Magnetgesteuerter Schlitten des Weihnachtsmanns

Was das Kind lernt

• Dass die Kraft eines Magneten durch Karton, Papier, Holz oder Kunststoff hindurchgeht, ohne sie zu berühren: Das Magnetfeld braucht keinen Weg aus Material.
• Dass nur manche Metalle an einem Magneten haften (Eisen, Stahl, Nickel): Sie heißen ferromagnetisch. Aluminium, Kupfer und Karton nicht.
• Dass sich zwei Magnete mit entgegengesetzten Seiten anziehen und mit gleichen Seiten abstoßen, und wie man herausfindet, welche Seite wohin gehört, ohne Nord und Süd zu kennen.
• Dass die Kraft eines Magneten mit dem Abstand sehr schnell abnimmt: beim doppelten Abstand viel weniger als die Hälfte der Kraft. Man prüft es, indem man Kartonlagen zählt.
• Warum sich ein Gegenstand, der von vorn gezogen wird, von selbst gerade ausrichtet wie ein Anhänger, und deshalb sitzt der Magnet des Schlittens vorn.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % („tatsächliche Größe“) und prüfe mit dem Lineal, dass das 50-mm-Quadrat 50 mm misst. Platte A passt nicht auf A4: Zeichne sie direkt mit dem Lineal (400 × 300 mm).
• Such dir ebenen Karton: Bei Platte A müssen die Kartonwellen entlang der 400 mm verlaufen (dann biegt sie sich zwischen den Beinen nicht durch), bei den Beinen B entlang der 300 mm.
• Nimm nur 2 Magnete aus der Packung und bewahre die übrigen in ihrem Tütchen auf, verschlossen und außer Reichweite kleiner Kinder. Zähle die Magnete zu Beginn und am Ende der Einheit.
• Lege Handy, Bankkarten und Uhren mehr als 10 cm vom Arbeitstisch weg.
• Wenn du einen Kartondeckel als Platte nimmst, schneide vorher in die vordere und in die hintere Kante je einen Bogen von 100 × 40 mm, damit der Stab darunter hineinpasst.
• Für Gruppen: Schneide Platten, Beine, Stäbe mit Loch und Häuschen vorher selbst zu und klebe die Magnete in jeden Stab selbst ein.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Platte 40 × 30 cm + 2 Stücke 30 × 20 cm + 1 Streifen 35 × 4 cm + Reste für 4 Häuschen (≈ 25 × 20 cm)
  einwellig, 3–4 mm, von einem Versandkarton, eben und nicht zerdrückt
• Neodym-Scheibenmagnete — 2 (+2 als Ersatz) kaufen
  Ø 10 × 3 mm, Güte N35 oder höher (jeder hält laut Verkäufer ≈ 1,5 kg an einer Stahlplatte)
• Weißes Papier — 1 A3-Blatt (oder 2 A4)
  normales 80-g-Papier: Es ist der Schnee und bildet die glatte Fläche, auf der der Schlitten gleitet
• Roter Fotokarton — 1 Stück 20 × 15 cm
  160–200 g/m², für den Schlitten und die 2 Kufen
• Grüner Fotokarton — 1 A4
  160–200 g/m², für 4 Bäume (8 Hälften von 60 × 80 mm)
• Weißer oder bunter Fotokarton — 1 Stück 15 × 10 cm
  160–200 g/m², für den Weihnachtsmann und die 8 Geschenke von 15 × 15 mm
• Durchsichtiges Paketklebeband — ≈ 30 cm
  48 mm, glatt: Es kommt unter den Schlitten, damit er gleitet, und über die Magnete, um sie zu halten
• Bastelkleber (Weißleim) — ≈ 20 ml
  Schul- oder Holzleim, für die Beine, die Häuschen und die Bäume
• Klebestift — 1
  zum Aufkleben des Schneepapiers und der Vorlagen
• Klebeband — ≈ 1 m
  Malerkrepp oder durchsichtig, 19 mm, für die Ecken des Schlittens und zum Festhalten beim Trocknen
• Filzstifte — 1 grauer oder hellblauer + 1 schwarzer + Farben
  für den Weg, Türen und Fenster, den Weihnachtsmann und zum Markieren der Magnetseiten
• Für die Experimente — 2 Büroklammern aus Metall, 1 Deckel eines Schraubglases (aus Stahl), 1 Stück Alufolie, 1 Lineal
  die Büroklammern müssen aus Stahl sein (ein Magnet zieht sie an); kunststoffummantelte oder bunte gehen auch, wenn innen Stahl ist
• Watte oder weiße Temperafarbe (optional) — ein wenig
  für Schnee auf den Dächern

