Spirale, die sich durch Wärme dreht

Was das Kind lernt

• Dass warme Luft eine geringere Dichte hat als kalte und aufsteigt und dabei eine Strömung bildet (Konvektion).
• Dass eine schräge Fläche (jeder Abschnitt der Spirale ist wie der Flügel eines Windrads) eine aufsteigende Strömung in eine Drehung umwandelt.
• Dass die Drehrichtung davon abhängt, in welche Richtung die Spirale gewunden ist.
• Dass die Temperatur mit zunehmendem Abstand von der Flamme sehr schnell sinkt – und warum es einen messbaren Sicherheitsabstand gibt.
• Eine Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute zu messen und Variablen einzeln zu vergleichen.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlage mit 100 % direkt auf dünnen Fotokarton und prüfe mit dem Lineal, dass die Scheibe 160 mm misst.
• Such dir einen Platz: ein Zimmer ohne Zugluft, weit weg von Vorhängen, mit zwei Stühlen mit hoher Lehne und einem niedrigen Hocker oder einer stabilen Kiste von etwa 40 cm Höhe für die Kerze.
• Kürze den Docht der Kerze auf 5 mm (weniger Rauch und eine ruhigere Flamme).
• Stell ein Glas Wasser bereit und räume Papier und Stoffe im Umkreis von 1 m um die Kerze weg.
• Wenn die Kinder klein sind oder Kerzen nicht erlaubt sind, nimm einen Heizkörper oder eine Glühlampe als Wärmequelle.

Materialien und Werkzeuge

• Dünner Fotokarton — 1 A4-Blatt
  120–180 g/m², muss durch den Drucker passen; hell, damit du ihn bemalen kannst
• Kerze — 1 kaufen
  Teelicht oder Tafelkerze mit Ø 2–2,5 cm in einem standfesten Halter; Docht auf 5 mm gekürzt
• Keramik- oder Glasteller — 1
  Ø ≥ 15 cm, unter der Kerze (fängt Wachs auf und brennt nicht)
• Nähgarn — 60 cm
  aus Baumwolle oder Polyester, dünn
• Perle — 1
  Ø 5–8 mm, aus Kunststoff oder Holz, mit Loch von ≈ 1–1,5 mm
• Besenstiel oder Holzleiste — 1
  ≥ 70 cm lang
• Filzstifte oder Buntstifte — nach Belieben
  für Augen und Schuppen; keine Temperafarbe (sie macht den Fotokarton nass und wellig)
• Glas Wasser — 1
  neben der Kerze, zur Sicherheit

Werkzeuge

• Schere mit runder Spitze — Scheibe und Spirale ausschneiden
• Nähnadel — die Mitte durchstechen und den Faden durchziehen
• Lineal oder Maßband — Abstand Flamme–Schwanz messen (20–25 cm)
• Langes Stabfeuerzeug oder Streichhölzer — die Kerze anzünden Erwachsene
• Stoppuhr (Handy) — Umdrehungen pro Minute zählen

Teile und Vorlagen

• A · Spiralschlange (Breite 16 mm) ×1 — Fotokarton 120–180 g
• B · Schmale Vergleichsspirale (Breite 10 mm) ×1 — Fotokarton 120–180 g
• C · Aufhängefaden ×1 — Nähgarn

Schritt für Schritt

1. Drucken und prüfen

   Drucke Vorlage A mit 100 % auf dünnen Fotokarton mit 120–180 g. Miss die Scheibe mit dem Lineal: Sie muss 160 mm Durchmesser haben. Ist sie kleiner, hat der Drucker verkleinert.

   Prüfe: Durchmesser 160 mm ± 2 mm.

2. Scheibe ausschneiden

   Schneide den Kreis mit 160 mm am Außenrand entlang aus. Dreh das Papier, nicht die Schere, damit die Rundung schön rund wird.

3. Flach verzieren

   Bevor du die Spirale ausschneidest, bemale beide Seiten mit Filzstiften: Augen und Zunge in der Mitte (Kopf) und Schuppen entlang des Streifens. Flach geht das viel leichter als bei der fertig geschnittenen Spirale.

