Seilzugkran mit Kurbelwinde

Was das Kind lernt

• Dass eine feste Rolle die Kraft nicht verringert, aber ihre Richtung ändert: Du ziehst zur Seite, und die Last geht nach oben.
• Dass eine Winde (Kurbel + Welle) die Kraft vervielfacht: Mit einer Kurbel mit 40 mm Radius und einer Trommel von ≈ 2,5 mm braucht die Hand etwa 16-mal weniger Kraft als das Gewicht.
• Dass gewonnene Kraft Weg kostet: Man muss etwa 16-mal kurbeln, um die Last 25 cm hochzuziehen.
• Warum ein Kran nicht umkippt: Das Gewicht der Last muss innerhalb der Grundplatte wirken.
• Dass ein gefaltetes Kartonrohr viel steifer ist als ein flacher Streifen aus demselben Material.

Vorher vorbereiten

• Drucke die kleinen Vorlagen in 100 % und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile. Die großen Teile (Grundplatte, Mast, Ausleger) zeichnest du direkt mit Lineal und Geodreieck nach den Maßen an.
• Sind die Kinder jünger als 8 Jahre, schneide und falte Mast und Ausleger schon vor der Einheit: Das sind die längsten Schnitte.
• Durchbohre den Flaschendeckel (4-mm-Loch, damit er sich locker auf dem 3-mm-Spieß dreht).
• Schneide die Spieße auf Maß: 110 mm (Windenwelle), 3 × 40 mm (Rollenachse, Walze und Griff) und 70 mm (Sperrstift). Entferne die Spitzen.
• Bereite den Lasteimer vor: Joghurtbecher mit zwei gegenüberliegenden Löchern unter dem Rand und einem Henkel aus Faden.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 2 Bögen, 35 × 45 cm
  einwellig, 3–4 mm (mittelgroßer Versandkarton), ohne Knicke oder plattgedrückte Stellen
• Schaschlikspieße (Holzspieße) — 2
  Ø 3 mm, 25–30 cm lang, gerade
• Strohhalme — 2
  Ø 6 mm, gerade (ein Spieß muss locker hindurchpassen)
• Plastik-Flaschendeckel — 1
  Ø 30 mm, etwa 12 mm hoch (Wasser- oder Limoflasche)
• Dicker Faden oder Küchengarn — 1,5 m
  Baumwollkordel 1–1,5 mm, glatt (ohne Fusseln)
• Metall-Büroklammer — 1
  32 mm, zum S-förmigen Biegen (Haken)
• Joghurtbecher — 1
  sauber, mit zwei Löchern und einem 20 cm langen Henkel aus Faden (Lasteimer)
• Münzen — 20–30
  zum Beladen des Eimers (eine 1-€-Münze wiegt 7,5 g; eine 10-Cent-Münze 4,1 g)
• Heißklebesticks — 3–4
  für die Heißklebepistole
• Klebeband — 1 Rolle
  Packband oder Malerkrepp, zum Fixieren beim Trocknen

Werkzeuge

• Metalllineal 30 cm, Bleistift und Geodreieck — die großen Teile anzeichnen und prüfen, dass der Mast im 90°-Winkel steht
• Cuttermesser und Schneidematte — Teile, den Schlitz im Ausleger und die Öffnung für den Mast schneiden Erwachsene
• Schere — Vorlagen, Strohhalme und Scheiben zuschneiden
• Leerer Kugelschreiber — die Falzlinien rillen, damit sie sauber knicken
• Vorstecher oder 3-mm-Nagel — die Achslöcher und die Mitte des Flaschendeckels durchstechen Erwachsene
• Heißklebepistole — Mast, Ausleger, Halter und Rolle festkleben Erwachsene
• Kleine Zange — die Büroklammer zum S biegen und Spieße abknipsen

Teile und Vorlagen

• A · Untere Grundplatte ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Obere Grundplatte (mit Mastöffnung) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Mast (Vierkantrohr 40 × 40) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• D · Mastdeckel ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• E · Ausleger (U-Profil) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• F · Strebe (diagonale Verstärkung) ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• G · Eckstützen am Mastfuß ×3 — Wellpappe 3–4 mm
• H · Windenhalter ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• I · Scheiben der Rolle ×2 — Wellpappe 3 mm
• J · Kurbelarm ×2 — Wellpappe 3–4 mm
• K · Achsen und Stäbchen ×5 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• L · Strohhalmstücke ×3 — Strohhalm Ø 6 mm

Schritt für Schritt

1. Zeichne die Grundplatten an und schneide sie aus Erwachsene

   Zeichne zwei Rechtecke von 160 × 330 mm: eines mit Kartonwellen längs (A) und eines mit Kartonwellen quer (B). Schneide in B die quadratische Öffnung von 41 × 41 mm, 59,5 mm von der Hinterkante und von den Seiten entfernt.

