Decke den Tisch mit Zeitungspapier ab: Beim Füllen der Spritzen geht immer etwas Wasser daneben.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 2 Platten à 30 × 25 cm
  einwellig, 3–4 mm (Versandkarton), flach und ohne Knicke
• Spritzen ohne Nadel — 4 (2 Paare) kaufen
  10 ml, glatter Luer-Konus (kein Gewinde), alle gleich; Zylinder Ø ≈ 16 mm, Hub ≈ 55 mm
• Aquarium-Luftschlauch — 1,2 m (2 Stücke à 60 cm) kaufen
  Silikon oder flexibles PVC, Innen-Ø 4 mm, Außen-Ø 6 mm
• Wasser mit Lebensmittelfarbe — 1 Glas (200 ml) + 3 Tropfen Farbe
  eine Farbe pro Kreislauf (z. B. blau für die Schulter, rot für den Ellbogen)
• Musterbeutelklammern — 2
  mit zwei Beinchen, 25 mm lang (müssen durch 15 mm Karton reichen)
• Schaschlikspieß (Holzspieß) — 1
  Ø 3 mm, gerade (Schulterachse, 60 mm)
• Strohhalm — 1
  Innen-Ø 5–6 mm (Abstandshalter der Schulter)
• Große Büroklammer aus Metall — 2
  ≈ 50 mm; eine für den Haken, eine für den Henkel des Eimers
• Joghurtbecher oder ähnlicher Behälter — 1
  Lasteimer (wiegt leer ≈ 5 g)
• Gewebeband (Panzertape) oder Stoffklebeband — ≈ 40 cm
  zum Befestigen der Spritzen (Papierklebeband löst sich bei Wasser)
• Heißklebesticks — 3
  für die Heißklebepistole
• Gummibänder — 2
  aus dem Büro, um die Spritzen zusätzlich zum Klebeband zu sichern

Werkzeuge

• Metalllineal, Bleistift und Geodreieck — Teile anzeichnen und rechte Winkel prüfen
• Cuttermesser und Schneidematte — die langen Teile mit gerader Kante schneiden Erwachsene
• Schere — Vorlagen, Strohhalm und Schlauch zuschneiden
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — die Löcher mit Ø 4 mm für die Achsen stechen Erwachsene
• Heißklebepistole — Turm, Kartonlagen und Spritzen kleben Erwachsene
• Wanne oder große Schüssel — die Wasserkreisläufe ohne Blasen füllen
• Lappen oder Küchenpapier — Tropfen aufwischen

Teile und Vorlagen

• A · Grundplatte ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Turm (U-Teil) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Hintere Querstrebe des Turms ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• D · Arm (Schulter → Ellbogen) ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• E · Unterarm mit Hebelhorn ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• F · Abstandshalter der Schulter (Strohhalm) ×2 — Strohhalm Ø 6 mm
• G · Schulterachse ×1 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• H · Haken und Henkel des Eimers ×2 — große Büroklammer aus Metall

Schritt für Schritt

1. Teste ein Spritzenpaar

   Fülle eine Spritze mit 5 ml Wasser, verbinde sie mit 10 cm Schlauch mit einer leeren Spritze und drücke den Kolben. Der Kolben der anderen muss sofort herauskommen. So prüfst du, dass der Schlauch stramm sitzt und nicht tropft.

   Prüfe: Tropft es an der Verbindung, ist der Schlauch zu weit: Besorge Schlauch mit 4 mm Innendurchmesser oder wickle eine Lage Klebeband um den Konus.
   Tipp: Leere diese Spritzen und leg sie beiseite: Du brauchst sie später.

2. Schneide und klebe die Grundplatte Erwachsene

   Schneide die 2 Teile A mit 150 × 220 mm zu. Klebe sie mit Kleber oder Heißkleber aufeinander, mit gekreuzten Kartonwellen. Klebe die Vorlage mit den Markierungen darauf oder übertrage sie mit dem Lineal: Turm 20 mm von der Hinterkante.

