Hydraulischer Lastenaufzug

Was das Kind lernt

• Dass sich Flüssigkeiten kaum zusammendrücken lassen und deshalb Kraft und Bewegung von einem Kolben auf einen anderen übertragen (pascalsches Prinzip).
• Dass sich bei zwei gleichen Spritzen der Hubkolben genauso weit bewegt wie der Steuerkolben (1:1) und man mit unterschiedlichen Spritzen Kraft gegen Weg tauscht.
• Dass sich Luft sehr wohl zusammendrücken lässt: Mit Blasen ruckelt der Aufzug und verliert Hubweg.
• Warum ein Aufzug Führungen braucht: Die Plattform darf sich nur in eine Richtung bewegen können.
• Wie Wagenheber, Autobremsen und Baggerarme funktionieren.

Vorher vorbereiten

• Miss deine Hubspritze aus: den Abstand L von der Unterseite der Griffplatte bis zur Spritzenspitze. Höhe der Säule = L + 40 mm. Bei einer typischen 20-ml-Spritze ist L ≈ 95 mm und die Säule 135 mm hoch.
• Prüfe, ob der Schlauch auf der Spitze beider Spritzen stramm sitzt: Ist er locker, wickle eine Lage Teflonband um die Spitze oder nimm einen dünneren Schlauch.
• Beweg die Kolben ein paarmal trocken hin und her: Geht einer schwer, probier eine andere Spritze (die Reibung kommt zur Last hinzu).
• Stell eine Schüssel mit 1 Liter Wasser und 3–5 Tropfen Lebensmittelfarbe bereit und schütze den Tisch mit Zeitungspapier.
• Drucke die Vorlagen mit 100 % und prüfe, dass die Plattform D 100 mm misst.

Materialien und Werkzeuge

• Spritzen ohne Nadel — 2 gleiche (+ 1 mit 5 ml für das Experiment) kaufen
  20 ml, normaler Luer-Konus (ohne Gewinde), Kolben mit Gummidichtung, der leicht gleitet
• Silikon- oder Aquariumschlauch — 40 cm kaufen
  Innen-Ø 4 mm, außen 6 mm, durchsichtig und biegsam
• Dicke Wellpappe — 2 Bögen 30 × 40 cm
  3–4 mm, glatt, aus einem Versandkarton
• Schaschlikspieße — 2
  Ø 3 mm × 250 mm, gerade
• Strohhalm — 1
  gerade, Ø 5–6 mm (für 2 Stücke à 30 mm)
• Eisstiele — 2
  114 × 10 mm, auf 100 mm gekürzt
• Lebensmittelfarbe — 3–5 Tropfen
  blau oder grün, auf 1 Liter Wasser
• Bastelkleber und Heißklebesticks — 1 Flasche + 3 Sticks
  Bastelkleber für die Pappe; Heißkleber zum Befestigen der Spieße und der Plattform
• Gewebeband oder Isolierband — 30 cm
  zum Festmachen der Spritzen-Griffplatte und der Schlauchverbindungen
• Teflonband (optional) — 20 cm
  aus dem Sanitärbedarf, nur wenn der Schlauch locker auf der Spritzenspitze sitzt
• Gummibänder — 2
  Büro-Gummibänder, zum Festhalten der Steuerspritze in ihren Haltern
• Schüssel oder Spülbecken mit Wasser — 1 Liter Wasser
  um den Kreislauf luftfrei zu füllen
• Großes Glas oder Krug — 1, mit gefärbtem Wasser
  mindestens 10 cm tief, um die Hubspritze unter Wasser anzuschließen, ohne die Säule nass zu machen

Werkzeuge

• Metalllineal und Bleistift — Teile anzeichnen und die Spritze ausmessen
• Cuttermesser und Schneidematte — die Teile aus dicker Pappe und die Löcher schneiden Erwachsene
• Schere — Strohhalme, Schlauch und dünnen Karton schneiden
• Heißklebepistole — Spieße, Säule und Plattform befestigen Erwachsene
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — die Löcher für die Spieße stechen Erwachsene
• Lappen oder Küchenpapier — die Spritzen abtrocknen und Wasser aufwischen