   Prüfe: Halte ein Lineal in die Öffnung: Sie muss auf jeder Seite 41 mm messen und mittig liegen (59,5 mm zu jeder Seite).

2. Klebe die doppelte Grundplatte zusammen

   Trag Kleber oder Heißkleber im Zickzack auf A auf und klebe B bündig darauf. Leg 10 Minuten lang 2–3 Bücher darauf, damit alles flach bleibt. Übertrag mit Bleistift die Markierungen der Vorlage B (Halter, Eckstützen, Sperrstift, Lastbereich).

   Prüfe: Auf dem Tisch wackelt die Grundplatte an keiner Ecke.

3. Falte den Mast

   Zeichne Teil C an (170 × 300 mm, Kartonwellen senkrecht). Rille die 4 Falzlinien im Abstand von 40 mm mit leerem Kugelschreiber und Lineal, falte sie auf 90° und klebe die 10-mm-Klebelasche innen an die erste Seite. Die Seiten liegen der Reihe nach: SEITE, HINTEN, SEITE und VORNE. Halte alles mit Klebeband fest, bis es abgekühlt ist.

   Prüfe: Das Rohr misst außen 40 × 40 mm, und seine vier Seiten sind eben.
   Tipp: Falte jede Linie, indem du das Lineal darauflegst und den Karton dagegen hochbiegst: So wird sie gerade.

4. Verschließ die Mastöffnung Erwachsene

   Schneide die beiden Quadrate D von 34 × 34 mm aus, klebe sie aufeinander und drück sie bündig mit dem Rand in das obere Ende des Rohrs. Fixiere sie mit einer Raupe Heißkleber am Rand.

   Prüfe: Wenn du das Lineal auf die Öffnung legst, berührt es gleichzeitig den Deckel und alle vier Ränder.

5. Setz den Mast ein Erwachsene

   Gib Heißkleber auf den Boden der Öffnung in der Grundplatte und steck den Mast hinein (die mit VORNE markierte Seite zum Lastbereich). Prüfe mit dem Geodreieck, dass er von vorne und von der Seite im 90°-Winkel steht, und halte ihn 1 Minute so, bis er abgekühlt ist.

   Prüfe: Leg das Geodreieck an zwei benachbarte Seiten: Zwischen Geodreieck und Mast darf kein Licht durchscheinen.

6. Klebe die Eckstützen an Erwachsene

   Klebe die 3 Eckstützen G (Dreiecke mit 50 mm) mit der senkrechten Kathete an den Mast und der waagerechten auf die Grundplatte: eine an die Vorderseite und eine an jede Seite. Hinten kommt keine hin: Dort läuft die Schnur nach oben.

7. Falte den Ausleger Erwachsene

   Zeichne Teil E an (260 × 130 mm), schneide die beiden Schlitze von 12 × 14 mm in den Boden (den hinteren, damit die Schnur hochläuft, und den an der Spitze, bis zum Rand offen, damit sie herunterläuft) und stich die 4 Löcher mit 3 mm: die für die Walze 39 mm von der Falzlinie, die für die Rolle 27 mm. Falte die beiden 50-mm-Wände nach oben: Es entsteht ein U-Profil mit 30 mm Boden.

   Prüfe: Steck einen Spieß durch die beiden Löcher an der Spitze: Er muss gerade hindurchgehen, parallel zum Boden des Auslegers.

8. Bau die Rolle ein Erwachsene

   Klebe auf jede Seite des Deckels eine Scheibe I, genau mittig, und weite das Loch aller drei mit dem Vorstecher auf 4 mm. Setz die Rolle in die Spitze des Auslegers (die Achse 27 mm über dem Boden lässt die Scheiben 4 mm darüber) und schieb den 40-mm-Spieß durch die Wand, die Rolle und die andere Wand. Fixiere den Spieß außen mit einem Tropfen Heißkleber an den Wänden.

   Prüfe: Dreh die Rolle mit einem Finger: Sie muss mindestens eine ganze Umdrehung von allein machen, ohne Wände oder Boden zu berühren, und ihre Vorderkante liegt genau über dem Schlitz an der Spitze.

