Gummimotor-Auto

Was das Kind lernt

• Dass ein gespanntes Gummiband Energie speichert (elastische potenzielle Energie) und sie als Bewegung zurückgibt (Bewegungsenergie).
• Dass mehr Umdrehungen des Gummibands mehr Energie speichern, aber nur, bis das Gummiband maximal gedehnt ist.
• Dass die Räder das Auto dank der Reibung am Boden antreiben: Ohne Haftung drehen sie durch.
• Dass die Reibung an den Achsen und die Luft das Auto bremsen, bis es stehen bleibt.
• Strecken zu messen und Ergebnisse zu vergleichen, wenn man nur eine einzige Sache ändert (Boden, Gummiband, Gewicht).

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlage in 100 % und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile.
• Stich die 4 Deckel in der Mitte durch (3 mm, der Spieß soll stramm sitzen).
• Schneide aus dem Spieß 2 Achsen à 90 mm und 1 Stift à 30 mm zu, ohne Spitzen.
• Knipse ein 15 mm langes Stück von der Büroklammer ab und biege es mit der Zange zu einem L (8 mm + 7 mm).
• Such dir einen glatten Flur von mindestens 4 m für die Tests und ein Maßband.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Stück 15 × 12 cm
  einwellig, 3 mm (Versandkarton)
• Flaschendeckel aus Kunststoff — 4
  gleich groß, Ø 30 mm (Wasser- oder Limoflaschen)
• Schaschlikspieße (Holzspieße) — 1 (für 2 Achsen à 90 mm und 1 Stift à 30 mm)
  Ø 3 mm, gerade
• Mittelgroße Gummibänder — 2 (Motor) + 2 dünne (Reifen)
  Motor: Ø 40–50 mm, 1,5–2 mm dick; Reifen: dünne Bürogummis
• Büroklammer aus Metall — 1
  32 mm, für den Achshaken
• Strohhalm — 1
  Ø 6 mm, für 4 Abstandhalter à 3 mm
• 1-€-Münzen — 2
  15 g Ballast über der Hinterachse
• Heißklebesticks — 1–2
  für die Heißklebepistole
• Klebeband — 1 Rolle
  durchsichtig oder Malerkrepp
• Filzstifte oder Temperafarben — nach Belieben
  zum Verzieren

Werkzeuge

• Cuttermesser, Lineal und Schneidematte — Fahrgestell und Schlitz für die Verankerung schneiden Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber — die Falzlinien des Fahrgestells rillen
• Vorstecher oder 3-mm-Nagel — Deckel durchstechen (3 mm) und die Achslöcher im Fahrgestell stechen (durch Drehen auf 4 mm) Erwachsene
• Heißklebepistole — Deckel an der Achse und den Haken befestigen Erwachsene
• Kleine Zange — Büroklammer abknipsen und biegen, Spieße kürzen
• Maßband — die gefahrene Strecke messen

Teile und Vorlagen

• A · Fahrgestell als umgedrehtes U ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Zentrierhilfe für die Deckel ×4 — Papier
• C · Achsen ×2 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• D · Ankerstift ×1 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• E · Abstandhalter ×4 — Strohhalm Ø 6 mm
• F · Achshaken ×1 — Büroklammer aus Metall

Schritt für Schritt

1. Schneide das Fahrgestell Erwachsene

   Klebe Vorlage A so auf die Pappe, dass die Kartonwellen in die angegebene Richtung laufen, und schneide das Rechteck von 140 × 110 mm mit Cuttermesser und Lineal aus. Schneide auch den Schlitz von 10 × 3 mm in der Mitte der Vorderkante (Schnauze).

2. Stich die Achslöcher Erwachsene

   Stich, solange die Pappe noch flach ist, die 4 markierten Löcher von 4 mm in die Seiten, 24 mm (vorn) und 116 mm (hinten) von der Schnauze und 7 mm vom Rand entfernt. Dreh den Vorstecher, bis ein Spieß hindurchpasst und sich frei dreht.

   Prüfe: Ein Spieß dreht sich mühelos im Loch.

