Spiral-Wasserheber

Was das Kind lernt

• Dass eine sich drehende Schraubenlinie eine Drehung in eine Vorwärtsbewegung verwandelt: Jede Kurbelumdrehung hebt eine „Wassertasche“ um eine Windung an.
• Dass Wasser nie von selbst steigt: Es fällt immer an den tiefsten Punkt jeder Windung, aber dieser Punkt wandert beim Drehen nach oben.
• Dass der Neigungswinkel entscheidet, ob die Maschine funktioniert: Ist sie zu steil, laufen die Wassertaschen nach hinten leer.
• Eine Durchflussmenge (ml pro Minute) zu messen und mit der Drehgeschwindigkeit in Beziehung zu setzen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % und prüfe, dass die Vorlage der Schraubenlinie (A) 157 mm breit ist: Das ist der Umfang eines 50-mm-Rohrs.
• Miss dein Rohr: Hat es nicht 50 mm, schneide Vorlage A auf eine Breite von 3,14 × Durchmesser zu (Ø 40 → 126 mm; Ø 60 → 188 mm) und zeichne die Diagonalen neu.
• Schneide das Rohr auf 400 mm und umwickle es, wenn es aus Karton ist, komplett spiralförmig mit Paketklebeband, 1 cm überlappend.
• Lass den aufgerollten Schlauch 5 Minuten in der Sonne oder in heißem Leitungswasser liegen: Er wird weicher und lässt sich besser wickeln.
• Arbeite an einem Ort, an dem der Boden nass werden darf (Terrasse, Küche), und halte einen Lappen bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Festes Rohr — 1 Stück, 400 mm
  Außen-Ø 50 mm (Poster- oder Planrolle oder 50-mm-Abflussrohr aus PVC)
• Durchsichtiger Schlauch — 2 m kaufen
  Glasklarer PVC-Schlauch 6 × 8 mm (innen 6, außen 8); gibt es im Baumarkt als Meterware
• Durchsichtiges Paketklebeband — ≈ 1,5 m
  breit (48 mm), um das Kartonrohr wasserdicht zu machen
• Isolierband oder Gewebeband (Panzertape) — ≈ 1 m in 20 Stücken à 5 cm
  hält nass besser als Papierklebeband
• Wellpappe — 1 Stück 25 × 20 cm
  3 mm, für Deckel, Kurbel, Wiege und 30°-Winkel
• Bleistift oder Stäbchen — 1
  Ø 7–8 mm, 8–10 cm (Griff der Kurbel)
• Wanne oder Schüssel — 1
  ≥ 30 cm Durchmesser, mit 4–5 cm Wasser (≈ 2–3 l)
• Becher oder Messbecher — 1
  durchsichtig, 250 ml und höchstens 10 cm hoch
• Lebensmittelfarbe — 2–3 Tropfen
  blau oder grün, damit man die Wassertaschen sieht
• Bücher oder eine Schachtel — Stapel von ≈ 12–13 cm
  um die V-Wiege anzuheben

Werkzeuge

• Schere — Vorlagen ausschneiden und den Schlauch schneiden
• Cuttermesser und Metalllineal — die Kartonteile und das V der Wiege schneiden Erwachsene
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — 8-mm-Loch in der Kurbel Erwachsene
• Klebestift — die Vorlage der Schraubenlinie auf das Rohr kleben
• Bastelkleber (Weißleim) oder Heißklebepistole — Deckel, Kurbel und Wiege kleben Erwachsene
• Lineal und Permanentmarker — Steigung und Maße auf dem Rohr markieren

Teile und Vorlagen

• A · Vorlage der Schraubenlinie (Steigung 26 mm) ×1 — Papier 80 g
• B · Rohrdeckel ×2 — Wellpappe 3 mm
• C · Kurbelarm ×2 — Wellpappe 3 mm
• D · Seitenteile der V-Wiege ×2 — Wellpappe 3 mm
• E · Boden der Wiege ×1 — Wellpappe 3 mm
• F · 30°-Winkel ×1 — Wellpappe 3 mm
• G · Schlauch ×1 — PVC-Schlauch 6 × 8 mm

Schritt für Schritt

1. Bereite das Rohr vor Erwachsene

   Schneide das Rohr auf 400 mm. Ist es aus Karton, umwickle es komplett spiralförmig mit Paketklebeband, bei jeder Runde 1 cm überlappend. Zeichne mit dem Filzstift einen Strich 20 mm vom unteren Ende und einen bei 290 mm.

   Prüfe: Ein Wassertropfen auf dem Rohr darf nicht einziehen.