Werkzeuge

• Cuttermesser mit Metalllineal und Schneidematte — Platte, Beine, Stab und Häuschen aus Wellpappe schneiden Erwachsene
• Schere — die Fotokartonteile ausschneiden: Schlitten, Kufen, Bäume, Weihnachtsmann und Geschenke
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — das 10-mm-Loch im Stab vorstechen Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber und Lineal — die Falzlinien von Beinen, Stab und Schlitten rillen
• Heißklebepistole (optional) — die Magnete (ein Punkt) und die Häuschen schneller befestigen Erwachsene
• Stoppuhr (die im Handy) — die Zeit beim Geschenke-Verteilspiel messen; halte das Handy mehr als 10 cm von den Magneten fern

Teile und Vorlagen

• A · Platte (verschneites Dorf) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Bein (Röhre 40 × 50 mm) ×2 — Wellpappe 3 mm
• C · Hausfront (mit Schornstein) ×4 — Wellpappe 3 mm
• D · Stütze des Häuschens ×4 — Wellpappe 3 mm
• E · Baum: Hälfte mit Schnitt von der Spitze ×4 — grüner Fotokarton 160–200 g/m²
• F · Baum: Hälfte mit Schnitt vom Stamm ×4 — grüner Fotokarton 160–200 g/m²
• V · Stab (mit dem Magneten an der Spitze) ×1 — Wellpappe 3 mm
• T · Schlitten (Abwicklung) ×1 — roter Fotokarton 160–200 g/m²
• P · Kufe ×2 — roter Fotokarton 160–200 g/m²
• N · Weihnachtsmann ×1 — weißer Fotokarton 160–200 g/m²
• G · Geschenk ×8 — bunter Fotokarton 160–200 g/m²
• K · Testquadrat (Experimente) ×4 — Wellpappe 3 mm

Schritt für Schritt

1. Schneide Platte und Beine zu Erwachsene

   Zeichne mit dem Lineal Platte A von 400 × 300 mm, mit den Kartonwellen entlang der 400 mm, und die 2 Beine B von 300 × 195 mm, mit den Wellen entlang der 300 mm. Schneide sie mit Cuttermesser und Metalllineal auf der Schneidematte aus.

   Prüfe: Die Platte biegt sich nicht, wenn du sie an den beiden kurzen Seiten hältst: Die Wellen laufen von einer kurzen Seite zur anderen.
   Tipp: Wenn du den Deckel eines großen Kartons von etwa 40 × 30 cm hast, nimm ihn als Platte und spring zu Schritt 4: Seine Ränder sind schon die Beine (schneide die Bögen für den Stab aus).

2. Falte die Beine zu Röhren

   Rille mit dem leeren Kugelschreiber und dem Lineal die 4 Falzlinien jedes Beins B (bei 50, 90, 140 und 180 mm vom Rand) und falte sie um 90°. Gib Kleber auf die 15-mm-Klebelasche, schließ die Röhre mit der Lasche innen an der ersten Wand und halte sie beim Trocknen mit 3 Streifen Klebeband zusammen.

   Prüfe: Jedes Bein ist eine rechteckige Röhre, 300 mm lang, 40 mm breit und 50 mm hoch, die sich nicht zusammendrücken lässt, wenn du sie mit der Hand drückst.

3. Klebe die Beine unter die Platte

   Dreh Platte A um. Gib Kleber auf eine 40-mm-Seite jedes Beins und klebe sie entlang der kurzen Seiten (300 mm), die Kante des Beins bündig mit der Kante der Platte. Leg 2 Bücher darauf und lass alles 15 Minuten trocknen.