9. Bau die Walze ein Erwachsene

   Schieb den zweiten 40-mm-Spieß durch ein hinteres Loch, fädle das 24-mm-Strohhalmstück auf und führe ihn durch das andere Loch. Klebe den Spieß außen mit Heißkleber an die Wände; der Strohhalm muss locker bleiben.

   Prüfe: Der Strohhalm dreht sich frei auf dem Spieß, genau über dem Schlitz.

10. Klebe den Ausleger auf den Mast Erwachsene

    Gib Heißkleber auf den Mastdeckel und leg den Ausleger mit dem Bereich MAST der Vorlage darauf: Der Schlitz liegt 4 mm hinter dem Mast und die Spitze 200 mm davor. Prüfe, dass der Ausleger zum Lastbereich zeigt und waagerecht liegt.

    Prüfe: Schau von oben: Die Schnur, die vorne an der Rolle herabhängt, fällt genau auf das orange Kreuz im Lastbereich.

11. Bring die Strebe an Erwachsene

    Falte die Klebelaschen der Strebe F auf 45°. Klebe die untere an die Vorderseite des Masts, auf die Linie 100 mm unter der Spitze, und die obere unter den Ausleger, auf die Linie 100 mm vor dem Mast.

    Prüfe: Drück die Spitze des Auslegers sanft nach unten: Sie darf nicht nachgeben.

12. Bau die Winde Erwachsene

    Klebe die Halter H stehend auf ihre Linien (innen 60 mm Abstand, einer auf jeder Seite des Masts), mit der Kante HINTEN nach hinten. Schieb den 110-mm-Spieß durch beide Löcher, sodass links 12 mm und rechts etwa 31 mm herausragen; zwischen den Außenseiten der Halter bleiben etwa 67 mm. Links und rechts gelten von vorne, vom Lastbereich aus gesehen, wie in Vorlage B: Rechts ist die Seite des Sperrstifts.

    Prüfe: Die Welle dreht sich mit einem Finger, ohne zu haken, und liegt waagerecht.

13. Bring die Kurbel an Erwachsene

    Klebe die beiden Teile J aufeinander. Steck sie auf das rechte Ende der Welle (das 31-mm-Ende, auf der Seite des Sperrstifts), mit 15 mm Abstand zwischen Kurbel und Halter, und klebe sie mit Heißkleber fest. Steck den 40-mm-Spieß nach außen zeigend in das andere Loch, mit seiner lockeren 25-mm-Strohhalmhülle, und klebe den Spieß fest.

    Prüfe: Ohne Sperrstift einmal ganz herumkurbeln: Der Arm läuft 1 cm über der Grundplatte vorbei, ohne sie zu berühren.
    Tipp: Wickle am linken Ende der Welle (dem 12-mm-Ende) Klebeband zu einem Anschlag: So rutscht die Welle nicht zur Kurbel hin heraus.

14. Setz den Sperrstift ein Erwachsene

    Klebe das 25-mm-Strohhalmstück stehend auf die Markierung „Sperrstift“ (hinten, am rechten Rand), mit einem Tropfen Heißkleber rundherum. Das 70-mm-Stäbchen wird hineingesteckt und herausgezogen: Ohne ihn dreht sich die Kurbel frei; steckt er, stößt der Griff auf dem Weg nach unten hinten dagegen und die Last ist blockiert.

    Tipp: Das ist keine Ratsche: Der Sperrstift bremst die Kurbel in beide Richtungen. Deshalb ziehst du ihn heraus, um die Last zu heben oder zu senken, und steckst ihn hinein, wenn sie hängen bleiben soll.

15. Fädle die Schnur ein

    Binde ein Ende der Schnur mit zwei Knoten und einem Tropfen Heißkleber an die Mitte der Windenwelle. Führe sie hinter dem Mast nach oben, durch den hinteren Schlitz, über die Walze, den Ausleger entlang, über die Rolle und durch den Schlitz an der Spitze nach unten, und lass sie hängen. Bieg die Büroklammer zu einem S (du bindest sie im nächsten Schritt an).

    Prüfe: Die Schnur berührt beim Hochlaufen den Mast nicht und läuft mittig in der Rille der Rolle.

16. Stell die Länge ein und teste

    Zieh den Sperrstift heraus und wickle 2 Windungen Schnur auf die Welle. Binde die Büroklammer an der Stelle der Schnur an, die den Lastbereich berührt, und schneide das überstehende Ende hinter dem Knoten ab (1 cm stehen lassen). Häng den leeren Eimer ein und dreh die Kurbel so, dass sich die Schnur vorne auf die Welle wickelt. Ist der Eimer oben, halte die Kurbel fest, steck den Sperrstift hinein und lass langsam los: Der Griff geht hinten nach unten und liegt am Sperrstift an.

