Pop-Pop-Boot mit Teelicht

Was das Kind lernt

• Dass Wasser beim Erhitzen seinen Zustand ändert (flüssig → Dampf) und etwa 1.600-mal mehr Volumen einnimmt.
• Dass Dampf beim Abkühlen wieder zu Wasser wird (Kondensation) und Platz macht und dass sich dieser Kreislauf viele Male pro Sekunde wiederholt.
• Was Rückstoßantrieb ist: Wasser nach hinten zu drücken bringt das Boot nach vorne (Aktion und Reaktion).
• Dass ein Boot schwimmt, wenn es so viel Wasser verdrängt, wie es selbst wiegt (Rumpf 15 × 8 cm: sinkt nur 4–5 mm ein).
• Echte Sicherheitsregeln im Umgang mit Feuer und heißen Gegenständen.

Vorher vorbereiten

• Spüle den Getränkekarton mit Wasser und Seife aus, schneide ihn an den Kanten auf und lass ihn flach trocknen.
• Drucke die Vorlagen mit 100 % (prüfe die rote 50-mm-Linie im Kopf). Die für die Rohrschlange ist in Originalgröße: Das Rohr wird direkt darauf gebogen.
• Prüfe, dass das Kupferrohr an beiden Enden offen ist: Blase in ein Ende oder drücke mit der Spritze Wasser hindurch.
• Fülle die Badewanne mit 5–10 cm Wasser und räume Handtücher, Vorhänge und Papier vom Rand weg. Binde lange Haare zusammen.
• Halte das Stabfeuerzeug und ein feuchtes Küchentuch bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Weiches Kupferrohr (geglüht) — 40 cm (32 cm werden gebraucht; der Rest als Reserve) kaufen
  Außen-Ø 3 mm, Wand 0,5 mm (Modellbauladen, Baumarkt oder „Kapillarrohr“ aus der Kältetechnik)
• Teelicht — 2 (eines als Reserve) kaufen
  Ø 38 mm, 12 mm hoch, in seiner Aluschale, Brenndauer 3–4 h
• 1-Liter-Getränkekarton — 1
  von Milch oder Saft, gespült und trocken (beschichteter Karton: wird nicht nass)
• Knete — ≈ 20 g
  um die Rohre am Heck, die Kerze am Boden und den Mast zu befestigen; dient auch als Ballast
• Alufolie — 1 Stück 15 × 15 cm
  4-lagig gefaltet (Quadrat 40 × 40 mm) unter die Kerze, um den Rumpf vor Hitze zu schützen
• Gewebeband (Panzertape) — ≈ 30 cm
  um die Ecken des Rumpfs außen zu halten
• Zahnstocher — 2
  einer als Mast (≈ 65 mm) und einer als Reserve
• Buntpapier — 1 Stück 6 × 5 cm
  Segel des Boots
• Spritze ohne Nadel — 1
  5–10 ml, um das Rohr mit Wasser zu füllen
• Bleistift — 1
  Ø 7–8 mm, um die Rohrschlange zu wickeln
• Badewanne, Wanne oder Planschbecken — 1
  mindestens 50 cm lang und 5 cm Wasser

Werkzeuge

• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — den Getränkekarton schneiden Erwachsene
• Schere — Vorlagen, Papiersegel und Klebeband ausschneiden
• Leerer Kugelschreiber — die Falzlinien des Rumpfs rillen
• Rohrschneider oder feine Feile — das Kupferrohr schneiden, ohne die Enden zu quetschen (mit Feile: rundherum einritzen und abknicken) Erwachsene
• Langes Stabfeuerzeug — die Kerze im Boot anzünden Erwachsene
• Feuchtes Küchentuch — griffbereit halten, falls außerhalb des Boots etwas Feuer fängt (die Kerze wird ausgeblasen) Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Rumpf (Schale aus Getränkekarton) ×1 — Getränkekarton (beschichteter Karton)
• B · Segel ×1 — Buntpapier
• C · Biegevorlage für die Rohrschlange (Originalgröße, Seitenansicht) ×1 — Papier
• D · Kupferrohr ×1 — Kupferrohr Ø 3 mm
• E · Alu-Unterlage ×1 — Alufolie, 4-lagig

Schritt für Schritt

1. Schneide den Rumpf aus Erwachsene

   Klebe oder pause Vorlage A (190 × 120 mm) auf die Innenseite des aufgeschnittenen Getränkekartons; ein Erwachsener schneidet sie mit Cuttermesser und Lineal aus. Wenn eine Kante des Kartons durch das Rechteck läuft, streiche sie mit dem Fingernagel flach: Das macht nichts.