Teile und Vorlagen

• A · Grundplatte ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Säule (Vierkantrohr 40 × 40) ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Deckel der Säule ×1 — Wellpappe 3 mm
• D · Plattform ×2 — Wellpappe 3 mm
• E · Führungshalme (Hülsen) ×2 — Strohhalm Ø 5–6 mm
• F · Oberer Querträger ×3 — Wellpappe 3 mm
• G · Halter der Steuerspritze ×2 — Wellpappe 3 mm
• H · Klötze für die Führungen ×4 — Wellpappe 3 mm
• I · Senkrechte Führungen ×2 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• J · Schlauch ×1 — Silikonschlauch 4 × 6 mm

Schritt für Schritt

1. Bau die Grundplatte

   Schneide zwei Rechtecke von 240 × 160 mm (A) aus und klebe sie mit Bastelkleber zusammen, Kartonwellen über Kreuz. Beschwere sie 10 Minuten lang. Zeichne mit der Vorlage das Quadrat der Säule, die zwei Löcher der Führungen und die Halter an.

   Prüfe: Die Grundplatte ist flach und biegt sich nicht, wenn du sie an einer Ecke hochhebst.

2. Bau die Säule Erwachsene

   Schneide Teil B auf die Höhe L + 40 mm zu (135 mm bei 20 ml) und den unten offenen Schlitz von 10 × 30 mm. Rille die 4 Falze, falte ein Vierkantrohr von 40 × 40 mm und klebe die Klebelasche innen fest. Klebe es noch nicht auf die Grundplatte.

   Prüfe: Die Säule steht gerade, und der Schlitz ist unten an der rechten Seite.

3. Setz den Deckel auf Erwachsene

   Schneide den Deckel C mit 50 × 50 mm und einem Loch von Ø 24 mm aus (Außendurchmesser deiner Spritze + 1 mm). Klebe ihn mittig auf die obere Öffnung der Säule.

   Prüfe: Der Spritzenkörper geht durch das Loch, und die Griffplatte liegt auf dem Deckel auf.

4. Fülle Schlauch und Steuerspritze unter Wasser Erwachsene

   Leg den 40-cm-Schlauch in die Schüssel mit gefärbtem Wasser und drück ihn zusammen, bis keine Blasen mehr kommen. Tauch die Steuerspritze ein, fülle sie blasenfrei bis 20 ml und steck sie, ohne sie aus dem Wasser zu nehmen, auf ein Ende des Schlauchs. Nimm beides aus der Schüssel, das freie Schlauchende nach oben und mit dem Finger zugehalten: Die Hubspritze wird noch nicht angeschlossen.

   Tipp: Siehst du eine Blase in der Spritze, halte sie mit der Spitze nach oben, klopf leicht dagegen und drück, bis die Blase draußen ist.

5. Führ den Schlauch durch die Säule und schließ die Hubspritze an Erwachsene

   Die Säule ist noch nicht auf die Grundplatte geklebt: Steck das freie Schlauchende durch ihre untere Öffnung, leg das untere Stück in den Schlitz (er ist unten offen) und zieh etwa 10 cm Schlauch durch das Loch im Deckel heraus. Halte dieses Ende und die Hubspritze in ein großes Glas mit Wasser, die Säule bleibt draußen und trocken; drück den Kolben der Hubspritze ganz hinein und steck sie auf den Schlauch, ohne sie aus dem Wasser zu nehmen. Trockne alles ab.

   Prüfe: Drück die Steuerspritze 2 cm: Die Hubspritze fährt 2 cm aus. Zieh an der Steuerspritze: Die Hubspritze fährt wieder ein. Gibt es mehr als 2–3 mm Spiel, ist Luft drin: Wiederhole es unter Wasser.
   Tipp: Der Schlauch muss durch die Säule, bevor du die Hubspritze anschließt: Mit einer Spritze an jedem Ende passt er nicht mehr hindurch, weil die Griffplatte nicht durch das 24-mm-Loch geht.

6. Sichere die Verbindungen

   Wickle jede Verbindung zwischen Schlauch und Spritzenspitze 2-mal fest mit Gewebeband oder Isolierband, damit sie sich beim Drücken nicht löst.