    Prüfe: Mit eingestecktem Sperrstift sinkt der Eimer nicht, auch wenn du leicht dagegenstupst. Läuft die Schnur beim Drehen hinten statt vorne von der Welle, reibt sie am Rand des Schlitzes: Wickle sie ab und in die andere Richtung wieder auf.

17. Verziere ihn

    Mal Ausleger und Mast mit Temperafarbe oder Filzstift gelb an und zeichne schwarze Warnstreifen an die Spitze. Mal weder die Rille der Rolle noch die Windenwelle an (die Farbe bremst sie). Lass alles 15 Minuten trocknen.

Funktioniert es? Der Test

Stell den Eimer auf das orange Kreuz, häng ihn ein und belade ihn in Fünferschritten mit 1-€-Münzen (37,5 g je 5). Zieh den Sperrstift heraus, kurbel die Last ganz nach oben, zähl dabei die Kurbelumdrehungen und steck den Sperrstift wieder hinein, um sie zu blockieren.

Was passieren soll: Mit 20 Münzen (150 g + Eimer) hebt der Kran die Last mühelos: etwa 15–17 Umdrehungen für 25 cm Hub. Bis 300 g hält er gut; darüber beginnt sich der Ausleger zu biegen.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Schnur springt von der Rolle — Scheiben nicht mittig oder die Schnur kommt schräg von der Walze. Lösung: Zentriere die Scheiben I neu; prüfe, dass Walze und Rolle auf die Mitte des Auslegers ausgerichtet sind.
• Die Last sinkt von allein, wenn man die Kurbel loslässt — Der Sperrstift steckt nicht ganz im Strohhalm, der Strohhalm hat sich gelöst oder das Stäbchen ist zu kurz und der Griff rutscht darüber. Lösung: Halte die Kurbel fest, steck den Sperrstift hinein und lass langsam los: Der Griff muss hinten nach unten gehen und am Stift anliegen. Die Schnur muss vorne (zur Mastseite) von der Welle laufen.
• Die Kurbel lässt sich nur schwer drehen — Die Schnur reibt am Rand des Schlitzes oder am Mast, oder die Welle reibt in den Haltern. Lösung: Mach den Schlitz breiter, prüfe, dass die Schnur senkrecht hochläuft, ohne den Mast zu berühren, und weite die Löcher der Halter auf 4 mm.
• Die Kurbel lässt sich nicht ganz herumdrehen — Der Sperrstift steckt (er blockiert in beide Richtungen) oder der Arm berührt die Grundplatte. Lösung: Zieh den Sperrstift beim Kurbeln heraus. Streift der Arm die Grundplatte, sitzt die Welle zu tief: Die Löcher der Halter gehören 60 mm über die Grundplatte.
• Der Ausleger biegt sich unter der Last — Strebe gelöst oder Falzlinien des Auslegers zu weich. Lösung: Klebe die Strebe mit mehr Heißkleber neu an und verstärke den Boden des Auslegers von unten mit einem Kartonstreifen von 30 × 150 mm.
• Der Mast neigt sich — Zu wenig Heißkleber am Fuß oder Mast nicht im rechten Winkel. Lösung: Löse ihn, setz ihn mit dem Geodreieck geprüft neu ein und füge die Eckstützen G hinzu.
• Die Rolle dreht sich nicht — Loch im Deckel zu eng oder Heißkleber auf dem Spieß. Lösung: Weite das Loch in Deckel und Scheiben auf 4 mm; klebe den Spieß nur außen an den Wänden fest.

Sicherheit

• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte; die 300-mm-Schnitte sind die gefährlichsten.
• Heißkleber verbrennt die Haut: Der Erwachsene klebt, und das Kind hält erst fest, wenn er nicht mehr flüssig ist.
• Halte dein Gesicht nicht unter die Last, während sie hochgeht: Wenn sich die Schnur löst, fällt sie herunter.
• Schneide die Spitzen aller Spieße ab, bevor du sie einbaust.
• Münzen und Büroklammern sind Kleinteile: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Stell dir vor, du willst einen Eimer auf einen hohen Baum bringen: Es ist leichter, an einem Seil nach unten zu ziehen, als mit dem Eimer hinaufzuklettern. Genau das macht die Rolle: Das Rad aus dem Deckel ändert die Richtung deiner Kraft. Die Kurbel ist wie ein langer Arm, der ein ganz dünnes Stäbchen dreht: Deine Hand macht eine große Runde, und die Schnur wickelt sich nur ein kleines Stück auf. Deshalb geht die Last langsam, aber fast ohne Anstrengung hoch. Und der Sperrstift ist wie ein Riegel: Steckt er, kann sich die Kurbel nicht mehr drehen, und die Last bleibt oben hängen.