3. Falte das U

   Rille die zwei Falzlinien 25 mm von jeder Längskante mit leerem Kugelschreiber und Lineal und falte die Seiten um 90° nach unten. Es entsteht ein Tunnel mit 60 mm breitem Dach und 25 mm hohen Wänden.

   Prüfe: Steck einen Spieß durch die zwei vorderen Löcher: Er geht gerade hindurch, senkrecht zu den Seiten. Wiederhole das hinten.

4. Bereite die Räder vor Erwachsene

   Falls sie noch nicht durchstochen sind, leg die Zentrierhilfe B in jeden Deckel, markiere die Mitte und stich sie mit dem 3-mm-Vorstecher auf einem Stück Holz durch. Das Loch muss so knapp sein, dass der Spieß stramm sitzt.

5. Bau die Vorderachse ein Erwachsene

   Steck eine 90-mm-Achse durch die vorderen Löcher, setz auf jeder Seite einen 3-mm-Abstandhalter aus Strohhalm auf und steck auf jedes Ende einen Deckel mit der Öffnung nach innen, bündig mit dem Achsende. Befestige sie innen mit einem Tropfen Heißkleber.

   Prüfe: Dreh ein Rad an: Es dreht sich von allein mehrmals, und beide Räder drehen sich gemeinsam.

6. Bring den Haken an der Hinterachse an Erwachsene

   Setz den Haken F in die Mitte der zweiten Achse, mit dem 8-mm-Stück längs am Spieß und dem 7-mm-Stück nach oben. Befestige ihn mit 3 straffen Wicklungen Klebeband und einem Tropfen Heißkleber. Wickle neben dem Haken 3 weitere Lagen Klebeband, damit das Gummiband greift.

   Prüfe: Der Haken dreht sich nicht um den Spieß, wenn du mit dem Finger dagegen drückst.

7. Bau die Hinterachse ein Erwachsene

   Schieb die Achse mit dem Haken durch die hinteren Löcher, sodass der Haken in der Mitte des Tunnels sitzt. Setz die Abstandhalter auf und klebe die zwei hinteren Deckel wie die vorderen an.

   Prüfe: Der Haken sitzt mittig zwischen den Seiten, und das Rad dreht sich frei.

8. Zieh die Reifen auf

   Zieh ein dünnes Gummiband um jedes Hinterrad, doppelt gewickelt, wenn es zu locker sitzt. So drehen die Antriebsräder beim Loslassen nicht durch.

9. Mach die Gummibandkette

   Verbinde die 2 mittelgroßen Gummibänder mit einem Ankerstich: Steck eines durch das andere und zieh sein Ende durch sich selbst. Du erhältst eine ungedehnt etwa 90–100 mm lange Kette.

   Tipp: Hast du nur ein großes Gummiband (Ø 70 mm oder mehr), nimm es allein.

10. Verankere das Gummiband an der Schnauze

    Steck ein Ende der Kette von unten durch den Schlitz in der Schnauze, schieb den 30-mm-Stift D oben auf dem Dach durch die Schlaufe und zieh von unten, bis der Stift aufliegt. Klebe den Stift mit einem Stück Klebeband am Dach fest.

11. Häng das Gummiband an die Achse

    Führe das andere Ende der Kette durch den Tunnel bis zur Hinterachse und häng es in den Haken. Das Gummiband soll leicht gespannt sein und die Vorderachse nicht berühren.

    Prüfe: Schau von der Seite in den Tunnel: Das Gummiband läuft über die Vorderachse, ohne sie zu streifen.

12. Leg den Ballast auf

    Klebe 2 Münzen zu 1 € mit Klebeband oben aufs Dach, über die Hinterachse (Linie „Ballast“). Ihr Gewicht drückt die Hinterräder auf den Boden und verbessert die Haftung.

13. Zieh den Motor auf

    Setz das Auto auf den Boden und schieb es mit der Hand etwa 55–60 cm rückwärts: Das sind etwa 6 Radumdrehungen, denn jede Umdrehung eines Deckels mit Ø 30 mm bringt ≈ 9,4 cm (π × 30 mm). Das Gummiband wickelt sich um die Achse. Nicht mehr als 8 Umdrehungen (etwa 75 cm): Das Gummiband könnte reißen.