   Prüfe: Steht die Platte auf ihren Beinen, bleibt zwischen beiden ein freier Raum von 320 mm Breite und 50 mm Höhe, vorn und hinten offen.
   Tipp: Die Linien, die auf der Vorlage 40 mm von jeder kurzen Seite markiert sind, zeigen dir, wo jedes Bein endet.

4. Bedecke die Platte mit Schnee

   Streiche mit dem Klebestift über die ganze Oberseite der Platte und klebe das weiße A3-Blatt darauf (oder 2 A4-Blätter nebeneinander). Streiche es mit der Hand von der Mitte zu den Rändern glatt, damit keine Blasen oder Falten bleiben.

   Prüfe: Fahr mit der Hand darüber: Das Papier ist glatt und gut festgeklebt, ohne Beulen im Bereich zwischen den Beinen.
   Tipp: Male den Schnee nicht mit Temperafarbe an: Dadurch wird der Karton rau und der Schlitten bleibt hängen. Glattes Papier gleitet am besten.

5. Zeichne den Weg und die Lieferstellen

   Zeichne mit Bleistift einen geschlossenen Weg von 60 mm Breite (wie auf dem Plan der Platte) zwischen die beiden Beine: Komm den kurzen Seiten nicht näher als 50 mm, denn dort ist unten das Bein und der Stab kommt nicht hin. Markiere vorn in der Mitte den Start „Nordpol“ und am Rand des Wegs 4 Fußmatten von 40 × 40 mm. Zieh alles mit einem grauen oder hellblauen Filzstift nach.

   Prüfe: Der Schlitten (≈ 41 mm breit) passt mit 1 cm Spielraum auf jeder Seite auf den Weg.
   Tipp: Damit die Breite gleich bleibt, zeichne zuerst die Mittellinie und mach alle 3–4 cm auf jeder Seite eine Markierung im Abstand von 30 mm; dann verbinde sie von Hand.

6. Bau die 4 Häuschen Erwachsene

   Klebe die Vorlagen C und D auf Karton und schneide mit dem Cuttermesser 4 Fronten C (60 mm breit und 75 mm hoch, mit Schornstein) und 4 Stützdreiecke D (35 × 45 mm) aus. Zeichne Tür und Fenster, nummeriere die Häuser von 1 bis 4 und klebe jedes Dreieck aufrecht mittig hinter seine Front, mit Kleber und einem Streifen Klebeband.

   Prüfe: Jedes Häuschen steht allein und fällt nicht um, wenn du kräftig pustest.
   Tipp: Gib etwas Watte oder weiße Temperafarbe aufs Dach: Das sieht aus wie echter Schnee.

7. Bau die Bäume

   Schneide aus grünem Fotokarton 4 Hälften E und 4 Hälften F aus. Schneide bei jeder den 40-mm-Strich ein (bei E von der Spitze, bei F vom Stamm). Steck jedes F auf ein E, indem du einen Schlitz in den anderen schiebst, bis beide Unterkanten auf gleicher Höhe sind.

   Prüfe: Jeder Baum ist ein Kreuz, das von allein steht, mit 4 gleichen Ästen von oben gesehen.

8. Stell das Dorf auf

   Klebe jedes Häuschen mit Bastelkleber an den äußeren Rand des Wegs, die Tür zu seiner Fußmatte gewandt. Klebe 2 Bäume in die Mitte, innerhalb des geschlossenen Wegs. Die anderen 2 sind lose Hindernisse: Stell sie außerhalb des Wegs in die Kurven, direkt an den Rand, damit der Schlitten sie berührt, wenn er abkommt.

   Prüfe: Jede Fußmatte liegt im Weg und weniger als 50 mm von der Tür ihres Hauses entfernt, und der Schlitten fährt den ganzen Weg ab, ohne einen Baum zu berühren.
   Tipp: Die Häuschen können auf den Beinen stehen (nahe den kurzen Seiten): Dorthin muss der Schlitten nicht kommen, nur bis zu ihrer Fußmatte.

9. Schneide den Stab zu und mach das Loch Erwachsene

   Schneide Stab V von 350 × 40 mm mit den Wellen der Länge nach zu. In der markierten Hälfte, 15 mm von der Spitze, machst du das 10-mm-Loch: Stich die Mitte mit dem Vorstecher vor und weite sie, indem du die Scherenspitze drehst, bis der Magnet genau hineinpasst. Rille die Mittellinie der Länge nach mit dem leeren Kugelschreiber.