Für Erwachsene

Der Kran kombiniert zwei einfache Maschinen. Die feste Rolle an der Spitze bringt keinen mechanischen Vorteil (die Seilspannung entspricht dem Gewicht der Last), lenkt die Kraft aber um 90° um. Den Vorteil bringt die Winde: ein Wellrad, dessen idealer mechanischer Vorteil das Verhältnis zwischen dem Kurbelradius (40 mm) und dem wirksamen Trommelradius (Spieß 1,5 mm + Schnur ≈ 2,5 mm) ist, also ≈ 16. Für 200 g Last genügt eine Kraft von ≈ 12–15 gf am Griff (plus Reibung). Der Preis ist der Weg: Jede Kurbelumdrehung (251 mm Weg der Hand) hebt die Last ≈ 16 mm; die Arbeit bleibt erhalten (F·s konstant, abzüglich Verlusten). Statisch kippt der Kran nicht, weil die Wirkungslinie der Last innerhalb der Standfläche liegt (die Rolle sitzt 280 mm von der Hinterkante einer 330 mm langen Grundplatte). Der Mast ist ein geschlossenes, dünnwandiges Rohr: Sein Flächenträgheitsmoment ist um ein Vielfaches größer als das eines flachen Streifens aus demselben Karton, und die senkrechten Kartonwellen werden auf Druck belastet. Die 45°-Strebe bildet mit Mast und Ausleger ein Dreieck, die unverformbare Grundfigur von Tragwerken. Der Sperrstift ist keine Ratsche (die in eine Richtung drehen ließe und in die andere nicht): Er ist ein Anschlag, der die Kurbel in beide Richtungen blockiert, deshalb zieht man ihn zum Kurbeln heraus und steckt ihn zum Halten der Last hinein.

• Rolle: Rad mit einer Rille, in der ein Seil läuft; sie ändert die Richtung der Kraft.
• Winde: Welle, die man mit einer Kurbel dreht, um ein Seil aufzuwickeln und Lasten zu heben.
• Kurbel: Arm mit Griff, mit dem man eine Welle mit wenig Kraft drehen kann.
• Gegengewicht: Gewicht auf der anderen Seite, damit etwas nicht umkippt.
• Triangulation: Dreiecke (wie die Strebe) verwenden, damit sich ein Tragwerk nicht verformt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene zeichnet, schneidet und klebt Mast, Ausleger und Winde. Das Kind faltet mit Hilfe, klebt die Eckstützen mit Bastelkleber, fädelt die Schnur über Walze und Rolle und spielt Lasten-Hochziehen. Konzentriere dich auf „Ich ziehe hierhin, und es geht dorthin hoch“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte selbst, mit Hilfe bei Cuttermesser, Vorstecher und Heißkleber. Lass sie selbst mit dem Geodreieck prüfen, dass der Mast gerade steht, und die Umdrehungen pro 5 cm zählen.
• 11–12 Jahre: Sie sollen den mechanischen Vorteil der Winde berechnen (Kurbelradius / Wellenradius) und mit dem Messergebnis vergleichen. Challenge: die lose Rolle hinzufügen und eine Tabelle Kraft gegen Last anlegen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams aus 3 Kindern, ein Kran pro Team. Vor der Einheit schneidet der Erwachsene Grundplatten, Masten und Ausleger vor (das sind lange Schnitte) und durchbohrt die Deckel; die Teams falten, kleben und bauen zusammen. Zwei Einheiten à 60 min: am ersten Tag die Struktur (Grundplatte, Mast, Ausleger, Strebe); am zweiten Winde, Rolle und Lastwettbewerb mit Münzen. Für die ganze Klasse 2 Heißklebepistolen, an jeder ein Erwachsener.

Challenges

• Heb 300 g Münzen in weniger als 30 Sekunden 25 cm hoch.
• Füge eine lose Rolle hinzu und zeig, dass man nur die halbe Kraft braucht.
• Lass den Ausleger mit einer zweiten Schnur und einer zweiten Winde auf und ab gehen (Wippausleger).
• Bau einen Kran, der sich mit einem Gegengewicht um 360° dreht, ohne umzukippen.
• Entwirf einen Haken, der die Last loslässt, wenn man an einer zweiten Schnur zieht.

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

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