2. Falte die Schale

   Rille die 4 geraden Falzlinien mit leerem Kugelschreiber und Lineal und stelle die 20-mm-Wände auf. Drücke an jeder Ecke die Diagonale nach außen zu einem dreieckigen Ohr und klappe es an die kurze Wand.

   Prüfe: Die Wände stehen gerade und der Boden misst 150 × 80 mm.

3. Dichte die Ecken ab

   Klebe jedes Ohr mit einem 6 cm langen Stück Gewebeband an die Wand, das die Ecke außen umschließt. Mache keine Schnitte oder Löcher in den Rumpf.

4. Schwimmtest

   Setze den leeren Rumpf 2 Minuten ins Wasser und schau dann hinein. Lege danach das Teelicht und das noch gerade Kupferrohr hinein (es wiegt genauso viel wie später als Rohrschlange), um zu sehen, wie er mit Gewicht schwimmt.

   Prüfe: Kein einziger Tropfen kommt herein und der Rumpf sinkt mit dem ganzen Gewicht nur 4–5 mm ein.

5. Wickle die Rohrschlange Erwachsene

   Ein Erwachsener schneidet 32 cm vom Kupferrohr mit dem Rohrschneider ab; markiere die Mitte bei 16 cm. Lege diese Stelle an den Bleistift und wickle langsam 3 enge Windungen, sodass beide Schenkel zur selben Seite abgehen. Zieh den Bleistift drehend heraus.

   Tipp: Biege mit den Daumen nah am Bleistift, ohne Ruck: Wird das Rohr platt, taugt es nicht mehr (kein Wasser kommt durch).

6. Biege die Schenkel mit der Vorlage Erwachsene

   Lege die Rohrschlange auf Vorlage C und biege beide Schenkel gleichzeitig: 60 mm waagerecht, ein 90°-Knick nach unten mit 30 mm und noch ein 90°-Knick nach hinten mit 14 mm. Biege jeden Knick um den Bleistift, damit er rund wird.

   Prüfe: Das Rohr deckt sich mit der Zeichnung und beide Enden liegen auf gleicher Höhe. Ragt ein Ende mehr als 1 cm über die Zeichnung hinaus, kürzt es der Erwachsene mit dem Rohrschneider, damit beide gleich lang sind.

7. Prüfe, ob Wasser durch das Rohr fließt

   Stecke ein Ende des Rohrs in die Spritze (oder umschließe es mit einem Stückchen weichem Schlauch) und drücke Wasser hinein: Am anderen Ende muss ein gleichmäßiger Strahl herauskommen.

   Prüfe: Kommt kein Wasser heraus, ist ein Knick gequetscht: Biege dieses Stück neu.

8. Setze das Teelicht ein

   Lege die Alu-Unterlage E von 40 × 40 mm auf den Boden, an die Markierung 65 mm vom Heck, und das Teelicht mittig darauf. Klebe es mit einem Kügelchen Knete fest, damit es nicht verrutscht.

9. Baue die Rohrschlange ein

   Lege beide Schenkel auf den Rand der Heckwand, die Rohrschlange genau über dem Docht, wie in Vorlage C: ihre Mitte 25 mm über dem Boden (≈ 13 mm über dem Wachs), sodass die Unterseite der Windungen 3–5 mm über der Dochtspitze liegt, in der Flamme. Befestige die Schenkel mit einem ordentlichen Klumpen Knete am Rand. Die Enden liegen außen, zeigen nach hinten, unterhalb des Bodens.

   Prüfe: Von der Seite gesehen liegt die Rohrschlange mittig über dem Docht und die Enden 10 mm unter dem Rumpfboden.

10. Setze den Mast und trimme

    Stecke den Zahnstocher mit dem Segel B in ein 1-cm-Kügelchen Knete, das nahe am Bug klebt. Setze das Boot ins Wasser: Sinkt es hinten tiefer ein, gib Knete an den Bug, bis es waagerecht liegt.

11. Fülle das Rohr mit Wasser

    Mit dem Boot im Wasser steckst du die Spritze mit Wasser auf eines der Enden (unter Wasser) und drückst, bis am anderen Ende Blasen und dann Wasser herauskommen. Zieh die Spritze ab, ohne die Enden aus dem Wasser zu heben.

    Prüfe: Keine Blasen mehr: Das Rohr ist von Ende zu Ende mit Wasser gefüllt.
    Tipp: Du kannst es auch füllen, indem du die Rohrschlange in ein Glas tauchst und am anderen Ende mit einem Strohhalm saugst (nicht schlucken).