   Prüfe: Der Magnet sitzt fest und ohne Spiel im Loch und schließt bündig mit der Kartonoberfläche ab.

10. Markiere die Seiten der Magnete Erwachsene

    Bring die 2 Neodym-Magnete zusammen und lass sie von selbst aneinanderhaften, Seite an Seite. Ohne sie zu trennen, malst du mit dem schwarzen Filzstift auf jede der 2 Außenseiten ein X. Trenne sie, indem du sie seitlich verschiebst, niemals durch Ziehen: Die Seiten ohne X sind die, die sich anziehen.

    Prüfe: Hältst du die beiden Seiten ohne X aneinander, ziehen sich die Magnete an; die beiden mit X auch. Eine Seite mit X und eine ohne X stoßen sich ab.
    Tipp: Bring die Magnete langsam und seitlich zusammen und halte jeden in einer Hand: Wenn sie plötzlich zusammenschnappen, können sie dich zwicken oder absplittern.

11. Setz den Magneten in den Stab Erwachsene

    Drück einen Magneten mit dem X nach unten in das Loch des Stabs (die Seite ohne X ist oben, bündig). Gib Kleber auf die Innenseite der anderen Hälfte, falte den Stab an der Falzlinie, sodass der Magnet von unten bedeckt ist, und umwickle die Spitze 2-mal mit Paketklebeband.

    Prüfe: Der Stab misst 350 × 20 mm, der Magnet ist vom Klebeband bedeckt, und eine Büroklammer haftet an der Spitze auf der OBEN-Seite.
    Tipp: Schreib „OBEN“ auf die Seite mit dem Loch: Sie muss immer zur Platte zeigen.

12. Bau den Schlitten zusammen

    Schneide die Abwicklung T aus rotem Fotokarton aus, mit der Zeichnung zu dir. Rille die 4 grünen Falzlinien mit dem leeren Kugelschreiber und klappe die Seitenteile auf 90° hoch: die 2 Seiten von 18 mm, hinten die Lehne von 25 mm und vorn die Front von 12 mm. Verbinde jede Ecke außen mit einem 3 cm langen Streifen Klebeband.

    Prüfe: Du hast eine offene Schachtel mit einem Boden von 70 × 40 mm, die Lehne ist höher als die Seiten, und die Magnetzeichnung ist innen auf dem Boden.

13. Klebe die Kufen und das Gleitband an

    Schneide die 2 Kufen P aus und klebe je eine außen an jede Seite, mit Klebestift oder Bastelkleber: die Unterkante bündig mit dem Schlittenboden, die gebogene Spitze ragt vorn heraus. Dann beklebe den ganzen Boden von unten mit einem Stück Paketklebeband von 80 × 45 mm, schön glatt.

    Prüfe: Auf dem Tisch berührt der Schlitten ihn mit Boden und Kufen gleichzeitig und wackelt nicht; mit einem Finger angestoßen, gleitet er, ohne hängen zu bleiben.
    Tipp: Das Paketklebeband sorgt dafür, dass der Schlitten gleitet: Ohne es reiben Papier und Fotokarton doppelt so stark.

14. Klebe den Schlittenmagneten und den Weihnachtsmann ein Erwachsene

    Leg den anderen Magneten in den Schlitten, auf den Kreis 12 mm von der Front, mit dem X nach oben. Befestige ihn mit einem Punkt Heißkleber (Erwachsener) oder Bastelkleber und deck ihn mit einem Quadrat Paketklebeband von 25 × 25 mm ab. Male den Weihnachtsmann N an, knick seine Lasche und klebe sie neben der Lehne auf den Boden.

    Prüfe: Schüttle den Schlitten kopfüber: Der Magnet bewegt sich nicht. Die Seite ohne X zeigt nach unten, zur Platte.
    Tipp: Wenn du keinen zweiten Magneten hast, klebe an dieselbe Stelle eine M8-Unterlegscheibe aus Stahl oder eine große, zickzackförmig gebogene Büroklammer: Der Schlitten folgt dir trotzdem, nur mit weniger Kraft.

