Hebel-Katapult

Was das Kind lernt

• Was ein Hebel und sein Drehpunkt sind und wie ein kurzer, schnell bewegter Arm den langen Arm noch schneller macht.
• Dass ein gespanntes Gummiband Energie speichert (Spannenergie) und sie beim Loslassen wieder abgibt.
• Dass der Abschusswinkel die Weite verändert: Mit einem bestimmten Winkel kommt man am weitesten.
• Weiten zu messen, Versuche zu wiederholen und Ergebnisse mit einer Tabelle zu vergleichen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % und prüfe mit dem Lineal die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile.
• Biege den Löffel ein wenig mit den Händen: Knackt er oder wird er weiß, ist er aus Polystyrol und kann brechen; halte einen Ersatzlöffel oder einen Eisstiel zum Verstärken bereit.
• Forme 5–6 fest gedrückte Alufolienkugeln von etwa 2 cm.
• Such dir einen Flur oder Hof mit mindestens 3 m freiem Platz ohne zerbrechliche Gegenstände und markiere die Abwurflinie mit Klebeband.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Platte, 25 × 30 cm
  einwellig, 3–4 mm (Versandkarton)
• Plastiklöffel — 1 (+1 als Ersatz)
  Dessert- oder Esslöffel, 12–17 cm; am besten aus Polypropylen (biegt sich, ohne zu brechen)
• Dünnes Gummiband — 2
  aus dem Büro, Ø 60–80 mm ungedehnt, ≈ 1,5 mm breit
• Plastikdeckel — 2
  von Wasserflaschen, Ø ≈ 30 mm, ≈ 12 mm hoch (Anschläge für den Winkel)
• Gewebeband (Panzertape) oder Stoffklebeband — ≈ 20 cm
  für das Scharnier des Löffels (hält besser als durchsichtiges Klebeband)
• Bastelkleber oder Heißkleber — etwas
  zum Kleben der Lagen der Grundplatte und des Bocks
• Alufolie — 3 Stücke, 15 × 15 cm
  für Kugeln mit Ø 15–20 mm (≈ 1–2 g)
• Malerkrepp — 1 m
  um die Abwurflinie und jeden Meter auf dem Boden zu markieren

Werkzeuge

• Lineal und Bleistift — Linien der Grundplatte und Falze anzeichnen
• Schere — den Bock und die Kerben schneiden
• Cuttermesser und Schneidematte — die Grundplatten gerade schneiden Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber — die Falze des Bocks rillen
• Maßband — die Weite jedes Wurfs messen

Teile und Vorlagen

• A · Grundplatte mit Kerben für das Gummiband ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Bock (Drehpunkt, 40 mm) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Zielscheibe ×1 — Papier oder Fotokarton
• D · Geschosse ×5 — Alufolie

Schritt für Schritt

1. Schneide und klebe die Grundplatte Erwachsene

   Schneide die 2 Teile A mit 100 × 200 mm und ihren V-Kerben 44 mm von einem Ende aus. Klebe sie mit gekreuzten Kartonwellen aufeinander und leg 10 Minuten ein Buch darauf.

   Prüfe: Die Grundplatte biegt sich nicht, wenn du sie an einem Ende hältst.

2. Zeichne die Linien an

   Klebe die Vorlage auf oder zeichne mit dem Lineal: Gummiband (Kerben) 44 mm vom Stielende, First des Bocks bei 80 mm und die Kanten des Bocks bei 60 und 100 mm.

3. Falte den Bock

   Rille die 3 Falze von Teil B mit dem leeren Kugelschreiber und dem Lineal. Falte den mittleren nach oben (Dach) und die beiden 10-mm-Klebelaschen nach außen.

   Prüfe: Das Dach ist 40 mm hoch und unten 40 mm breit.

4. Klebe den Bock auf

   Klebe die Klebelaschen des Bocks auf die Grundplatte, mit dem First genau über der 80-mm-Linie und parallel dazu. Halte 5 Minuten fest, bis er trocken ist (oder nimm Heißkleber).

   Prüfe: Von der Seite gesehen ist der First waagerecht und mittig auf der Breite der Grundplatte.

5. Leg den Löffel auf

   Leg den Löffel auf den First, die Laffe zum langen Ende der Grundplatte und ihre Öffnung nach oben. Schieb den Löffel, bis 57 mm Stiel hinter dem First liegen, gemessen entlang des Löffels.

   Tipp: Ist dein Löffel kurz (12 cm), lass ebenfalls 5–6 cm Stiel hinter dem First.

6. Mach das Scharnier

   Klebe einen 6 cm langen Streifen Gewebeband (so lang wie der First) quer über den Löffel, genau über dem First, die Enden auf beiden Seiten am First festgeklebt. Der Löffel muss wippen können, darf aber nicht nach vorn oder hinten rutschen.

   Prüfe: Bewegst du die Laffe auf und ab, dreht sich der Löffel auf dem First, ohne zu verrutschen.