7. Steck die Spritze in die Säule

   Lass die leere Hubspritze (Kolben ganz drin) mit der Spitze nach unten durch das Loch im Deckel hinab, während du vorsichtig am Schlauch beim Schlitz ziehst, bis die Griffplatte auf dem Deckel aufliegt. Befestige die Griffplatte mit zwei Klebestreifen am Deckel.

   Prüfe: Der Schlauch kommt in einem sanften Bogen aus dem Schlitz, ohne Knick, und ist nicht straff gespannt.

8. Klebe die Säule auf die Grundplatte Erwachsene

   Stell die Säule auf ihr Quadrat auf der Grundplatte, mit dem Schlitz nach rechts, und klebe sie außen an allen 4 Seiten mit einer Raupe Heißkleber fest.

9. Setz die Führungen ein Erwachsene

   Klebe die Klötze H auf die Löcher der Führungen (2 pro Loch). Schneide die Spitzen der Spieße ab, steck sie in die Löcher, bis sie die untere Lage berühren, und fixiere sie mit einem Tropfen Heißkleber.

   Prüfe: Schau die Spieße von vorn und von der Seite an: Sie stehen senkrecht und 80 mm auseinander.

10. Bereite die Plattform vor Erwachsene

    Klebe die zwei Lagen D mit gekreuzten Kartonwellen zusammen. Kürze 2 Eisstiele auf 100 mm und klebe sie unten parallel und mittig auf die Linien bei 28 und 72 mm: So bleibt die Mitte für den Kolben frei, und die Löcher bleiben offen. Steck die zwei Strohhalmstücke E in die 6,5-mm-Löcher, sodass sie unten 25 mm überstehen, und klebe sie mit Heißkleber fest.

    Prüfe: Die Eisstiele stehen nicht über die Plattform hinaus, und zwischen ihnen passt der Kolbenkopf hinein (34 mm frei).

11. Setz die Plattform ein Erwachsene

    Fädle die Strohhalme der Plattform auf die Spieße und schieb sie hinunter, bis sie auf dem Kolbenkopf aufliegt. Klebe die Mitte der Plattform mit einem kräftigen Punkt Heißkleber auf den Kolbenkopf.

    Prüfe: Die Plattform liegt waagerecht und gleitet an den Spießen auf und ab, ohne zu klemmen.

12. Setz den Querträger auf Erwachsene

    Klebe die 3 Lagen des Querträgers F zusammen und steck ihn auf die Spitzen der Spieße. Fixiere ihn mit einem Tropfen Heißkleber an jedem Loch.

13. Befestige die Steuerspritze Erwachsene

    Klebe die zwei Halter G hochkant auf ihre Markierungen. Leg die Steuerspritze waagerecht in die Kerben, mit der Spitze zur Säule, und halte sie an jedem Halter mit einem Gummiband fest. Leg den überschüssigen Schlauch in einem sanften Bogen.

    Tipp: Du kannst sie auch lose lassen und mit der Hand bedienen: So gehen die Experimente leichter.

14. Test ohne Last

    Drück den Steuerkolben langsam von 20 ml auf 0 ml. Die Plattform soll gleichmäßig etwa 6 cm hochfahren. Zieh ihn zurück, und die Plattform fährt hinunter.

    Prüfe: Für jeden Zentimeter am Steuerkolben fährt die Plattform 1 cm hoch (gleiche Spritzen).

15. Heb eine Last

    Stell eine Spielfigur oder ein Glas von 200–500 g auf die Plattform und drück noch einmal. Fährt sie ruckartig hoch oder sackt sie von allein etwas ab, ist Luft drin oder es gibt ein Leck: Prüfe die Verbindungen.

Funktioniert es? Der Test

Stell ein Lineal senkrecht neben die Plattform. Drück den Steuerkolben in 2-ml-Schritten und notiere, wie weit die Plattform hochfährt. Wiederhole das mit einem 500-g-Glas darauf.

Was passieren soll: Mit zwei 20-ml-Spritzen fährt die Plattform ≈ 3 mm pro ml hoch (insgesamt etwa 6 cm), gleichmäßig und ohne Ruckeln. Mit 500 g darauf fährt sie genauso hoch; das Drücken ist nur etwas schwerer (≈ 5 N mehr Kraft).

