Spinne mit sechs Gelenkbeinen

Was das Kind lernt

• Dass ein außermittiges Gewicht, das sich dreht (Unwucht), alles zum Vibrieren bringt, was damit verbunden ist.
• Wie schräge Beine Vibration in Vorwärtsbewegung umwandeln: Jeder Ruck schiebt in die Richtung, in die die Beine „zeigen“.
• Was ein Gelenk mit einem Freiheitsgrad ist (Hüfte und Knie drehen sich nur in einer Ebene).
• Einen einfachen Stromkreis mit Batterie, Schalter und Motor – und was beim Vertauschen der Pole passiert (der Motor dreht andersherum und die Spinne dreht zur anderen Seite).

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen in 100 % aus und prüfe, ob der Oberschenkel C 50 mm lang ist.
• Teste zuerst den Motor: Verbinde seine Kabel mit denen des Batteriehalters, schalte ein und prüfe, ob er kräftig vibriert.
• Schneide bei kleinen Kindern die 12 Beinstreifen (15 mm breit) mit Cuttermesser und Lineal vor: Sie müssen genau gleich werden.
• Lass die Knopfzelle bis zum letzten Schritt in ihrer Verpackung und außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren.
• Halte eine glatte, harte Fläche für die Tests bereit (Tisch, Fliesenboden): Auf Teppich kommt sie nicht voran.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Stück 20 × 20 cm
  einwellig, 3 mm, glatt
• Musterbeutelklammern — 12 + 2 Ersatz
  Schenkel 15–20 mm, Kopf Ø 6–8 mm
• Vibrationsmotor 3 V — 1 kaufen
  zylindrisch Ø 6–7 × 12–15 mm mit Unwuchtgewicht aus Messing und angelöteten Kabeln (wie im Handy), 1,5–3 V, 60–80 mA
• Knopfzelle CR2032 — 1 kaufen
  Lithium 3 V, neu
• Batteriehalter CR2032 mit Schalter — 1 kaufen
  mit rotem und schwarzem Kabel, 10–15 cm (≈ 30 × 25 mm)
• Dünner Draht oder Kabel — 20 cm
  dünnes Kabel, an jedem Ende 1 cm abisoliert, zum Verlängern, falls die Kabel nicht reichen
• Klebeband und Isolierband — je 1 Rolle
  Isolierband zum Abdecken der Verbindungen
• Heißklebesticks — 1–2
  für die Heißklebepistole
• Wackelaugen — 2
  selbstklebend, Ø 8–10 mm

Werkzeuge

• Cuttermesser, Metalllineal und Schneidematte — die Streifen für die Beine schneiden Erwachsene
• Schere — Körper und Hüften ausschneiden
• Vorstecher oder Schaschlikspieß — 2-mm-Löcher für die Musterbeutelklammern Erwachsene
• Heißklebepistole — Hüften, Motor und Batteriehalter ankleben Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber — die Falzlinien der Hüften rillen

Teile und Vorlagen

• A · Körper (Sechseck) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Hüfte (L-Halterung) ×6 — Wellpappe 3 mm
• C · Oberschenkel ×6 — Wellpappe 3 mm
• D · Unterschenkel ×6 — Wellpappe 3 mm

Schritt für Schritt

1. Teste den Motor Erwachsene

   Verdrille das rote Kabel des Motors mit dem roten des Batteriehalters und das schwarze mit dem schwarzen (3 Umdrehungen Kupfer). Leg die CR2032 mit dem + nach oben ein und schalte ein: Der Motor muss summen und in der Hand vibrieren. Schalte aus.

   Prüfe: Vibriert er nicht, prüfe vor dem Weitermachen die Verbindungen und ob die Batterie neu ist.

2. Schneide Körper und Hüften aus

   Klebe die Vorlagen auf den Karton und schneide das Sechseck A (60 mm von Ecke zu Ecke) und die 6 Hüften B (20 × 28 mm) aus. Übertrage die 6 Strahlenlinien des Körpers auf die Unterseite.

3. Schneide die Beine aus Erwachsene

   Schneide 6 Oberschenkel C mit 15 × 50 mm und 6 Unterschenkel D mit 15 × 55 mm und V-Spitze, alle mit den Kartonwellen in Längsrichtung. Staple sie: Sie müssen identisch sein.