2. Klebe die Vorlage der Schraubenlinie auf

   Schneide Vorlage A aus. Wickle sie um das Rohr, mit dem unteren Rand auf dem 20-mm-Strich und den beiden Seitenrändern genau aneinander. Befestige sie mit 3 Streifen durchsichtigem Klebeband darüber, die sie auch vor Wasser schützen.

   Prüfe: Fahre die Linie mit dem Finger nach: Sie muss 10 Windungen am Stück ohne Sprünge machen, von 30 mm (1 cm über dem 20-mm-Strich) bis zum 290-mm-Strich.

3. Bereite die Einlauföffnung vor

   Schneide das Schlauchende schräg an (etwa 45° geneigt). Setze es an den Anfang der Schraubenlinie (unten, 30 mm vom Rohrende) und führe es gerade am Rohr entlang bis zum unteren Ende, sodass 10 mm Schlauch unten herausschauen. Befestige dieses gerade Stück mit zwei Runden Isolierband.

   Tipp: Der Schrägschnitt wirkt wie ein Löffel: Unten schöpft er Wasser, oben Luft.

4. Wickle den Schlauch auf die Linie

   Wickle den Schlauch entlang der Linie der Vorlage, immer in dieselbe Richtung und ohne ihn zu dehnen. Klebe nach jeder halben Windung ein 5 cm langes Stück Isolierband quer über den Schlauch, damit er nicht verrutscht.

   Prüfe: Miss mit dem Lineal zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen: 26 mm (zwischen 24 und 28 mm ist in Ordnung). Es müssen 10 Windungen sein.
   Tipp: Ein Erwachsener hält das Rohr und das Kind wickelt: Mit vier Händen geht es leichter.

5. Schneide den Auslauf bündig ab Erwachsene

   Am Ende der Schraubenlinie (290-mm-Strich) schneidest du den Schlauch so ab, dass er nur 15 mm der Krümmung folgend übersteht. Befestige das letzte Stück mit zwei Runden Klebeband. Heb das übrige Stück für andere Experimente auf.

   Prüfe: Puste in das untere Ende: Die Luft muss oben herauskommen. Wenn nicht, ist der Schlauch in einer Windung abgeknickt: Lockere diese Windung.

6. Verschließe beide Rohrenden Erwachsene

   Schneide die zwei Deckel B (Ø 50 mm) aus. Klebe je einen mit Bastelkleber oder Heißkleber auf jedes Rohrende und dichte sie mit zwei gekreuzten Streifen Paketklebeband ab, die 2 cm an der Seite hinunterreichen.

7. Baue die Kurbel Erwachsene

   Klebe die zwei Lagen von Arm C zusammen. Klebe den Arm auf den oberen Deckel, mit dem 1-mm-Punkt genau in der Mitte. Steck den Bleistift in das 8-mm-Loch, bis er 6 cm herausragt, und befestige ihn mit Heißkleber oder herumgewickeltem Klebeband.

   Prüfe: Wenn du am Bleistift drehst, dreht sich das Rohr mit, ohne dass sich der Arm verbiegt.

8. Baue die V-Wiege Erwachsene

   Schneide die zwei Seitenteile D und den Boden E aus. Knicke die 15-mm-Lasche jedes Seitenteils um und klebe sie aufrecht auf die Linien von E, mit ausgerichteten V. Leg ein Buch auf den Boden, solange der Kleber trocknet.

   Prüfe: Leg das Rohr in die V: Es muss sich frei drehen, und der Schlauch darf den Grund des V nicht berühren.

9. Baue die Szene auf

   Stell die Wanne mit 4–5 cm Wasser und 3 Tropfen Lebensmittelfarbe auf den Tisch. Stell die Wiege auf einen etwa 12–13 cm hohen Bücherstapel, außerhalb der Wanne und etwa 7 cm von ihrem Rand entfernt. Setz das untere Rohrende auf den Wannenboden, etwa 11 cm von der Wannenwand gegenüber der Wiege (nicht direkt an der Wand: bei einer 30-cm-Wanne würde das Rohr sonst die Wiege nicht erreichen), und leg das Rohr im Bereich zwischen 330 und 370 mm in die Wiege.

10. Stell 30° ein

    Stell den Winkel F neben dem Rohr auf den Tisch. Nimm Bücher weg oder leg welche dazu, bis die Hypotenuse parallel zum Rohr liegt. Die Einlauföffnung muss halb eingetaucht sein: Ist sie außerhalb des Wassers, gieß Wasser nach; liegen die ersten 3 Windungen unter Wasser, schöpf welches ab.

    Prüfe: Der Auslauf (290-mm-Strich) liegt etwa 15–17 cm über dem Wannenboden, außerhalb ihres Randes.