7. Bring das Gummiband an

   Leg das dünne Gummiband so um die Grundplatte durch die beiden V-Kerben, dass es ÜBER den Stiel läuft, etwa 5 mm vor seiner Spitze. Das Gummiband zieht den Stiel gegen die Platte, und die Laffe steht etwa 45° nach oben.

   Prüfe: In Ruhestellung berührt die Stielspitze die Grundplatte, und die Laffe steht je nach Löffellänge 8–12 cm hoch (≈ 12 cm bei einem 16–17-cm-Löffel; ≈ 8–10 cm bei einem 12–15-cm-Löffel).

8. Teste ohne Geschoss Erwachsene

   Drück ohne Kugel die Laffe mit einem Finger bis auf die Grundplatte und lass los. Sie muss mit einem „Klack“ in ihre Stellung zurückschnellen. Wiederhole das 3-mal und prüfe, dass sich der Löffel nicht verdreht.

   Prüfe: Biegt sich der Löffel stark oder knackt er, ist das Gummiband zu stark: Nimm ein dünneres oder verstärke den Stiel mit einem darunter geklebten Eisstiel.

9. Bereite das Schussfeld vor

   Stell das Katapult auf den Boden, den STIEL zur Zielscheibe C gerichtet, in 1,5 m Abstand. Markiere mit Klebeband die Linie der Grundplatte und alle 50 cm zum Ziel hin. Stell dich seitlich, nie hinter den Stiel.

10. Laden und schießen

    Leg eine Alufolienkugel in die Laffe. Halte die Grundplatte mit einer Hand fest, drück die Laffe mit einem Finger der anderen bis auf die Platte und lass los, indem du den Finger zur Seite wegziehst. Die Kugel fliegt über den Stiel hinweg.

    Prüfe: Die Kugel fliegt mindestens 1 m. Landet sie nah oder fliegt nach hinten, prüfe, ob der Stiel in Ruhestellung die Grundplatte berührt.

11. Messen und notieren

    Miss mit dem Maßband von der Grundplatte bis zu der Stelle, wo die Kugel zum ersten Mal den Boden berührt. Mach 3 gleiche Würfe und schreib die Weite jedes Wurfs und den Durchschnitt auf.

    Tipp: Streu eine Prise Mehl oder leg ein Papier auf den Boden, dann siehst du besser, wo sie aufkommt.

Funktioniert es? Der Test

Drei Würfe mit derselben Kugel, immer so weit gespannt, bis die Laffe die Grundplatte berührt. Miss die Weite bis zum ersten Aufprall.

Was passieren soll: Eine 2-cm-Alufolienkugel fliegt 1 bis 3 m weit, in einem Bogen, der etwa 50–80 cm hoch steigt. Die drei Würfe sollten weniger als 30 cm auseinanderliegen; schwanken sie stark, bewegt sich der Löffel im Scharnier.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Kugel fliegt sehr schwach — Gummiband zu locker oder der Stiel berührt die Grundplatte nicht. Lösung: Nimm ein kleineres Gummiband oder wickle es einmal mehr um die Grundplatte. Prüfe, dass das Gummiband den Stiel nahe der Spitze kreuzt, nicht nahe am First.
• Der Löffel bricht am Hals — Gummiband zu stark für einen Löffel aus Polystyrol. Lösung: Klebe mit Gewebeband einen Eisstiel unter den Stiel oder nimm einen Löffel aus Polypropylen (biegsam).
• Die Kugel fliegt nach oben und landet fast an derselben Stelle — Die Laffe stoppt zu spät (Anschlag zu hoch oder keiner, und das Gummiband bremst nicht). Lösung: Nimm Deckel vom Anschlag weg oder rück den First näher an den Stiel, damit die Laffe bei etwa 45° stoppt.
• Das ganze Katapult springt beim Schuss — Grundplatte zu leicht. Lösung: Halte die Grundplatte mit der freien Hand fest oder klebe zwei große Münzen unter das Laffen-Ende.
• Der Löffel dreht sich zur Seite weg — Scharnier locker oder Bock schief. Lösung: Mach das Scharnier mit einem neuen, gut zentrierten Klebebandstreifen neu und prüfe, dass der First rechtwinklig zum Löffel steht.
• Die Kugel fällt vor dem Loslassen aus der Laffe — Laffe zu flach oder Kugel zu groß. Lösung: Nimm 15-mm-Kugeln oder klebe einen Klebebandring an den Rand der Laffe, damit sie tiefer wird.