   Prüfe: Die 6 gestapelten Unterschenkel liegen millimetergenau übereinander.

4. Stich die Löcher Erwachsene

   Stich die markierten Löcher (2 pro Oberschenkel, 1 pro Unterschenkel, 1 pro Hüfte) mit der Spitze eines Schaschlikspießes: Sie sollen etwa 2 mm groß sein, kleiner als die Klammer, damit das Gelenk schwergängig bleibt.

5. Klebe die Hüften unter den Körper Erwachsene

   Falte jede Hüfte B an ihrer Falzlinie um 90°. Klebe den kurzen Teil (20 × 10 mm) unter dem Körper auf jede Strahlenlinie, mit dem Loch nach außen; der lange Teil hängt senkrecht. Nahe der Ecke ragt die Lasche etwas über den Rand des Sechsecks: Schneide diese Ecke bündig ab, damit sie ganz anliegt.

   Prüfe: Von unten gesehen bilden die 6 Hüften einen Stern, wie die Speichen eines Rads.

6. Baue die Knie

   Verbinde jeden Oberschenkel mit seinem Unterschenkel durch eine Musterbeutelklammer im Knieloch: Oberschenkel außen, Unterschenkel innen. Biege die Schenkel der Klammer auseinander und drücke sie fest an den Karton.

   Prüfe: Der Unterschenkel dreht sich nur, wenn du ihn mit dem Finger schiebst, und bleibt in der Stellung, in der du ihn lässt.

7. Baue die Hüften an

   Verbinde das andere Loch jedes Oberschenkels mit einer Musterbeutelklammer mit einer Hüfte, der Oberschenkel außen an der Hüfte. Drück die Klammerschenkel genauso fest wie bei den Knien.

8. Stelle die Beine ein

   Dreh jeden Oberschenkel, bis er fast waagerecht steht und nach außen nur leicht ansteigt (etwa 10°: höher stößt sein Rand an den Körper). Dreh jeden Unterschenkel, bis er fast senkrecht zum Tisch hinunterreicht. Stelle alle 6 so ein, dass der Körper waagerecht etwa 5 cm über dem Tisch steht.

   Prüfe: Die Spinne steht von allein und wackelt nicht, wenn du sie sanft von oben drückst.

9. Klebe den Batteriehalter auf Erwachsene

   Klebe den Batteriehalter mit Schalter mit einem Tropfen Heißkleber oder doppelseitigem Klebeband mittig auf die Oberseite des Körpers, mit dem Schalter zur Seite, damit du ihn bedienen kannst.

10. Klebe den Motor auf Erwachsene

    Klebe den Motor auf die hintere Hälfte des Körpers, mittig und längs, mit der Welle nach hinten. Gib Heißkleber nur auf das Motorgehäuse (nicht auf das Gewicht). Das Gewicht muss 5 mm über den hinteren Rand hinausragen, damit es sich dreht, ohne etwas zu berühren.

    Prüfe: Dreh das Gewicht mit dem Finger: Es dreht sich frei, ohne an Kabeln oder Karton zu schleifen.

11. Verstaue die Kabel

    Reichen die Motorkabel nicht bis zum Batteriehalter, verlängere sie mit dünnem Draht: Kupfer verdrillen und jede Verbindung mit Isolierband abdecken. Befestige überschüssige Kabel mit Klebeband am Körper, damit sie nicht bis zu den Beinen hängen.

12. Setz die Augen auf

    Klebe die zwei Wackelaugen an den vorderen Rand des Körpers (die mit VORNE markierte Seite), 15 mm auseinander.

13. Einschalten und einstellen

    Stell die Spinne auf einen glatten Tisch und schalte ein. Dreht sie sich im Kreis, neige den vorderen und hinteren Unterschenkel einer Seite 10° weiter nach hinten oder vertausche die zwei Motorkabel (das ändert die Drehrichtung). Kommt sie nicht voran, neige die 4 vorderen und hinteren Unterschenkel etwa 15° nach hinten (die des mittleren Paars drehen sich zur Seite: Lass sie senkrecht); die Spinne läuft dorthin, wohin die Knie „zeigen“.