   Prüfe: Die Grundplatte liegt flach auf dem Tisch, wackelt nicht und biegt sich nicht durch.

3. Schneide den Turm aus Erwachsene

   Schneide Teil B aus (150 × 145 mm, die Front auf 100 mm abgesenkt). Rille die beiden Falzlinien mit einem leeren Kugelschreiber und dem Lineal und falte sie auf 90° zu einem U mit 40 mm Front und 55 mm Seiten.

4. Stich die Schulterachse Erwachsene

   Stich am gefalteten U auf jeder Seite ein Loch mit Ø 4 mm, 15 mm unter der Oberkante und 10 mm vor der Hinterkante. Steck den Spieß hinein: Er muss gerade durch beide Löcher gleichzeitig gehen.

   Prüfe: Von vorn gesehen liegt der Spieß waagerecht. Ist er schief, vergrößere das tiefere Loch ein wenig.

5. Klebe den Turm auf die Grundplatte Erwachsene

   Klebe die Querstrebe C unten und hinten zwischen die beiden Seiten. Klebe den Turm auf die Markierungen der Grundplatte, mit einer Heißkleberaupe innen und außen an allen drei Seiten, die Front nach VORNE.

   Prüfe: Mit dem Geodreieck geprüft steht der Turm in beide Richtungen senkrecht.

6. Baue Arm und Unterarm Erwachsene

   Schneide 2 Teile D (174 × 30 mm) und klebe sie flach aufeinander; mach dasselbe mit den 2 Teilen E (30 × 155 mm). Wenn sie trocken sind, stich die Löcher mit Ø 4 mm durch beide Lagen: Schulter und Ellbogen in D, Ellbogen in E, und das 2,5-mm-Loch für den Haken in E.

   Tipp: Klebe mit Bastelkleber und leg 15 Minuten ein Buch darauf: So werden sie flacher als mit Heißkleber.

7. Baue die Schulter zusammen Erwachsene

   Schieb das hintere Ende von Arm D zwischen die Seiten des Turms. Steck den Spieß G durch eine Turmseite, einen Strohhalm-Abstandshalter F, das Loch im Arm, den zweiten Abstandshalter F und die andere Seite. Gib außen am Turm an jedes Spießende einen Tropfen Heißkleber.

   Prüfe: Heb den Arm mit dem Finger an und lass ihn los: Er muss von selbst fallen, ohne zu streifen oder seitlich zu wackeln.

8. Baue den Ellbogen zusammen

   Befestige den Unterarm E mit einer Musterbeutelklammer durch die Ellbogenlöcher an der RECHTEN Seite von Arm D: das 55-mm-Horn nach oben, der lange Teil hängt nach unten. Spreize die Beinchen der Klammer, ohne fest anzuziehen.

   Prüfe: Der Unterarm hängt durch sein Gewicht senkrecht und kehrt von selbst in die Senkrechte zurück, wenn du ihn anstößt.

9. Fülle den Schulterkreislauf Erwachsene

   Leg einen 60-cm-Schlauch und eine Spritze in die Schüssel mit blauem Wasser. Fülle die Spritze unter Wasser, steck sie auf den Schlauch und drücke, bis alle Luft draußen ist. Nimm die „Steuerspritze“ heraus und fülle sie mit 9 ml. Die „Zylinderspritze“ hat den Kolben ganz eingedrückt (0 ml): Steck sie ans andere Schlauchende, ohne es aus dem Wasser zu nehmen.

   Prüfe: Drück 2 ml an der Steuerspritze: Der Zylinder muss sich gleichzeitig bewegen, ohne Verzögerung. Gibt es eine Verzögerung, ist noch Luft drin: leeren und wiederholen.
   Tipp: Blasen steigen nach oben: Halte den Schlauch mit der Spritze nach oben und klopfe leicht dagegen, damit sie vor dem Verbinden entweichen.