Sicherheit

• Schieß nur weiche, leichte Gegenstände (Alufolie, Papier, Pompons). Niemals Murmeln, Steine oder harte Gegenstände.
• Die Kugel fliegt nach HINTEN, über den Stiel hinweg: Niemand darf vor dem Stiel stehen oder sich auf Höhe des Katapults bücken. Stell dich seitlich.
• Ziel niemals auf Menschen oder Tiere, vor allem nicht aufs Gesicht.
• Bricht der Löffel, sammle die Stücke auf: Zerbrochenes Plastik hat scharfe Kanten.
• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Löffel ist wie eine Wippe auf dem Spielplatz: Er hat in der Mitte einen Punkt, um den er sich dreht. Das Gummiband ist wie eine Feder, die den Stiel nach unten zieht. Wenn du die Laffe mit dem Finger hinunterdrückst, dehnst du das Gummiband und gibst ihm Energie, wie wenn du eine Steinschleuder spannst. Lässt du los, zieht das Gummiband den Stiel ruckartig, die Laffe schnellt hoch, und wenn sie gegen den Anschlag stößt, fliegt die Kugel allein weiter durch die Luft.

Für Erwachsene

Der Löffel ist ein zweiseitiger Hebel: Der Drehpunkt (First bei 40 mm) liegt zwischen der Kraft (dem Gummiband, das ≈ 50 mm vom Drehpunkt am Stiel zieht) und der Last (der Kugel in der Laffe, ≈ 90–100 mm). Beim Spannen wird die Arbeit des Fingers als elastische potenzielle Energie im Gummiband gespeichert (≈ ½·k·x², in der Größenordnung von 0,05 J). Beim Loslassen beschleunigt das Gummiband den kurzen Arm, und da die Laffe etwa doppelt so weit von der Achse entfernt ist, ist ihre Bahngeschwindigkeit ≈ 2-mal so hoch: Dieser Hebel vervielfacht nicht die Kraft, sondern die Geschwindigkeit, und darauf kommt es bei einem Werfer an. Schlägt der Stiel auf die Grundplatte, stoppt der Arm, und die Kugel fliegt geradlinig weiter (Trägheit), senkrecht zum Löffel in diesem Augenblick. Mit 57 mm Stiel über einem 40-mm-First liegt der Anschlag bei ≈ 45°, und die Kugel startet mit ≈ 45° Steigung, dem Winkel größter Reichweite ohne Luftwiderstand (Reichweite = v²·sin 2θ / g). Bei v ≈ 4 m/s beträgt die theoretische Reichweite ≈ 1,6 m; leichte Kugeln verlieren etwas durch die Luft. Die Deckel unter dem Stiel lassen den Arm früher stoppen, sodass die Kugel steiler startet (≈ 61° mit einem Deckel) und weniger weit kommt, obwohl sie höher steigt.

• Hebel: Stange, die sich um einen Drehpunkt dreht und dazu dient, etwas mit mehr Kraft oder schneller zu bewegen.
• Drehpunkt: der Punkt, um den sich der Hebel dreht.
• Spannenergie: Energie, die ein Gummiband oder eine Feder speichert, wenn du es dehnst.
• Flugbahn: der Weg, den ein Gegenstand im Flug nimmt.
• Abschusswinkel: wie schräg das Geschoss im Verhältnis zum Boden startet.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Grundplatten und faltet den Bock. Das Kind klebt, legt den Löffel auf, bringt das Gummiband an und schießt. Konzentriere dich auf „runterdrücken, loslassen, fliegt“ und das Messen in Schritten.
• 8–10 Jahre: Sie bauen es allein, bis auf das Cuttermesser. Sie machen die Tabelle mit 3 Würfen und dem Durchschnitt und probieren die Deckel aus.
• 11–12 Jahre: Lass sie die Reichweite für verschiedene Positionen des Drehpunkts messen und ein Diagramm zeichnen. Challenge: die Abwurfgeschwindigkeit mit der Reichweitenformel berechnen und mit einem Zeitlupenvideo vergleichen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare (ein Katapult pro Paar: einer schießt, der andere misst). Material pro Paar: Kartonplatte 25 × 30 cm, 1 Löffel + 1 Ersatzlöffel, 2 Gummibänder, 2 Deckel, Alufolie. Vor der Einheit: Grundplatten und Böcke mit dem Cuttermesser schneiden und ein Musterkatapult testen. Einheit von 50 min: 25 Bauen, 25 Wettbewerb auf dem Hof mit 3 mit Klebeband markierten Bahnen, Ziel in 1,5 m und allen Schützen auf derselben Linie, alle in dieselbe Richtung gewandt.

Challenges

• Triff einen Papierkorb in 2 m Abstand, 3 von 5 Treffern.
• Bau eine Version mit verstellbarem Bock (3 Positionen), ohne etwas abzulösen.
• Entwirf einen Abzug: eine Wäscheklammer, die die Laffe unten hält und sich durch Ziehen an einem Faden löst.
• Schaff einen Schuss von 3 m, ohne den Löffel zu zerbrechen (Verstärkungen, Gummiband, Winkel).

Weitere kostenlose Projekte

• Ballonrakete an der Schnur
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Schaumvulkan
• Dunkelkammer, die Bilder projiziert
• Scheibe mit zwei Seiten, die verschmelzen

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