    Tipp: Ändere immer nur eine Sache und teste jedes Mal 10 Sekunden.

Funktioniert es? Der Test

Markiere auf einem glatten Tisch einen Start und ein Ziel im Abstand von 50 cm. Schalte ein und stoppe die Zeit. Wiederhole das, nachdem du die Beine eingestellt hast.

Was passieren soll: Die Spinne vibriert summend und hüpft mit etwa 1–3 cm/s vorwärts; für 50 cm braucht sie 20–50 s, mit etwas Abweichung. Mit einer neuen Batterie läuft sie etwa 30–60 Minuten am Stück.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Motor vibriert nicht — Batterie leer oder falsch herum, Verbindung locker oder Schalter aus. Lösung: Prüfe, ob das + der Batterie oben ist, verbinde die Kabel neu und teste den Motor einzeln.
• Sie vibriert, bewegt sich aber nicht — Beine zu senkrecht oder zu symmetrisch, oder die Spinne ist zu schwer für den Motor. Lösung: Neige die vorderen und hinteren Unterschenkel etwa 15° nach hinten (die des mittleren Paars können sich nur zur Seite drehen: Lass sie senkrecht). Entferne schwere Verzierungen; die Spinne sollte weniger als 30 g wiegen.
• Sie dreht sich immer im Kreis — Die Beine einer Seite sind stärker geneigt oder der Motor sitzt nicht mittig. Lösung: Stelle die Beine gleich ein oder gleiche aus, indem du die der anderen Seite neigst. Vertauschst du die Motorkabel, kehrt sich die Drehrichtung um.
• Die Beine knicken ein und die Spinne fällt um — Lockere Klammern oder zu große Löcher. Lösung: Drück die Klammerschenkel fester an, setz eine Unterlegscheibe aus Karton ein oder gib einen Tropfen Kleber ans Gelenk, wenn das Bein richtig steht.
• Sie macht ein Schleifgeräusch und bleibt stehen — Das Gewicht berührt den Karton oder ein Kabel. Lösung: Lös den Motor und klebe ihn neu, sodass das Gewicht 5 mm über den Rand ragt.
• Sie läuft ein paar Minuten und wird dann schwächer — Die Knopfzelle verträgt hohe Ströme schlecht und „ermüdet“. Lösung: Schalte 1–2 Minuten aus, dann erholt sie sich teilweise; nimm eine neue Batterie oder zwei LR44 in Reihe.

Sicherheit

• Knopfzelle: SCHWERE GEFAHR beim Verschlucken (innere Verätzungen in weniger als 2 Stunden). Bewahre sie außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren auf, ein Erwachsener setzt die Batterie ein und nimmt sie heraus, und leere Batterien kommen in eine Batteriesammelstelle. Besteht der Verdacht, dass ein Kind eine verschluckt hat, sofort in die Notaufnahme.
• Musterbeutelklammern, Wackelaugen und Motor sind Kleinteile: nicht geeignet für Kinder unter 3 Jahren.
• Cuttermesser und Vorstecher benutzt ein Erwachsener, mit Schneidematte und Metalllineal.
• Heißkleber verbrennt: Der Erwachsene klebt, das Kind zeigt, wohin.
• Fass das Gewicht des Motors nicht an, während es sich dreht, und binde lange Haare zusammen.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Im Motor ist eine Welle, die sich sehr schnell dreht, und an ihrem Ende sitzt ein Gewicht, das nur auf einer Seite angebracht ist – wie ein schlecht gemachter Kreisel. Beim Drehen zieht das Gewicht den Motor ganz viele Male pro Sekunde mal zur einen, mal zur anderen Seite, und die ganze Spinne zittert. Weil ihre Beine schräg stehen, macht sie bei jedem Zittern einen winzigen Hüpfer dorthin, wohin die Beine zeigen – so, als würdest du schräg auf einem Bein hüpfen. Hunderte kleine Hüpfer pro Sekunde lassen die Spinne laufen!