10. Setz den Schulterzylinder ein Erwachsene

    Klebe die Zylinderspritze senkrecht an die Außenseite der Turmfront, den Konus nach unten 25 mm über der Grundplatte und den Kolben nach oben, genau unter der Unterkante des Arms (Markierung 56 mm von der Achse). Heißkleber an den Spritzenkörper und ein Streifen Gewebeband rundherum.

    Prüfe: Die Kolbenscheibe berührt die Armkante, und der Arm steht fast waagerecht (etwa 5°).

11. Teste die Schulter

    Drück den Kolben der Steuerspritze langsam: Der Zylinder fährt aus und hebt den Arm. Zieh an der Steuerspritze, und der Arm senkt sich durch sein eigenes Gewicht. Bewegungsbereich: von etwa 5° bis etwa 45° über der Waagerechten.

    Prüfe: Rutscht der Kolben unter dem Arm weg, setz die Spritze neu: Sie muss mittig unter der Armkante stehen.

12. Fülle den Ellbogenkreislauf Erwachsene

    Wiederhole das Füllen mit dem anderen 60-cm-Schlauch und rotem Wasser: Steuerspritze mit 9 ml, Zylinder mit ganz eingedrücktem Kolben. Prüfe, dass der Zylinder ohne Verzögerung reagiert.

13. Setz den Ellbogenzylinder ein Erwachsene

    Leg die Zylinderspritze auf die Oberkante des Arms, den Konus zur Schulter und den Kolben zum Ellbogen. Verschieb sie 5 mm zur Seite des Unterarms, damit ihre Scheibe die Hinterkante des Horns berührt. Klebe sie mit Heißkleber fest und verstärke mit 2 Wicklungen Gewebeband.

    Prüfe: Bei hängendem Unterarm liegt die Kolbenscheibe am Horn an, ohne es schon zu drücken.

14. Führe die Schläuche

    Befestige den Ellbogenschlauch mit 2 Stückchen Klebeband entlang des Arms und lass an der Schulter eine lockere Schlaufe von 10 cm, damit der Arm hochgehen kann, ohne am Schlauch zu ziehen. Leg beide Steuerspritzen rechts neben die Grundplatte.

15. Bring den Haken an und bereite die Last vor

    Häng die S-Büroklammer in das 2,5-mm-Loch am Ende des Unterarms. Stich die andere Büroklammer als U-Henkel in den Rand des Joghurtbechers. Leg 1 oder 2 Murmeln hinein (je 5 g).

16. Einhaken und hochheben

    Drück bei gesenktem Arm die Ellbogen-Steuerspritze, um den Haken an den Henkel zu bringen, hak ihn ein und lass den Ellbogen los. Dann drück die Schulter-Steuerspritze: Der Becher steigt. Beweg ihn langsam, 1 ml auf einmal.

    Prüfe: Der Becher mit 2 Murmeln (≈ 15 g) steigt mindestens 8 cm.

Funktioniert es? Der Test

Stell den Becher mit Murmeln in die Ladezone. Hak ihn mit dem Ellbogen ein und heb ihn mit der Schulter ganz nach oben. Miss mit dem Lineal, wie viel Höhe der Haken gewinnt.

Was passieren soll: Der Arm hebt sich von etwa 5° auf etwa 45°, und der Haken gewinnt etwa 9–10 cm Höhe. Mit 9 ml in der Steuerspritze ist die Bewegung sanft und langsam; 20–30 g hebt er problemlos. Ziehst du an der Steuerspritze, senkt sich der Arm von selbst.