15. Teste die Steuerung

    Stell den Schlitten auf den Start. Schieb den Stab von vorn unter die Platte, mit der OBEN-Seite zum Karton, und führ ihn unter den Schlitten: Du spürst ein „Klack“, wenn sich die Magnete finden. Beweg ihn langsam, mit etwa 10 cm pro Sekunde, und fahr den ganzen Weg ab.

    Prüfe: Der Schlitten folgt dem Stab den ganzen Weg entlang, mit der Spitze nach vorn, und bleibt stehen, wenn du anhältst.
    Tipp: Du musst den Stab nicht nach oben drücken: Der Magnet selbst hält ihn an der Platte. Schieb ihn einfach.

16. Spiel Geschenke verteilen

    Schneide die 8 Geschenke G von 15 × 15 mm aus, male sie an und leg sie auf den Start. Lade 1 Geschenk auf den Schlitten, fahr es bis zur Fußmatte von Haus 1, kipp die Platte leicht oder schieb es mit dem Finger hinunter, um es abzuladen, und hol das nächste. Wer in der kürzesten Zeit 2 Geschenke zu jedem Haus bringt, gewinnt.

    Prüfe: Die 8 Geschenke liegen auf ihren Fußmatten (2 pro Haus) und du hast deine Zeit notiert.
    Tipp: Regeln für das Spiel in der Familie: +5 Sekunden, wenn der Schlitten einen Baum berührt oder vom Weg abkommt; löst sich der Schlitten vom Magneten, holst du ihn zurück, ohne ihn mit der Hand zu bewegen.

Funktioniert es? Der Test

Mit dem Schlitten auf dem Start und dem Stab darunter fährst du den ganzen Weg 3-mal ab: einmal langsam (etwa 10 cm/s), einmal schnell und einmal mit 2 Geschenken beladen. Danach ziehst du den Stab mit einem Ruck darunter hervor.

Was passieren soll: Der Schlitten folgt dem Stab den ganzen Weg entlang, ein wenig hinter ihm (≈ 1 cm in den Kurven), mit der Spitze in Fahrtrichtung. Fährst du zu schnell (Schätzung: mehr als 30–40 cm pro Sekunde), löst er sich und bleibt stehen: Geh wieder darunter, dann hast du ihn zurück. Mit 2 Geschenken darin klappt es genauso. Ziehst du den Stab heraus, bewegt sich der Schlitten nicht: Nichts schiebt ihn, es gab nur die Kraft des Magneten darunter.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Magnete stoßen sich ab, statt sich anzuziehen — Einer der beiden liegt verkehrt herum: Zwei gleiche Seiten schauen sich an. Lösung: Prüfe die X: Beim Stab zeigt das X nach unten, beim Schlitten nach oben (die beiden Seiten ohne X schauen sich durch den Karton an). Wenn nicht, löse den Schlittenmagneten und dreh ihn um.
• Der Schlitten bleibt zurück oder bewegt sich ruckartig — Zu viel Reibung: Der Schlittenboden oder das Papier ist rau, oder die Platte ist bemalt. Lösung: Beklebe den Schlittenboden mit glattem Paketklebeband, streiche das Schneepapier glatt und male den Weg nicht mit Temperafarbe an. Beweg den Stab langsamer.
• Der Schlitten dreht sich um sich selbst oder fährt seitwärts — Der Magnet sitzt in der Mitte oder hinten: Der Schlitten wird aus der Mitte gezogen und richtet sich nicht aus. Lösung: Setz den Magneten nach vorn, 12 mm von der Front. Wird er an der Spitze gezogen, reiht sich der Schlitten dahinter ein wie ein Anhänger.
• Der Stab erreicht manche Stellen des Wegs nicht — Der Weg führt über die Beine oder der Stab ist zu kurz. Lösung: Halte den Weg mehr als 50 mm von den kurzen Seiten entfernt. Ist die Platte größer als 40 × 30 cm, mach den Stab länger (45 cm).
• Der Schlitten bewegt sich nicht, obwohl der Stab darunter ist (mit Büroklammer oder Unterlegscheibe) — Die Büroklammer ist klein oder die Platte dick: Die Kraft reicht nicht, um ihn zu ziehen. Lösung: Nimm eine M8-Unterlegscheibe aus Stahl oder zwei Büroklammern oder steig auf den zweiten Magneten um. Prüfe, dass die Platte nur eine Lage von 3–4 mm ist.
• Die Platte biegt sich in der Mitte durch und der Stab schleift auf dem Tisch — Die Kartonwellen laufen in die falsche Richtung oder der Karton ist weich. Lösung: Klebe darunter, zwischen den Beinen und in der Mitte, einen Kartonstreifen von 300 × 40 mm mit den Wellen in der anderen Richtung, ohne den Weg des Stabs zu versperren (vorn oder hinten ankleben), oder nimm steiferen Karton.
• Der Schlittenmagnet löst sich und bleibt unten am Stab hängen — Das Klebeband hält ihn zu schwach und die Kraft des anderen Magneten reißt ihn beim Zusammenschnappen nach unten. Lösung: Klebe den Magneten mit einem Punkt Heißkleber fest (macht ein Erwachsener) und deck ihn mit Paketklebeband ab. Führ den Stab langsam und ohne Stoß an den Schlitten heran.