11. Stell den Auffangbecher auf

    Stell den Becher (höchstens 10 cm hoch) auf den Tisch, außerhalb der Wanne, direkt an eine Seite des Bücherstapels (zwischen Wanne und Stapel passt er nicht) und mit der Öffnung möglichst genau senkrecht unter dem Ende der Schraubenlinie. Dreh die Kurbel langsam mit der Hand: Der Auslauf muss im unteren Teil seiner Drehung über dem Becher vorbeikommen. Wenn nicht, nimm ein breiteres, flacheres Gefäß, etwa eine Dose, neben dem Stapel.

12. Dreh und beobachte

    Dreh die Kurbel im Takt von einer Umdrehung pro Sekunde, immer in die Richtung, in der die schräge Öffnung frontal ins Wasser „eintaucht“. Nach 10 Umdrehungen (so viele, wie die Schraubenlinie Windungen hat) fällt bei jeder Umdrehung ein kleiner Strahl in den Becher.

    Prüfe: Man sieht blaue Wassertaschen, getrennt durch Luftblasen, eine in jeder Windung, die nach oben wandern.
    Tipp: Steigt nach 15 Umdrehungen nichts, dreh in die andere Richtung: Andersherum befördert die Schraube das Wasser nach unten.

Funktioniert es? Der Test

Mit dem Rohr auf 30°, halb eingetauchter Öffnung und leerem Becher unter dem Auslauf drehst du die Kurbel 60-mal in 1 Minute (eine Umdrehung pro Sekunde) und misst das Wasser im Becher.

Was passieren soll: Nach den ersten 10 Umdrehungen zum Füllen fällt bei jeder Umdrehung Wasser: etwa 60–120 ml pro Minute mit 6-mm-Schlauch. Das Wasser steigt etwa 12 cm über die Wasseroberfläche der Wanne.

Wenn etwas nicht klappt

• Das Wasser steigt ein Stück und läuft wieder hinunter — Rohr zu steil (mehr als 45°): Die Taschen haben in jeder Windung keinen tiefen Punkt und laufen nach hinten leer. Lösung: Senke die Wiege mit Winkel F auf 30° ab.
• Unten läuft kein Wasser hinein — Die Einlauföffnung reicht nicht ins Wasser oder ist ständig untergetaucht und ohne Luft voller Wasser. Lösung: Pass den Wasserstand an: Die schräge Öffnung muss bei jeder Umdrehung ins Wasser ein- und wieder auftauchen (Wasser bis zur Mitte des Rohrendes).
• Es dreht sich, aber das Wasser kommt nicht voran — Du drehst in die Richtung, die das Wasser nach unten befördert. Lösung: Dreh andersherum. Richtig ist die Richtung, in der die Einlauföffnung frontal ins Wasser „beißt“.
• Das Wasser bleibt als Pfropfen im Schlauch stehen — Schlauch zu dünn (weniger als 5 mm innen): Die Oberflächenspannung blockiert den Durchfluss. Lösung: Nimm Schlauch mit 6 × 8 mm oder größer.
• Der Schlauch knickt in den Kurven ab — Dicker Schlauch auf dünnem Rohr: Biegeradius zu klein. Lösung: Mach ihn mit heißem Wasser weich, nimm ein 60-mm-Rohr oder Schlauch mit 6 × 8 mm.
• Die Schraubenlinie verrutscht beim Drehen — Nasses Papierklebeband oder zu wenige Befestigungspunkte. Lösung: Isolierband oder Kabelbinder bei jeder halben Windung (insgesamt 20 Befestigungen).
• Das Wasser fällt neben den Becher — Der Auslauf steht zu weit über und beschreibt einen großen Kreis. Lösung: Kürze ihn auf 15 mm und rück den Becher, direkt an der Seite des Stapels, an den tiefsten Punkt seiner Drehung; reicht es dann immer noch nicht, nimm eine breite, flache Dose.

Sicherheit

• Wasser und Strom: Bau den Versuch weit weg von Steckdosen, Verlängerungskabeln und Geräten auf.
• Wisch den Boden sofort trocken: Auf nassem Boden rutscht man aus.
• Cuttermesser und Heißkleber benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Trink das gefärbte Wasser nicht und saug nicht am Schlauch, um ihn zu füllen.
• Wenn du Sand benutzt, muss er trocken und sauber sein; puste den Sand nicht in Richtung Augen.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wasser ist faul: Es geht immer an die tiefste Stelle, die es findet. In jeder Schlauchwindung gibt es ein „Tal“, in dem ein Wassertäschchen liegen bleibt. Wenn du das Rohr drehst, wandert dieses Tal nach oben, wie wenn du auf einer Rolltreppe stehst, ohne zu laufen, und das Täschchen fährt mit. Am Ende kommt es oben an und fällt in den Becher. Du lieferst die Kraft mit der Kurbel; das Wasser lässt sich nur tragen.

