Luftring-Kanone

Was das Kind lernt

• Dass Luft Materie ist: Sie hat eine Masse, lässt sich schieben und kann aus der Entfernung Dinge umwerfen.
• Was ein Wirbelring ist: Die Luft, die am Rand des Lochs austritt, wird gebremst, rollt sich ein und bildet einen sich drehenden Donut, der viel weiter fliegt als ein Pusten.
• Dass die Größe des Lochs im Verhältnis zum Karton wichtig ist: Mit einem Loch von 1/3 der Kartonseite entstehen die besten Ringe.
• Unsichtbares mit Rauch sichtbar zu machen und die Reichweite fair zu messen.

Vorher vorbereiten

• Drucke Vorlage A (Loch Ø 100 mm) und B (Adapter Ø 60 mm) mit 100 % und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile jedes Blatts.
• Wähle einen Flur oder Raum mit 4–5 m freier Fläche und ohne Zugluft (Fenster schließen).
• Wenn du Räucherstäbchen verwendest, nimm den Rauchmelder vorübergehend ab oder deck ihn ab (und bring ihn danach wieder an) und sorge dafür, dass du am Ende ein Fenster zum Lüften öffnen kannst.
• Klebe auf dem Boden Markierungen bei 1, 2, 3, 4 und 5 m ab der Schusslinie.

Materialien und Werkzeuge

• Mittelgroßer Pappkarton — 1
  25–40 cm Seitenlänge, möglichst fast würfelförmig (z. B. 30 × 30 × 30 cm), in gutem Zustand und ohne Löcher
• Großer Müllbeutel — 1
  50 × 60 cm oder größer, dünne Folie (20–30 µm), ohne Löcher
• Gewebeband oder Paketband — 1 Rolle
  5 cm breit, zum Abdichten der Fugen und Befestigen der Membran
• Große Gummibänder — 2
  15–20 cm Umfang; sie wirken als Feder: Sie bringen die Membran nach jedem Schlag wieder in Position
• Papp- oder dünne Plastikbecher — 6–10
  leicht, je 2–4 g
• Räucherstäbchen — 1 (optional)
  um den Ring sichtbar zu machen; ein Erwachsener zündet es an
• A4-Blatt und Klebestift — 1
  für die Lochvorlage

Werkzeuge

• Cuttermesser und Schneidematte — das Loch und die Rückseite ausschneiden Erwachsene
• Zirkel oder Vorlage Ø 100 mm — das Loch schön rund anzeichnen
• Schere — die Membran zuschneiden und den Lochrand nacharbeiten
• Maßband, 5 m — die Reichweite messen
• Feuerzeug (nur für das Räucherstäbchen) — das Räucherstäbchen anzünden Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Vorlage für das Hauptloch ×1 — Papier (Vorlage zum Anzeichnen)
• B · Adapter für kleines Loch ×1 — dünner Karton (Müslischachtel) oder Fotokarton 300 g
• C · Vorderseite des Kartons ×1 — Karton des Kartons selbst
• D · Membran ×1 — Folie eines Müllbeutels
• E · Griff ×1 — Gewebeband

Schritt für Schritt

1. Schließe und dichte den Karton ab

   Schließe alle Klappen des Kartons und klebe Klebeband auf alle Fugen und Ecken, auch an der Unterseite (die Seite, die auf dem Tisch steht). Jede Ritze lässt Luft entweichen und schwächt den Ring.

   Prüfe: Drück den Karton nah am Ohr mit beiden Händen zusammen: Es darf keine Luft durch die Fugen zischen.

2. Markiere das Loch

   Zeichne auf der Vorderseite mit dem Lineal die beiden Diagonalen, um die Mitte zu finden. Lege Vorlage A mittig darauf und zeichne den 100-mm-Kreis.

3. Schneide das Loch aus Erwachsene

   Ein Erwachsener schneidet den Kreis mit dem Cuttermesser aus, mit kurzen Schnitten entlang der Linie. Arbeite Zacken oder Fasern mit der Schere nach, damit der Rand glatt und rund wird.