Sicherheit

• Neodym-Magnete: Verschluckt ein Kind 2 Magnete oder 1 Magnet und ein Stück Stahl, ziehen sie sich durch die Darmwände an und können sie durchbohren. Das ist ein Notfall, auch ohne Beschwerden: Fahr sofort ins Krankenhaus. Bewahre sie außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren und von jedem Kind auf, das Dinge in den Mund steckt.
• Die Magnete müssen immer mit Klebeband abgedeckt und im Stab und im Schlitten festgeklebt sein. Zähle die Magnete zu Beginn und am Ende und bewahre die Ersatzmagnete in ihrem verschlossenen Tütchen auf.
• Zwei Neodym-Magnete, die plötzlich zusammenschnappen, zwicken die Haut kräftig und können zerbrechen und Splitter abgeben: Bring sie seitlich und langsam zusammen, ohne die Finger dazwischen zu haben. Kein Zusammenstecken mehrerer Magnete zum Spielen.
• Halte die Magnete mehr als 10 cm von Handys, Bankkarten, Uhren, Computern und von Menschen mit Herzschrittmacher oder anderen implantierten medizinischen Geräten fern.
• Cuttermesser und Vorstecher benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte, und schneidet immer von der haltenden Hand weg.
• Heißkleber verbrennt die Haut: Ein Erwachsener trägt ihn auf und das Kind zeigt, wohin. Sind Kinder unter 3 Jahren in der Nähe, räum die Geschenke und kleinen Schnipsel weg.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Ein Magnet ist von einer unsichtbaren Kraft umgeben, die wir Magnetfeld nennen. Diese Kraft geht durch Karton, Papier und Holz, als wären sie gar nicht da: Deshalb findet der Magnet im Stab unter der Platte den Magneten im Schlitten oben und zieht ihn mit. Nur manche Metalle spüren diese Kraft, wie das Eisen und der Stahl in Büroklammern; Karton, Kunststoff oder Aluminium nicht. Jeder Magnet hat zwei verschiedene Seiten: Schauen sich verschiedene Seiten an, umarmen sie sich, und schauen sich gleiche Seiten an, schieben sie sich weg. Und je weiter die Magnete voneinander entfernt sind, desto schwächer wird die Kraft, und zwar sehr schnell: Mit nur ein paar zusätzlichen Kartonlagen folgt dir der Schlitten nicht mehr.