Für Erwachsene

Der Vibrationsmotor trägt eine exzentrische Masse (m ≈ 0,2–0,5 g bei ≈ 1–2 mm Abstand zur Welle), die sich mit 8000–12 000 U/min (≈ 150–200 Hz) dreht. Die Zentrifugalkraft F = m·ω²·r dreht sich mit (≈ 0,2–0,5 N, ein Vielfaches des Gewichts der Spinne von ≈ 25 g ≈ 0,25 N), sodass die Spinne bei jeder Umdrehung kurz entlastet wird oder vom Boden abhebt. Sind die Beine geneigt, hat die Bodenreaktion bei jedem Kontakt eine waagerechte Komponente und die Reibung ist asymmetrisch: Das Bein „hakt“ beim Schieben in die eine Richtung und gleitet in die andere (dasselbe Prinzip wie bei Bristlebots). Das Ergebnis ist eine Vorwärtsbewegung in Neigungsrichtung der Beine plus eine Drehkomponente, die von der Drehrichtung des Motors abhängt (Reaktionsmoment und Phase der Kraft im Verhältnis zu jedem Bein) – deshalb ändert ein Umpolen die Drehung. Elektrisch ist es eine Reihenschaltung: Batterie CR2032 (3 V nominal, Innenwiderstand ≈ 10–20 Ω) → Schalter → Motor (≈ 30–40 Ω, 60–80 mA). Der Spannungsabfall am Innenwiderstand lässt ≈ 2–2,5 V am Motor übrig, genug für einen 3-V-Vibrationsmotor; ein 130er-Motor (≈ 2–3 Ω) würde Ströme verlangen, die die Batterie nicht liefern kann. Die Gelenke sind Drehgelenke mit einem Freiheitsgrad und genug Reibung, um die Stellung zu halten (wie ein Kamerastativ): Das Moment, das das Gewicht an der Hüfte ausübt, ≈ 0,04 N × 30 mm ≈ 1 mN·m, hält die Reibung einer fest angedrückten Klammer aus.

• Unwucht: außermittig drehendes Gewicht, das den Motor vibrieren lässt.
• Vibration: sehr schnelle Hin-und-her-Bewegung.
• Gelenk: Verbindung, die zwei Teile sich drehen lässt, wie dein Knie.
• Polarität: welcher Pol + und welcher − ist; vertauschst du sie, dreht der Motor andersherum.
• Stromkreis: geschlossener Weg, durch den der Strom fließt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Wegen der Knopfzelle und der Kleinteile nicht zum Alleinbauen geeignet. Der Erwachsene baut die Spinne; das Kind stellt die Beine ein, klebt die Augen auf und verziert sie.
• 8–10 Jahre: Der Erwachsene sticht die Löcher, klebt mit Heißkleber und kümmert sich um die Batterie; das Kind schneidet, baut die Gelenke und stellt die Beine ein.
• 11–12 Jahre: Kompletter Bau unter Aufsicht. Challenge: die Geschwindigkeit bei verschiedenen Winkeln messen und ein Diagramm zeichnen oder Beine mit 3 Segmenten entwerfen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, eine Spinne pro Paar (≈ 3 € für Motor, Batterie und Batteriehalter). Vorher: Beinstreifen vorschneiden, alle Motoren testen und die Batterien in einem Umschlag aufbewahren, den die Lehrkraft verwaltet. Einheit von 90 Min.: 10 Min. Vorführung der Unwucht (Motor lose in der Hand), 55 Min. Bauen, 25 Min. Einstellen und Rennen auf einer 1-m-Bahn aus Karton mit Rändern. Halte 2 Motoren und 2 Batterien als Ersatz bereit.

Challenges

• Lass die Spinne eine 1-m-Bahn geradeaus durchlaufen, ohne die Ränder zu berühren.
• Baue vorne eine Stoßstange aus Karton an, damit sie von Wänden abprallt und weiterläuft.
• Entwirf ein anderes Insekt (Käfer, Tausendfüßer) mit demselben Motor.
• Bau zwei Motoren ein, einen auf jeder Seite, mit getrennten Schaltern, damit du nach Belieben lenken kannst.

Weitere kostenlose Projekte

• Kritzelroboter
• Mechanische Hand mit Sehnen
• Tanzender Vibrationsroboter

Alle Projekte ansehen