    Prüfe: Von unten siehst du das Gummiband spiralförmig auf der Achse aufgewickelt und straff gespannt.

14. Lass los

    Halte das Auto eine Sekunde still, mit der Schnauze zum Flur, und lass es los, ohne anzuschieben. Miss mit dem Maßband, wo es stehen bleibt, und schreib es auf.

15. Verziere das Auto

    Mal oder zeichne Fenster, Nummern und Streifen auf Dach und Seiten. Bemal weder die Reifen noch die Achslöcher. Lass es trocknen, bevor du Rennen fährst.

Funktioniert es? Der Test

Zieh das Auto in einem glatten Flur (Fliesen oder Parkett) mit 6 Radumdrehungen auf (≈ 57 cm rückwärts), lass es los und miss die Strecke vom Startpunkt bis dorthin, wo es stehen bleibt. Wiederhole das 3-mal und bilde den Durchschnitt.

Was passieren soll: In der ersten Sekunde saust es los, nach ≈ 0,6 m löst sich das Gummiband vom Haken, und das Auto rollt durch die Trägheit weiter: insgesamt 2–4 m auf glattem Boden. Auf Teppich sind es nur 0,5–1 m.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Räder drehen sich, aber das Auto fährt nicht — Die Hinterräder drehen durch. Lösung: Zieh die Gummireifen auf und leg den Münzballast über die Hinterachse; zieh weniger Umdrehungen auf, damit es sanfter anfährt.
• Es fährt ein Stück und bremst abrupt — Das Gummiband löst sich nicht vom Haken und wickelt sich andersherum auf. Lösung: Kürze den Hakenschenkel auf 4–5 mm oder neige ihn etwas zu der Seite, in die das Gummiband zieht.
• Es fährt schief — Achslöcher nicht in einer Linie oder Deckel nicht mittig. Lösung: Prüfe, ob die Löcher an beiden Seiten bei 24 und 116 mm liegen; tausche den Deckel aus, der eiert.
• Es bleibt gleich stehen, obwohl das Gummiband gespannt ist — Reibung: Deckel schleift am Fahrgestell oder Achse klemmt im Karton. Lösung: Setz die Strohhalm-Abstandhalter ein und prüfe, ob die Löcher im Fahrgestell 4 mm groß sind (dreh den Vorstecher, um sie zu weiten).
• Das Gummiband rutscht beim Aufziehen vom Haken — Gummiband zu Beginn des Aufwickelns nicht gespannt. Lösung: Nimm eine kürzere Kette (2 kleinere Gummibänder), damit sie von Anfang an gespannt ist.
• Das Gummiband streift die Vorderachse — Kette zu locker oder Verankerung zu tief. Lösung: Achte darauf, dass das Gummiband aus dem Schlitz im Dach kommt und nicht vom unteren Rand; spann es mit kürzeren Gummibändern.

Sicherheit

• Gummibänder können reißen und zurückschnellen: Zieh nicht mehr als 8 Umdrehungen auf und halte beim Aufwickeln das Gesicht fern.
• Deckel durchstechen und die Heißklebepistole benutzen: immer ein Erwachsener.
• Schneide die Spitzen der Spieße ab, bevor du sie einbaust.
• Abgeknipste Büroklammern stechen: Umwickle den Haken mit Klebeband, außer der Spitze, die einhakt.
• Münzen, Gummibänder und Büroklammern sind Kleinteile: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn du das Auto rückwärts schiebst, wickelt sich das Gummiband auf und dehnt sich, wie wenn du eine Steinschleuder spannst: Du speicherst deine Kraft im Gummiband. Lässt du los, will das Gummiband wieder seine alte Länge haben und dreht die Achse und die Räder. Die Räder drücken den Boden nach hinten, und der Boden schiebt das Auto nach vorn, aber nur, wenn die Räder greifen! Deshalb ziehen wir ihnen Gummibänder als Reifen auf.