Wenn etwas nicht klappt

• Die Plattform fährt ruckartig oder verzögert hoch — Luftblasen im Kreislauf: Die Luft wird zusammengedrückt, bevor sie schiebt. Lösung: Halte die Steuerspritze und das Schlauchende in ein Glas Wasser, zieh die Spritze ab, drück und zieh mehrmals mit der Spitze nach oben, um die Blasen herauszubekommen, und steck sie gefüllt wieder an, ohne sie aus dem Wasser zu nehmen. Ist die Blase in der Hubspritze, schneide den Heißkleber am Querträger F durch und nimm ihn ab, löse die Plattform vom Kolbenkopf und zieh sie oben von den Spießen; dann löse die Griffplatte und zieh die Hubspritze durch den Deckel heraus. Zieh sie ab und steck sie in einem Glas Wasser wieder an wie in Schritt 5 (der Schlauch steckt schon in der Säule), und bau Hubspritze, Plattform und Querträger wieder ein (Schritte 7, 11 und 12).
• An der Verbindung tritt Wasser aus — Schlauch zu weit für die Spritzenspitze. Lösung: Wickle Teflonband um die Spitze, bevor du den Schlauch aufsteckst, oder nimm Schlauch mit 3 mm Innendurchmesser. Sichere mit Gewebeband oder Kabelbinder.
• Das Drücken ist auch ohne Last sehr schwer — Schiefe Plattform, die an den Führungen reibt, oder schwergängige Kolben. Lösung: Prüfe, ob die Spieße parallel stehen (der Querträger hält sie auf 80 mm). Reiben die Strohhalme, weite sie mit einem Bleistift. Probier eine leichtgängigere Spritze.
• Sie fährt nicht die vollen 6 cm hoch — Die Steuerspritze war nicht auf 20 ml gefüllt, oder es ist Luft drin. Lösung: Zieh die Steuerspritze ab, während das Schlauchende in einem Glas Wasser ist, fülle sie bei leerer Hubspritze (Plattform unten) bis 20 ml und steck sie wieder an, ohne sie aus dem Wasser zu nehmen.
• Der Schlauch knickt in der Säule ab und das Wasser kommt nicht durch — Säule zu niedrig: Es ist kein Platz für den Bogen des Schlauchs. Lösung: Mach die Säule 1–2 cm höher (L + 50 mm) oder nimm Silikonschlauch, der sich biegt, ohne abzuknicken.
• Die Plattform löst sich beim Herunterfahren vom Kolben — Zu wenig Klebefläche. Lösung: Klebe eine Pappscheibe von 30 mm auf den Kolbenkopf und dann die Plattform mit mehr Heißkleber auf diese Scheibe.

Sicherheit

• Nimm nur Spritzen ohne Nadel. Wenn du in der Apotheke kaufst, verlange Spritzen ohne Nadel, oder ein Erwachsener entfernt die Nadel und entsorgt sie in einem geeigneten Behälter.
• Trink das gefärbte Wasser nicht und ziel mit den Spritzen nicht aufs Gesicht: Wenn sich der Schlauch löst, kann der Strahl mit Kraft herausschießen.
• Heißkleber und Cuttermesser sind für den Erwachsenen.
• Die Spitzen der Spieße stechen: Schneide sie ab, bevor du sie einsteckst.
• Wisch verschüttetes Wasser auf, damit niemand ausrutscht, und leere den Kreislauf am Ende, wenn er tagelang nicht benutzt wird.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Versuch mal, eine Wasserbombe zusammenzudrücken: Das Wasser lässt sich nicht kleiner machen, es weicht an einer anderen Stelle aus. Deshalb schrumpft das Wasser nicht, wenn du den Kolben drückst: Es fließt durch den Schlauch und schiebt den anderen Kolben, der die Plattform hebt. Das ist, als würdest du eine Reihe Murmeln in einem Rohr schieben: Du schiebst eine hinein, und am anderen Ende kommt eine heraus. Ist Luft drin, wird die Luft wie ein Kissen zusammengedrückt, und deshalb ruckelt der Aufzug.