12. Anzünden (nur ein Erwachsener) Erwachsene

    Der Erwachsene zündet die Kerze mit dem Stabfeuerzeug an, ohne das Boot zu kippen. Halte das Boot 30–60 Sekunden sanft fest, während sich die Rohrschlange erhitzt, und lass es los, sobald du den ersten Schub spürst.

    Prüfe: Nach einer Minute hört man leises Knacken, an den Enden kommen Bläschen heraus und das Boot fährt von selbst.

13. Fahren lassen und löschen Erwachsene

    Beobachte es ein paar Minuten und stoppe, wie lange es für 50 cm braucht. Zum Löschen bläst der Erwachsene seitlich, knapp über der Kerze und unterhalb der Rohrschlange (mit einem Glas abdecken geht nicht: Die Rohrschlange ist darüber). Warte 5 Minuten, bevor du die Rohrschlange anfasst.

Funktioniert es? Der Test

Markiere in der Badewanne mit zwei Gegenständen eine Strecke von 50 cm. Setze das Boot mit brennender Kerze und gefülltem Rohr ab und stoppe die Zeit.

Was passieren soll: Es setzt sich 30–60 s nach dem Anzünden in Bewegung, mit leisem „tack-tack“ und Bläschen am Heck, und fährt geradeaus mit etwa 2–5 cm/s (50 cm in 10–25 s). Es fährt weiter, solange die Kerze brennt und Wasser im Rohr ist.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Kerze brennt, aber das Boot bewegt sich nicht — Im Rohr ist Luft oder es ist leergelaufen. Lösung: Lösche die Kerze, lass alles 2 Minuten abkühlen und fülle das Rohr mit der Spritze neu, die Enden unter Wasser.
• Es macht sehr große Blasen und bleibt dann stehen — Die Enden sind fast an der Oberfläche und es kommt Luft hinein. Lösung: Biege die Enden tiefer (mindestens 10 mm unter den Boden) oder gib Knete ans Heck.
• Es startet nicht, obwohl das Rohr voll ist — Die Rohrschlange ist zu hoch oder zu tief (erstickt die Flamme) im Verhältnis zum Docht. Lösung: Stelle sie wie in Vorlage C ein: Mitte der Rohrschlange 25 mm über dem Boden (≈ 13 mm über dem Wachs), die Unterseite der Windungen in der Flamme.
• Es fährt im Kreis — Die Enden zeigen nicht gerade nach hinten oder das Boot liegt schief. Lösung: Richte beide Enden parallel zur Längsachse des Boots aus und trimme mit Knete.
• Wasser dringt in den Rumpf ein — Ecke schlecht gefaltet oder Klebeband abgelöst. Lösung: Trockne ihn, falte das Ohr neu und klebe außen neues Gewebeband auf; oder nimm stattdessen eine Sardinendose.
• Die Kerze geht aus — Die Rohrschlange ist zu nah und erstickt die Flamme, oder das Wachs überflutet den Docht. Lösung: Hebe die Rohrschlange 3–4 mm an und nimm eine neue Kerze.

Sicherheit

• Feuer: Anzünden und Löschen macht immer ein Erwachsener, mit Stabfeuerzeug; lass das brennende Boot nie unbeaufsichtigt.
• Die Kupferschlange wird über 100 °C heiß: Fass sie erst 5 Minuten nach dem Löschen an. Wachs und Schale des Teelichts sind ebenfalls heiß.
• Fahre nur auf dem Wasser, weit weg von Vorhängen, Handtüchern und Papier. Lange Haare zusammenbinden und keine weite Kleidung über der Badewanne.
• Cuttermesser und das Schneiden des Kupferrohrs übernimmt ein Erwachsener; die Rohrenden können scharf sein: schleife sie ab.
• Zum Löschen seitlich blasen, knapp über der Kerze und unterhalb der Rohrschlange (ein Glas passt nicht: Die Rohrschlange ist darüber). Gieße nie Wasser auf heißes Wachs außerhalb der Badewanne (es spritzt).

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Im Röhrchen ist Wasser. Die Kerze macht es so heiß, dass es zu Dampf wird. Der braucht viel, viel mehr Platz und drückt das Wasser hinten aus dem Boot hinaus, plopp! Wenn der Dampf aus der Hitze kommt, kühlt er ab, wird wieder zu Wasser und lässt eine Lücke, also saugt das Rohr wieder Wasser an. Das passiert viele Male pro Sekunde, wie ein Herz, das schlägt. Weil das Wasser als Strahl nach hinten herausgeht, aber von überall hereinkommt, fährt das Boot nach vorne.