   Prüfe: Der Rand darf keine Einbuchtungen oder Kartonlappen haben: Fahr mit dem Finger darüber, er muss glatt sein.

4. Öffne die Rückseite Erwachsene

   Zeichne auf der Rückseite (gegenüber dem Loch) ein Quadrat, sodass an allen 4 Seiten ein Rahmen von 20 mm bleibt. Ein Erwachsener schneidet es mit dem Cuttermesser aus und nimmt es heraus. Der Rahmen gibt Stabilität und dient als Auflage für die Membran.

5. Schneide die Membran zu

   Schneide den Müllbeutel an den Seiten auf und schneide ein Quadrat von 360 × 360 mm (D) aus, ohne Falten oder Löcher.

6. Klebe die Membran locker auf

   Lege die Membran mittig auf die offene Rückseite: Sie bedeckt den Rahmen, und an jeder Seite stehen etwa 2–3 cm über, die auf die Seitenwände umgeschlagen werden. Klebe diesen Überstand an allen 4 Seiten mit Gewebeband an die Wände und lass die Mitte 2–3 cm locker (sie soll sich mit der Hand eindrücken lassen). Dichte den ganzen Rand lückenlos ab.

   Prüfe: Drück die Mitte der Membran mit der Handfläche: Sie muss 2–3 cm nachgeben, und aus dem Loch kommt Luft (halte die andere Hand davor und spüre den Luftstoß).

7. Bring den Griff an

   Klebe ein Quadrat Gewebeband von 80 × 80 mm in die Mitte der Membran und darauf einen 150-mm-Streifen, zur Schlaufe gefaltet (E). Zieh die 2 Gummibänder durch die Schlaufe, eins nach links und eins nach rechts, und klebe ihre Enden mit Klebeband an die Seitenwände, 2–3 cm vom hinteren Rand, leicht gespannt: Der Beutel geht nicht von selbst zurück, und die Gummibänder setzen ihn nach jedem Schlag zurück.

   Prüfe: Drück die Mitte mit der Hand ein und lass los: Die Gummibänder müssen die Membran in weniger als 1 Sekunde zurückholen. Wenn nicht, spanne sie etwas stärker.

8. Bau das Ziel auf

   Stapele eine Pyramide aus 6 Pappbechern (3 unten, 2 in der Mitte, 1 oben) auf einem Tisch oder einer Kiste, auf Höhe des Lochs und in 2 m Entfernung.

9. Schieß

   Stell den Karton auf einen Tisch und ziel auf das Ziel. Gib mit der Handfläche einen kurzen, kräftigen Schlag auf die Mitte der Membran (oder zieh den Griff 4–5 cm heraus und lass ihn schnell los). Lass die Hand nicht liegen. Warte vor dem nächsten Schlag, bis die Gummibänder die Membran zurückgeholt haben.

   Prüfe: Halte in 1 m Entfernung die Hand davor: Du musst ein gebündeltes „Puff“ Luft spüren, keinen diffusen Luftzug.
   Tipp: Schlag kurz und kräftig, wie auf eine Trommel. Ein langsames Drücken bläst Luft hinaus, bildet aber keinen Ring.

10. Stell das Ziel weiter weg

    Wenn die Becher fallen, stell sie 50 cm weiter weg und wiederhole. Finde die größte Entfernung, bei der sie noch fallen: Mit einem 30-cm-Karton liegt sie meist zwischen 3 und 5 m.

11. Mach ihn sichtbar (mit einem Erwachsenen) Erwachsene

    Ein Erwachsener zündet ein Räucherstäbchen an und hält es 30 Sekunden durch das Loch, bis der Karton voller Rauch ist. Halte die Hand vor das Loch, nimm sie weg und gib sanfte Schläge: Du siehst Rauchringe von etwa 12 cm fliegen.

    Tipp: Mit Licht von der Seite (eine Taschenlampe von der Seite) und dunklem Hintergrund sieht man sie viel besser. Lüfte danach.