Für Erwachsene

Das pascalsche Prinzip besagt, dass sich eine Druckänderung in einer eingeschlossenen Flüssigkeit vollständig auf die ganze Flüssigkeit überträgt. Die Kraft F₁ auf den Steuerkolben mit der Fläche A₁ erzeugt einen Druck p = F₁/A₁, der auf den Hubkolben wirkt: F₂ = p·A₂ = F₁·(A₂/A₁). Da Wasser praktisch inkompressibel ist (Kompressionsmodul ≈ 2,2 GPa), ist das verdrängte Volumen gleich: A₁·x₁ = A₂·x₂. Bei zwei gleichen 20-ml-Spritzen (A ≈ 3,1 cm²) ist das Verhältnis 1:1. Eine Last von 500 g (≈ 4,9 N) bedeutet nur ≈ 16 kPa, weit unter dem, was die Verbindungen aushalten; der größte Teil der Kraft, die du spürst, ist die Reibung der beiden Kolbendichtungen (je 2–5 N). Hätte der Hubkolben die dreifache Fläche (zum Beispiel Steuerspritze 5 ml und Hubspritze 20 ml ≈ 1:3), würdest du mit derselben Handkraft das Dreifache heben, aber nur ein Drittel des Weges: Die Arbeit F·x bleibt erhalten, abzüglich der Verluste. Luft dagegen wird nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte (p·V = konstant) zusammengedrückt, sodass eine Blase wie eine Feder wirkt: Sie speichert Energie, verzögert die Bewegung und verursacht Ruckeln. Die Führungen nehmen Freiheitsgrade weg: Ohne sie könnte sich die Plattform drehen oder kippen und den Kolben seitlich belasten, was die Reibung erhöht.

• Hydraulik: Technik, die Flüssigkeiten nutzt, um Kraft und Bewegung zu übertragen.
• Druck: Kraft, die auf eine Fläche verteilt ist.
• Kolben: Teil, das sich in einem Zylinder bewegt und die Flüssigkeit schiebt.
• inkompressibel: lässt sich nicht so zusammendrücken, dass es weniger Platz braucht, wie Wasser.
• Führung: Teil, das ein anderes zwingt, sich nur in eine Richtung zu bewegen.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut Säule und Führungen und füllt den Kreislauf. Das Kind verziert, klebt die Plattform mit Bastelkleber, färbt das Wasser und bedient den Aufzug, indem es Figuren hochfährt. Botschaft: „Das Wasser schiebt.“
• 8–10 Jahre: Die Kinder bauen das Gestell und füllen den Kreislauf mit Hilfe unter Wasser. Lass sie selbst herausfinden, was passiert, wenn eine Blase drin ist, und wie man sie herausbekommt.
• 11–12 Jahre: Kompletter Bau und Messung: Tabelle ml gegen mm Hub und Experiment mit der 5-ml-Spritze, dabei das Flächenverhältnis aus dem Innendurchmesser jeder Spritze berechnen (A = π·r²).

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt, ein Aufzug pro Team (≈ 2–3 € für Spritzen und Schlauch pro Team). Vorher: Grundplatten, Säulen und Plattformen mit dem Cuttermesser zuschneiden und an einer gemeinsamen Station 2–3 Schüsseln mit gefärbtem Wasser und Küchenpapier bereitstellen. Einheit von 90 min: 10 min Vorführung des Prinzips mit zwei losen Spritzen, 60 min Bauen (gefüllt wird abwechselnd an der Wasserstation mit einem Erwachsenen), 20 min Wettbewerb, wer das größte Gewicht hebt. Halte Ersatzspritzen und -schlauch bereit.

Challenges

• Lass die Plattform mit 20-ml-Spritzen 10 cm hochfahren (Tipp: zwei Steuerspritzen, verbunden mit einem T-Stück).
• Bau eine Bremse ein: eine Wäscheklammer, die den Schlauch abklemmt und die Plattform mit Last oben hält.
• Bau eine Tür, die sich mit einer weiteren Spritze öffnet, wenn der Aufzug oben ankommt.
• Heb 1 kg mit so wenig Kraft wie möglich und miss diese Kraft mit einer Küchenwaage.

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
• Seilzugkran mit Kurbelwinde
• Spiral-Wasserheber
• Tisch, der zu schweben scheint
• Baggerarm mit Spritzen
• Kettenreaktion auf dem Tisch
• Kran mit Zahnrad und Ritzel

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