Für Erwachsene

Es ist ein „Pop-Pop“-Motor mit Rohrschlange, eine Wärmekraftmaschine ohne bewegliche Teile. Die Flamme erhitzt das Wasser in der Rohrschlange über 100 °C, und es bildet sich eine Dampfblase (Dampf bei Atmosphärendruck nimmt ≈ 1.600-mal das Volumen des Wassers ein). Die Blase wächst und drückt Wasser aus beiden Enden; erreicht der Dampf die kalten Bereiche des Rohrs, kondensiert er, der Druck fällt unter den Atmosphärendruck und das Wasser strömt wieder hinein. Der Zyklus, eine Kippschwingung, wiederholt sich mit mehreren Hertz. Obwohl das ausströmende Wasservolumen gleich dem einströmenden ist, ist der Nettoschub nicht null: Das Wasser tritt als nach hinten gerichteter Strahl aus (viel Impuls in eine Richtung), während es beim Ansaugen aus allen Richtungen rund um die Öffnung einströmt. Die Nettokraft ist klein (Millinewton), reicht aber, um einen Rumpf von ≈ 50 g mit 2–5 cm/s zu bewegen, der nach dem archimedischen Prinzip ≈ 50 cm³ / (15 × 8 cm²) ≈ 4 mm einsinkt. Das 3-mm-Kupferrohr ist der Schlüssel: Es leitet Wärme sehr gut (≈ 400 W/m·K), und sein kleiner Durchmesser verhindert, dass das Wasser schwallartig aus- und einströmt. Der Wirkungsgrad ist sehr gering (weniger als 0,1 % der ≈ 30 W eines Teelichts), aber man sieht live den Zustandswechsel, die Kondensation und das dritte newtonsche Gesetz.

• Dampf: Wasser, das durch Hitze zu Gas geworden ist.
• Kondensation: wenn Dampf abkühlt und wieder zu flüssigem Wasser wird.
• Rückstoßantrieb: vorwärtskommen, indem man einen Strahl Flüssigkeit oder Gas nach hinten drückt.
• Auftrieb: ein Gegenstand schwimmt, wenn er so viel Wasser verdrängt, wie er selbst wiegt.
• Rohrschlange: spiralförmig gewickeltes Rohr, um das, was hindurchfließt, zu erhitzen oder zu kühlen.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Selbst bauen wird nicht empfohlen: Der Erwachsene bereitet es vor, das Kind gestaltet Segel und Rumpf, füllt das Rohr mit der Spritze und schaut zu, immer mit Abstand zum Feuer.
• 8–10 Jahre: Sie bauen den Rumpf, setzen Kerze und Vorlage ein und füllen das Rohr; der Erwachsene biegt das Kupfer und hantiert mit dem Feuer. Lass sie mit eigenen Worten erklären, was sie an den Rohrenden sehen.
• 11–12 Jahre: Sie biegen die Rohrschlange mit der Vorlage (unter Aufsicht), messen die Geschwindigkeit und vergleichen Rohrschlangen. Challenge: berechnen, wie tief der Rumpf mit seinem Gewicht einsinkt, und es mit einem Lineal überprüfen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu 4, wegen des Feuers ein Erwachsener pro 2–3 Teams. Vor der Einheit: Die Lehrkraft schneidet die Rümpfe und bereitet die Rohrschlangen vor (eine Rohrschlange pro Team wickeln, 6–7 bei einer Klasse von 25, braucht Zeit) und testet eine. Einheit von 60 min: 20 min Rumpf und Aufbau, 10 min Füllen, 20 min „Hafen“ mit 2–3 großen Wannen und Kerzen, die nur Erwachsene anzünden, 10 min Austausch. Keine Feuerzeuge auf den Tischen; ein Feuerlöscher oder eine Löschdecke in der Nähe.

Challenges

• Bring dein Boot dazu, eine Last von 10 g (eine Münze) zu tragen, ohne zu sinken oder stehenzubleiben.
• Baue ein Boot mit zwei Rohrschlangen und zwei Kerzen und vergleiche die Geschwindigkeit.
• Entwirf ein Ruder, das es gleichmäßig im Kreis fahren lässt.
• Baue ein Pop-Pop-Boot mit Membran aus einer Getränkedose (finde heraus, wie das klassische „Pop-Pop“ funktioniert, das man hört).

Weitere kostenlose Projekte

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

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