Funktioniert es? Der Test

Pyramide aus 6 Pappbechern auf Höhe des Lochs. Schieß aus 1, 2, 3, 4 und 5 m, je 3 Schläge pro Entfernung.

Was passieren soll: Mit einem 30-cm-Karton und einem 10-cm-Loch wirft der Ring die Pyramide auf 2–3 m sicher um und manchmal auch auf 4–5 m. Er pustet auch eine Kerze auf 1,5–2 m aus (Erwachsener). Die Rauchringe sehen aus wie Donuts von 10–15 cm, die mit etwa 2–4 m/s fliegen.

Wenn etwas nicht klappt

• Am Ziel kommt nichts an — Luftlecks an den Fugen oder am Rand der Membran. Lösung: Dichte alle Ecken und den Rand der Membran erneut mit Klebeband ab; teste, indem du den Karton neben dem Ohr zusammendrückst.
• In der Nähe spürt man Luft, aber auf 2 m nichts — Langsamer Schlag (Drücken) oder zu straffe Membran, die wenig Luft bewegt. Lösung: Kurzer, kräftiger Schlag, oder am Griff ziehen und loslassen. Ist die Membran zu straff, löse sie und klebe sie mit 2–3 cm Spiel neu auf.
• Der Ring weicht ab oder löst sich auf — Unregelmäßiger Lochrand oder Zugluft im Raum. Lösung: Arbeite den Rand nach, damit er glatt und rund ist; schließ Türen und Fenster und schalte Ventilatoren aus.
• Er trifft immer daneben — Schlag nicht mittig oder Karton schlecht ausgerichtet. Lösung: Schlag auf die Mitte der Membran und ziele mit einem Stück Klebeband oben auf dem Karton als „Kimme“.
• Die Membran ist gerissen — Schläge mit den Fingern oder Fingernägeln. Lösung: Schlag mit der flachen Hand auf die Klebeband-Verstärkung in der Mitte; tausch die Membran aus, wenn sie ein Loch hat.
• Mit Rauch ist der Ring nicht zu sehen — Zu wenig Rauch oder Licht von vorn. Lösung: Füll den Karton 30–60 s lang, beleuchte von der Seite und sorge für einen dunklen Hintergrund; schlag sanfter, damit er langsamer austritt.
• Nach dem ersten Schlag bleibt die Membran eingedrückt, und der nächste Schuss ist schwach — Die Beutelfolie ist nicht elastisch: Sie geht nicht von selbst zurück. Lösung: Spanne die 2 Gummibänder aus Schritt 7 leicht zwischen Griff und Seitenwänden; ohne Gummibänder zieh vor jedem Schlag sanft am Griff nach außen.

Sicherheit

• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, auf einer Schneidematte.
• Das Räucherstäbchen zündet ein Erwachsener an und hantiert damit, weit weg von Vorhängen und Papier; lösch es in einem Glas mit Sand oder Wasser. Lüfte danach und benutze es nicht, wenn Menschen mit Asthma in der Nähe sind.
• Wenn du den Rauchmelder abnimmst oder abdeckst, bring ihn wieder an, sobald du fertig bist.
• Ziel nie aus weniger als 1 m auf das Gesicht einer anderen Person: Der Luftstoß ist harmlos, aber der Rauch reizt die Augen.
• Wenn du die Kerzen-Challenge machst, beaufsichtigt ein Erwachsener die Kerze, und sie steht auf einem Teller, weit weg vom Karton.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn du auf die Membran schlägst, drückst du die Luft im Karton auf einmal zusammen, und sie schießt durch das Loch hinaus. Die Luft in der Mitte kommt schnell heraus, aber die Luft, die am Lochrand entlangstreift, wird gebremst und dreht sich um, wie eine Welle, die sich bricht. So entsteht ein Luft-Donut, der sich um sich selbst dreht und sehr weit fliegt, ohne zu zerfallen, wie ein rollender Reifen. Du siehst ihn nicht, aber wenn er bei den Bechern ankommt, wirft er sie um! Mit Rauch im Karton wird der Donut sichtbar.