Für Erwachsene

Ein NdFeB-Dauermagnet (Neodym, Güte N35, Remanenz Br ≈ 1,2 T) erzeugt um sich ein Magnetfeld. Auf der Achse einer Scheibe mit Radius R = 5 mm und Dicke L = 3 mm, axial magnetisiert, beträgt das Feld B(z) = (Br/2)·[(L + z)/√(R² + (L + z)²) − z/√(R² + z²)]: ≈ 0,31 T in der Mitte der Fläche, ≈ 0,11 T bei 4 mm, ≈ 0,023 T bei 10 mm und ≈ 0,009 T bei 15 mm (Rechnung für eine ideale Scheibe; das Erdmagnetfeld beträgt ≈ 0,00005 T). Karton, Papier, Holz, Kunststoff, Wasser und Aluminium haben eine relative Permeabilität μr ≈ 1: Das Feld geht durch sie hindurch wie durch Luft, ohne schwächer zu werden, und deshalb müssen sich die Magnete nicht berühren. Nur ferromagnetische Stoffe (Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt) haben ein μr von Hunderten oder Tausenden: Ihre magnetischen Domänen richten sich nach dem Feld aus, der Stoff wird vorübergehend magnetisch und angezogen; außerdem „lenkt“ ein Stahlblech die Feldlinien durch sich hindurch um und wirkt als Abschirmung (das zeigt das Experiment mit dem Glasdeckel). Zwei Magnete ziehen sich mit entgegengesetzten Polen an: Fügt man sie zusammen und markiert die Außenseiten, sind die unmarkierten Seiten immer entgegengesetzt, sodass sie sich nur durch die Platte anschauen müssen. Abstand: Weit vom Magneten entfernt nimmt die Kraft zwischen zwei koaxialen Dipolen mit 1/d⁴ ab (d = Abstand der Mittelpunkte): Bei doppeltem Abstand teilt sich die Kraft durch ≈ 16; aus der Nähe ist der Abfall sanfter. Schätzung für zwei Scheiben von 10 × 3 mm (Oberflächenladungsmodell, ohne Verluste): ≈ 4 N mit 3,5 mm Karton und Papier dazwischen, ≈ 1,5 N bei 6,5 mm, ≈ 0,7 N bei 9,5 mm, ≈ 0,35 N bei 12,5 mm und ≈ 0,2 N bei 15,5 mm: Jede 3-mm-Lage teilt die Kraft durch 2–2,5. Warum er den Schlitten mitzieht: Der untere Magnet zieht den oberen nach unten (Kraft F) und, wenn sie versetzt sind, auch zur Seite; die maximale Seitenkraft ist ein Bruchteil von F (Schätzung: 0,3–0,5·F). Die Reibung beträgt μ·(Gewicht + F), mit μ ≈ 0,2 für Paketklebeband auf Papier und ≈ 0,4 für Fotokarton auf Papier: Da F etwa 50-mal so groß ist wie das Gewicht des Schlittens (≈ 7 g, 0,07 N), entscheidet, ob der seitliche Anteil μ übersteigt; deshalb macht das glatte Klebeband unter dem Schlitten den Unterschied, und wenn F auf nur noch ein paarmal das Gewicht sinkt (gegen 0,2 N, mit 3–4 zusätzlichen Kartonlagen: Schätzung), folgt der Schlitten nicht mehr. Eine Büroklammer aus Stahl von ≈ 1 g wird nur teilweise magnetisiert und erfährt eine viel kleinere Kraft (Schätzung: 0,1–0,4 N bei 4 mm), genug für die Platte, aber nicht für zusätzliche Lagen. Ausrichtung: Zieht man an einem Punkt vor dem Reibungsmittelpunkt, erzeugt jede Drehung ein Drehmoment, das den Schlitten auf die Zuglinie zurückbringt (wie bei einem Anhänger oder einer Kiste, die an einer Schnur gezogen wird); zieht man in der Mitte, gibt es kein Drehmoment, das ihn ausrichtet, und er dreht sich zufällig. Deshalb sitzt der Magnet 12 mm von der Front. Geschwindigkeit: Ist der Schlitten versetzt, wächst die Seitenkraft bis zu ihrem Maximum bei wenigen Millimetern Versatz; entfernt sich der Stab schneller, als der Schlitten gegen die Reibung beschleunigen kann, überschreitet der Versatz diesen Punkt, die Kraft fällt ab und der Schlitten löst sich. Sicherheit im Entwurf: Die Magnete sind eingelassen und abgedeckt, weil sich zwei verschluckte Magnete durch die Darmwände anziehen; und ein Feld von einigen Zehntel Tesla in wenigen Millimetern Abstand kann Magnetstreifen löschen und den Kompass eines Handys stören, auch wenn es in 10 cm Abstand schon unter 0,0001 T liegt.