Wenn etwas nicht klappt

• Ich drücke die Steuerspritze und der Arm bewegt sich verzögert oder „schwammig“ — Es ist Luft im Kreislauf: Die Luft wird zusammengedrückt, bevor etwas geschoben wird. Lösung: Leere den Kreislauf und fülle ihn in der Wasserschüssel neu, die Spritze nach oben, damit die Blasen durch den Konus entweichen.
• Es tropft an den Verbindungen — Schlauch zu weit für den Konus oder Spritze mit Gewinde. Lösung: Nimm Schlauch mit 4 mm Innendurchmesser oder wickle eine Lage Teflonband um den Konus, bevor du den Schlauch aufsteckst.
• Der Kolben des Zylinders rutscht unter dem Arm weg — Die Spritze steht nicht mittig oder nicht senkrecht. Lösung: Löse sie und setz sie mittig unter die Armkante; klebe als Führungsschiene links und rechts der Kante je einen 6-mm-Kartonstreifen an.
• Der Arm senkt sich nicht, wenn ich an der Steuerspritze ziehe — Der Arm streift am Turm oder die Abstandshalter klemmen zu stark. Lösung: Kürze die Strohhalm-Abstandshalter um 1–2 mm und prüfe, dass der Arm ohne Wasser von selbst fällt.
• Der Unterarm knickt nicht ab — Die Kolbenscheibe berührt das Horn nicht (seitlich versetzt). Lösung: Verschieb die Ellbogenspritze zur Seite des Unterarms oder klebe ein 5-mm-Stück Karton auf das Horn, dort wo gedrückt wird.
• Der ganze Kran kippt nach vorn — Last zu schwer oder Grundplatte nur einlagig. Lösung: Nimm die 2 Lagen für die Grundplatte und klebe einen Stein oder 4 große Münzen in den hinteren Bereich.

Sicherheit

• Spritzen immer OHNE Nadel: Kauf einzelne Spritzen in der Apotheke oder frag nach „Oralspritzen“; hat eine eine Nadel, entfernt und verwahrt sie ein Erwachsener.
• Cuttermesser und Vorstecher benutzt ein Erwachsener, mit Schneidematte und der anderen Hand hinter der Klinge.
• Heißkleber verbrennt, die Düse der Pistole ebenso: Der Erwachsene klebt, das Kind hält mit einer Wäscheklammer fest.
• Trink das gefärbte Wasser nicht und ziel beim Leeren der Spritzen nicht auf die Augen (es spritzt kräftig).
• Wisch verschüttetes Wasser auf: Rutschgefahr.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wasser ist ein richtiger Dickkopf: Es lässt sich nicht zusammendrücken. Drückst du Wasser in ein Ende des Schlauchs, muss es am anderen Ende herauskommen, so wie wenn du eine Reihe Murmeln in ein Rohr schiebst und die letzte herausschießt. Deshalb fährt die andere Spritze aus und hebt den Arm, wenn du die Spritze in deiner Hand drückst. Ist eine Luftblase drin, lässt sich die Luft wie ein Kissen zusammendrücken und der Arm bewegt sich ganz weich. Die Bagger auf Baustellen machen es genauso, nur mit Öl.

Für Erwachsene

Wasser ist praktisch inkompressibel (sein Volumen ändert sich um 0,005 % pro Atmosphäre), daher taucht das in der Steuerspritze verdrängte Volumen vollständig in der Zylinderspritze wieder auf: Bei zwei gleichen 10-ml-Spritzen (Innen-Ø ≈ 14,5 mm, Fläche ≈ 1,65 cm²) entspricht 1 ml ≈ 6 mm Hub in beiden. Nach dem Pascalschen Prinzip ist der Druck im ganzen Kreislauf gleich, sodass die Kraft an jedem Kolben F = p · A beträgt: Bei gleichen Flächen ist auch die Kraft gleich (Verhältnis 1:1); mit einer 5-ml-Steuerspritze und einem 20-ml-Zylinder vervielfacht sich die Kraft ≈ ×2,7, aber der Hub teilt sich im selben Verhältnis (die Arbeit F · d bleibt erhalten). Luft dagegen ist kompressibel (Boyle-Mariotte-Gesetz): Eine Blase wirkt wie eine Feder und erzeugt Verzögerung und Rückfedern. Mechanisch drückt der Schulterzylinder 56 mm von der Achse entfernt: Das Drehmoment, um den Arm (≈ 40 g mit Spritze) und 20 g am Haken in ≈ 20 cm Abstand zu heben, liegt in der Größenordnung von 0,05 N·m, was ≈ 1 N am Kolben erfordert, also nur ≈ 6 kPa Druck: Fast die ganze Kraft, die das Kind spürt, ist die Reibung der Gummidichtungen. Der Zylinder drückt nur; die Rückbewegung übernimmt die Schwerkraft, wie bei vielen einfachwirkenden Kränen. Am Ellbogen drückt der Kolben gegen ein Hebelhorn ≈ 23 mm von der Achse, wodurch ≈ 20 mm Hub in ≈ 45° Drehung des Unterarms umgesetzt werden.