Für Erwachsene

Der Schlauch bildet eine Schraubenlinie mit der Steigung p = 26 mm auf einem mittleren Durchmesser von 58 mm (Windungsumfang ≈ 182 mm, Steigungswinkel ≈ 8°). Ist die Achse um den Winkel θ geneigt, hat jede Windung ein lokales Höhenminimum, solange θ < 90° − 8° ist, aber die nutzbare Tasche ist nur groß, wenn θ klein ist: Bei θ ≈ 30° hält jede Windung in ihrem unteren Teil ein Stück Wasser fest, von der nächsten durch Luft getrennt. Dreht sich das Rohr, wandert die Lage dieser Minima pro Umdrehung um eine Steigung entlang der Achse, und das Wasser, das in seinem Minimum immer in Ruhe ist, wird transportiert, ohne dass es etwas nach oben „schiebt“: Die Arbeit leistet das Drehmoment an der Kurbel, das den Schwerpunkt des eingeschlossenen Wassers anhebt. Förderhöhe ≈ Länge der Schraubenlinie × sin θ = 260 mm (von 30 bis 290 mm) × 0,5 ≈ 13 cm; da das untere Ende halb eingetaucht ist, tritt das Wasser etwa 12 cm über der Wasseroberfläche der Wanne aus. Die Fördermenge ist etwa (Volumen jeder Tasche) × (Umdrehungen pro Sekunde): Bei 6 mm Innendurchmesser passen ≈ 5 ml in eine Windung, davon füllt die Tasche 1/4 bis 1/2 (1–2,5 ml). Wird θ größer, schrumpft die Tasche und verschwindet bei ~60–70° praktisch; wird θ kleiner, passt mehr Wasser hinein, aber die Förderhöhe sinkt. Es ist dieselbe Maschine, die heute in Kläranlagen und Getreideförderern verwendet wird und die die Überlieferung Archimedes (3. Jh. v. Chr.) zuschreibt, obwohl sie möglicherweise älter ist.

• Schraubenlinie: Linie, die sich um einen Zylinder windet und dabei vorankommt, wie das Gewinde einer Schraube.
• Steigung: wie weit die Schraubenlinie bei einer vollen Windung vorankommt (hier 26 mm).
• Neigung: Winkel zwischen dem Rohr und dem Tisch.
• Fördermenge: Wassermenge, die in einer bestimmten Zeit fließt, zum Beispiel Milliliter pro Minute.
• Kurbel: Arm mit Griff, mit dem man eine Achse von Hand drehen kann.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet das Rohr mit fertig aufgeklebter Schraubenlinie und die Wiege vor. Das Kind gibt die Farbe ins Wasser, dreht die Kurbel, zählt die Umdrehungen und misst mit dem Becher. Konzentriere dich auf „Das Wasser versteckt sich in jeder Windung unten und wir nehmen es mit auf einen Ausflug“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte; der Erwachsene schneidet und klebt mit Heißkleber. Lass sie selbst die richtige Drehrichtung herausfinden und den Winkel, ab dem es nicht mehr funktioniert.
• 11–12 Jahre: Lass sie aus der Schlauchlänge Steigung und Windungszahl berechnen (Umfang π × D und Satz des Pythagoras) und ein Diagramm Fördermenge–Winkel zeichnen. Challenge: das Wasser mit zwei hintereinandergeschalteten Schrauben 25 cm hoch heben.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams aus 3–4 (jedes Team baut eine Schraube mit einem Rohr und 2 m Schlauch, ≈ 2 € pro Team). Vor der Einheit: die Rohre schneiden und umwickeln, Vorlagen drucken und den Schlauch zuschneiden. Einheit von 75 min: 10 min Vorführung des Prinzips mit einem Schlauch in der Hand, 40 min Bauen, 25 min Messen auf dem Hof mit 2–3 gemeinsam genutzten Wannen (jedes Team misst einen anderen Winkel und die Daten werden in einer Tabelle an der Tafel gesammelt).

Challenges

• Heb Wasser mit zwei aneinandergereihten Schrauben in eine zweite Wanne und von dort in eine dritte.
• Treib die Schraube statt mit der Hand mit einem Schaufelrad oder einem Windrad an.
• Bau eine Schraube mit 3 parallelen Schläuchen (3 ineinander verschachtelte Schraubenlinien) und vergleiche die Fördermenge.
• Finde die ideale Neigung, um 1 Liter in kürzester Zeit hochzuheben, und beweise es mit Daten.

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
• Seilzugkran mit Kurbelwinde
• Tisch, der zu schweben scheint
• Baggerarm mit Spritzen
• Kettenreaktion auf dem Tisch
• Kran mit Zahnrad und Ritzel

Alle Projekte ansehen