• Magnetfeld: der unsichtbare Bereich um einen Magneten, in dem man seine Kraft spürt.
• Pol: jede der beiden Seiten eines Magneten; verschiedene Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.
• ferromagnetisch: ein Stoff, den ein Magnet anzieht, wie Eisen, Stahl oder Nickel.
• Neodym: ein Metall, aus dem man die stärksten kleinen Magnete macht, die es gibt.
• Reibung: eine Kraft, die einen Gegenstand bremst, wenn er über einen anderen gezogen wird; bei glatten Flächen ist sie kleiner.
• magnetische Abschirmung: ein Eisen- oder Stahlblech, das das Feld eines Magneten umlenkt und es nicht auf die andere Seite durchlässt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet Platte, Beine, Stab und Häuschen zu und setzt die beiden Magnete ein und klebt sie fest, bevor er es dem Kind gibt. Das Kind klebt das Schneepapier auf, malt den Weg, den Weihnachtsmann und die Geschenke an, schneidet die Bäume aus, steckt sie zusammen und spielt. Konzentriere dich auf „die Kraft geht durch den Karton“ und „verschiedene Seiten umarmen sich“. Lass nie einen losen Magneten auf dem Tisch liegen.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer dem Cuttermesser und dem Loch im Stab; die Magnetseiten markieren sie im Beisein des Erwachsenen. Lass sie die Experimente mit den Lagen und den Materialien machen, die Ergebnisse in einer Tabelle notieren und das Verteilspiel auf Zeit spielen.
• 11–12 Jahre: Lass sie ihr eigenes Dorf (Weg, Hindernisse, Häuser) auf Karopapier im Maßstab 1:2 entwerfen, bevor sie es zeichnen, ein Diagramm „Kartonlagen — folgt er?“ für Magnet und Büroklammer anlegen und mit der Anhänger-Idee erklären, warum der Magnet vorn sitzt. Challenge: ein zweiter Schlitten, der dem ersten mit gleichen Seiten ausweicht.

In der Gruppe oder in der Klasse

Ein Dorf pro Team von 3–4 Kindern (≈ 1 € für Magnete pro Team, der Rest recycelt). Vor der Einheit: Platten, Beine, Stäbe mit Loch und Häuschen zuschneiden und die Magnete jedes Stabs und jedes Schlittens selbst einkleben und abdecken (so liegt kein Magnet lose auf den Tischen). Einheit von 2 Std.: 10 min Vorführung (geht die Kraft durch Karton? durch meine Hand?), 30 min Beine und Schnee, 30 min Häuschen, Bäume und Weg, 20 min Schlitten, 10 min Test und 20 min Turnier im Geschenkeverteilen mit Stoppuhr sowie das Lagen-Experiment. Zähle die Magnete zu Beginn und beim Aufräumen und halte 2 fertige Ersatzschlitten bereit.

Challenges

• Setz ein Rentier mit einem dritten Magneten vor den Schlitten und nimm für jedes einen eigenen Stab: Zwei Spieler müssen sie gemeinsam steuern, ohne dass sie mehr als 5 cm auseinanderkommen.
• Bau eine Hindernisstrecke mit „Eis“ (glatte Alufolie, rutscht mehr) und „Tiefschnee“ (Küchenpapier, mehr Reibung) und vergleiche die Zeiten.
• Bau ein Dorf mit zwei Etagen: eine zweite Platte 5 cm höher, mit einer Kartonrampe zwischen beiden. Reicht der Stab? Was müsstest du ändern?
• Steck eine Büroklammer in ein Häuschen und eine in einen losen Schneemann: Der Schlitten mit Magnet „zieht“ sie mit, wenn er nahe vorbeifährt. Erfinde ein Spiel, bei dem man die Schneemänner einsammelt.
• Dreh den Magneten eines zweiten Schlittens um (X nach unten): Mit demselben Stab folgt dir der eine und der andere weicht aus. Nutze den ausweichenden, um Geschenke zu schieben, ohne sie zu berühren.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebende Büroklammer am Magneten
• Schwimmkompass mit Nadel
• Elektromagnet mit Schalter
• Batterie-Magnet-Zug
• Bürstenloser Batterie-Magnet-Motor
• Spulenmotor mit Batterie

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