• Hydraulik: Technik, die eine eingeschlossene Flüssigkeit nutzt, um Kraft und Bewegung zu übertragen.
• inkompressibel: lässt sich nicht so zusammendrücken, dass es weniger Platz braucht (wie Wasser).
• Kolben: Teil, das in der Spritze gleitet und die Flüssigkeit schiebt.
• Drehpunkt: Achse, um die sich ein Teil dreht.
• Druck: auf eine Fläche verteilte Kraft; in einer eingeschlossenen Flüssigkeit ist er überall gleich.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut den Kran und füllt die Kreisläufe. Das Kind verziert, bringt den Haken an und bedient die Steuerspritzen: Die Challenge ist, den Becher einzuhaken. Konzentriere dich auf „Ich drücke hier, dort bewegt sich etwas“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles außer Cuttermesser, Vorstecher, Heißkleber und Füllen (das macht der Erwachsene, während sie zuschauen). Lass sie herausfinden, was eine Blase bewirkt und wie man sie entfernt.
• 11–12 Jahre: Sie bauen fast allein. Challenge: ausrechnen, wie viele mm sich der Kolben pro ml bewegt, und das dritte Spritzenpaar für einen Greifer oder einen Drehsockel ergänzen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt (je eins pro Steuerspritze und ein „Vorarbeiter“, der Anweisungen gibt). Material pro Team: 4 Spritzen, 1,2 m Schlauch, 2 Kartonplatten. Vor der Einheit: Grundplatten, Türme und Arme mit dem Cuttermesser zuschneiden und für je 4 Teams zwei Wannen mit gefärbtem Wasser bereitstellen. Einheit von 2 × 60 min: zuerst die Konstruktion, am zweiten Tag Füllen und Tests. Zum Schluss ein Wettrennen mit Stoppuhr: „3 Becher in eine Kiste bringen“. Halte Handtücher und Ersatzspritzen bereit.

Challenges

• Bau einen Drehsockel aus einem Glasdeckel und einem dritten Spritzenpaar (oder einer aufgewickelten Schnur).
• Bring 5 Flaschendeckel in weniger als 2 Minuten von einer Kiste in eine andere.
• Ersetze den Haken durch einen kleinen Magneten und sammle Büroklammern ein.
• Entwirf ein Bedienpult mit den 2 Steuerspritzen parallel aufgeklebt und beschriftet (HEBEN, KNICKEN).
• Schaff es, 50 g zu heben, indem du die Konstruktion verstärkst, ohne die Spritzen zu wechseln.

Weitere kostenlose Projekte

• Turm aus Spaghetti und Marshmallows
• Windrad mit vier Flügeln
• Ziehharmonika-Brücke aus Papier
• Burg mit Zugbrücke
• Hebel-Katapult
• Flatternde Fledermaus mit Kurbel
• Hydraulischer Lastenaufzug
• Seilzugkran mit Kurbelwinde
• Spiral-Wasserheber
• Tisch, der zu schweben scheint
• Kettenreaktion auf dem Tisch
• Kran mit Zahnrad und Ritzel

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