Für Erwachsene

Beim Aufwickeln des Gummibands wird Arbeit verrichtet, die als elastische potenzielle Energie gespeichert wird (≈ ½·k·x² bei mäßiger Dehnung). Beim Loslassen übt die Zugkraft T des Gummibands auf die Achse ein Drehmoment T·r aus (r ≈ 3 mm, der Radius der Klebebandtrommel), das am Rad mit Radius R = 15 mm zu einer Antriebskraft T·r/R ≈ T/5 wird. Diese Antriebskraft wird nur übertragen, wenn sie die maximale Haftreibung μ·N zwischen Reifen und Boden nicht übersteigt: daher die Gummireifen (größeres μ) und der Ballast über der Antriebsachse (größeres N). Bei einem Gummiband mit ≈ 4 N beträgt die Antriebskraft ≈ 0,8 N, und ein Auto von ≈ 60 g beschleunigt kräftig. Die nutzbare Zahl der Umdrehungen ist durch die maximale Dehnung des Gummibands begrenzt: Bei 116 mm Strecke und einer Trommel von ≈ 6 mm Durchmesser passen etwa 7 Umdrehungen (≈ 0,65 m mit Rädern von Ø 30 mm, die pro Umdrehung ≈ 94 mm zurücklegen). Wenn sich das Gummiband vom Haken löst, rollt das Auto durch die Trägheit mit der gewonnenen Bewegungsenergie weiter, bis Roll- und Achsreibung sowie Luftwiderstand sie aufgezehrt haben. Größere Antriebsräder legen pro Umdrehung mehr Weg zurück, liefern aber weniger Antriebskraft: ein Kompromiss, wie bei den Gängen eines Fahrrads.

• elastische potenzielle Energie: Energie, die in etwas Gedehntem oder Verdrehtem gespeichert ist, wie im Gummiband.
• Bewegungsenergie: Energie, die ein Gegenstand hat, weil er sich bewegt.
• Reibung: Kraft zwischen zwei Flächen, die sich berühren; sie bremst, sorgt aber auch dafür, dass die Räder antreiben können.
• Trägheit: Neigung eines Gegenstands, sich weiterzubewegen (oder stillzustehen), solange nichts daran etwas ändert.
• Antriebskraft: Kraft, mit der die Räder das Auto nach vorn schieben.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet, sticht und klebt Achsen und Haken. Das Kind faltet das U, setzt Abstandhalter, Reifen und Gummiband ein, zieht das Auto auf und misst in Schritten. Konzentriere dich auf „Dehnen = Kraft speichern“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte, mit Hilfe beim Vorstecher und beim Heißkleber. Lass sie in Metern messen und den Durchschnitt aus 3 Versuchen bilden.
• 11–12 Jahre: Lass sie ein Diagramm Umdrehungen–Strecke zeichnen, Hinterräder mit Ø 40 mm testen und die Strecke pro Umdrehung berechnen (π·D). Challenge: das Auto auf maximale Strecke optimieren.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, ein Auto pro Paar. Vor der Einheit: Deckel durchstechen, Achsen zuschneiden und Haken biegen. Einheit von 60 min: 40 min Bauen und 20 min Rennen in einem Flur mit Startlinie und Markierungen alle 50 cm aus Malerkrepp. Jedes Paar trägt seine 3 Versuche in eine gemeinsame Tabelle an der Tafel ein. Halte Ersatz-Gummibänder und -Deckel bereit.

Challenges

• Bring dein Auto dazu, auf glattem Boden mehr als 4 m zu fahren.
• Bau ein Auto, das eine 5 cm hohe Rampe hinauffährt.
• Ersetze die Hinterräder durch Deckel mit Ø 40–60 mm und vergleiche.
• Entwirf eine windschnittige Karosserie aus Fotokarton, die weniger als 10 g wiegt.
• Bau ein Auto, das 3 m geradeaus fährt, ohne mehr als 20 cm abzuweichen.

Weitere kostenlose Projekte

• Ballonrakete an der Schnur
• CD-Luftkissenboot
• Papierflieger-Gleiter
• Druckluft-Raketenwerfer
• Luftballon-Auto
• Rakete aus Essig und Natron
• Solarauto mit Riemenantrieb
• Pop-Pop-Boot mit Teelicht

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