Für Erwachsene

Beim Schlag auf die Membran wird schlagartig ein Luftvolumen (≈ 2–3 L) durch die Öffnung ausgestoßen. Am Lochrand wird die Luftschicht, die den Karton berührt, gebremst (Grenzschicht) und löst sich als Wirbelschicht ab, die sich aufrollt: Es entsteht ein Wirbelring, eine torusförmige Struktur, in der die Luft um eine kreisförmige Achse rotiert. Diese Rotation erzeugt am Ring selbst eine Vorwärtsgeschwindigkeit, und die mitgeführte Luft reist „verpackt“ und vermischt sich kaum mit der Umgebung; deshalb behält sie ihren Impuls über Entfernungen von vielen Ringdurchmessern, anders als ein Strahl, der sich sofort verteilt. Ringe bilden sich am besten, wenn die Länge des ausgestoßenen Luftkolbens etwa das 4-Fache des Lochdurchmessers beträgt („Formationszahl“ ≈ 4): Bei D = 10 cm sind das ≈ 40 cm Säule, also etwa 3 L. Deshalb funktionieren ein Loch von etwa 1/3 der Kartonseite und eine lockere Membran, die viel Volumen verdrängt, besser als eine straffe Membran. Ein kleineres Loch ergibt schnellere, schmalere Ringe mit weniger Masse; ein größeres langsame Ringe, die früher zerfallen. Viskosität und Turbulenz bremsen den Ring nach und nach, sodass die nutzbare Reichweite bei etwa 30–50 Durchmessern liegt.

• Wirbel: Luft oder Wasser, das sich um eine Achse dreht, wie ein Strudel.
• Wirbelring: donutförmiger Wirbel, der fliegt, ohne zu zerfallen.
• Membran: dünne, biegsame Schicht, die beim Draufschlagen die Luft schiebt.
• Impuls: kurzer, kräftiger Stoß, der etwas in Bewegung setzt.
• Masse der Luft: Luft wiegt etwas (1 Liter ≈ 1,2 g) und kann deshalb Dinge schieben.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet das Loch und die Rückseite aus. Das Kind dichtet mit Klebeband ab, klebt die Membran auf, baut die Pyramide und schießt. Konzentriere dich auf „Luft schiebt“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer Cuttermesser und Räucherstäbchen. Sie messen die Reichweite mit dem Maßband und vergleichen die beiden Löcher.
• 11–12 Jahre: Sie berechnen das Volumen des Kartons und die ausgestoßene Luft (Membranfläche × Eindrücktiefe ÷ 3), messen die Geschwindigkeit des Rings per Zeitlupenvideo und testen verschiedene Lochdurchmesser.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams von 3–4 Kindern, ein Karton pro Team (6–8 Kartons). Vor der Einheit: ähnliche Kartons sammeln, Löcher und Rückseiten ausschneiden und Vorlagen drucken. Einheit von 60 min: 10 min Vorführung mit Rauch (nur der Erwachsene, ein einziger Karton), 25 min Bauen, 25 min „Schießbude“ auf dem Schulhof oder in der Turnhalle mit Pyramiden auf 1, 2, 3 und 4 m und einer Punktetabelle pro Team.

Challenges

• Wirf eine Pyramide aus 10 Bechern auf 3 m mit einem einzigen Schuss um.
• Bau eine Kanone aus einer Mülltonne oder einem 60-cm-Karton mit 20-cm-Loch.
• Schieß zwei Ringe direkt hintereinander und schaff es, dass der zweite den ersten einholt.
• Puste eine Kerze auf 2 m aus (ein Erwachsener beaufsichtigt die Flamme).
• Entwirf ein Ziel, das sich wie ein Windrad dreht, wenn der Ring es trifft.

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Flaschentaucher
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserfilter in Schichten
• Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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