   Tipp: Keine Temperafarbe und kein Glitzerkleber: Sie machen den Karton nass, wellig und schwer.

4. Spirale ausschneiden

   Schneide entlang der dicken Spirallinie, beginne am Außenrand und arbeite dich nach innen vor, ohne von der Linie abzuweichen. Hör auf, wenn du die Mitte erreichst: Der Kopf mit Ø 20 mm wird nicht geschnitten.

   Prüfe: Wenn du den Kopf mit zwei Fingern hochhebst, hängt die Schlange als Schraube herunter, ohne lose Stücke und ohne Schnitte, die bis in den Kopf gehen.

5. Mitte durchstechen

   Stich mit der Nähnadel in den Mittelpunkt und dreh sie ein wenig, um das Loch auf 1,5–2 mm zu weiten. Es muss locker sein: Der Faden soll durchgehen, ohne zu reiben.

6. Drehpunkt mit der Perle bauen

   Fädle die 60 cm Faden in die Nadel ein. Zieh ihn von der Oberseite nach unten durch das Loch im Kopf, fädle unten die Perle auf und mach unter der Perle einen Doppelknoten. Zieh die Nadel ab.

   Prüfe: Halte den Faden: Die Spirale hängt auf der Perle, und wenn du sie mit dem Finger drehst, dreht sie sich, ohne dass sich der Faden aufwickelt.

7. Test ohne Wärme

   Halte die Schlange am Faden und puste aus 20 cm sanft von unten, oder halte einen Föhn auf Kaltstufe 40 cm darunter. Sie sollte sich innerhalb von 1–2 Sekunden zu drehen beginnen.

   Tipp: Dreht sie sich kaum, prüfe, ob sich zwei Windungen der Spirale berühren.

8. Halterung aufbauen

   Stell zwei Stühle Lehne an Lehne mit 50–60 cm Abstand auf und leg den Besenstiel auf die beiden Lehnen. Binde den Faden mit zwei Knoten in der Mitte des Stiels fest.

   Prüfe: Der Stiel bewegt sich nicht, wenn du leicht gegen einen Stuhl stößt.

9. Kerze darunterstellen Erwachsene

   Stell die Kerze auf den Keramikteller und den Teller auf einen niedrigen Hocker oder eine stabile Kiste von etwa 40 cm Höhe, genau unter die Perle: Nutze den Faden als Lot, um sie auszurichten.

10. Höhe einstellen Erwachsene

    Miss bei noch nicht angezündeter Kerze vom Docht nach oben: Der Schwanz der Schlange muss 23–28 cm über dem Docht sein (die Flamme ist etwa 3 cm hoch, so bleiben 20–25 cm bis zur Flammenspitze). Verlängere oder kürze den Faden, bis es passt. Ist der Schwanz trotz sehr kurzem Faden noch weniger als 23 cm vom Docht entfernt, stell die Kerze tiefer: Nimm statt des Hockers eine niedrigere Kiste.

    Prüfe: Nie weniger als 20 cm zwischen Flammenspitze und dem untersten Teil der Spirale.
    Tipp: Bei Lehnen von etwa 95 cm und einem 40-cm-Hocker ist genug Höhe da, und es reicht, den Faden zu verlängern; bei Stühlen mit niedriger Lehne (≈ 80 cm) brauchst du meist eine niedrigere Unterlage für die Kerze.

11. Schließen und anzünden Erwachsene

    Schließ Türen und Fenster und bitte alle, nicht in der Nähe vorbeizugehen. Der Erwachsene zündet die Kerze an, und alle bleiben ruhig in 1 m Abstand stehen. Nach 10–30 Sekunden beginnt sich die Schlange von selbst zu drehen.

12. Umdrehungen zählen

    Wähle ein Auge am Kopf als Markierung und zähle mit der Stoppuhr, wie viele Umdrehungen es in 1 Minute macht. Wiederhole das 3-mal und schreib den Mittelwert auf.

13. Löschen und aufräumen Erwachsene

    Der Erwachsene löscht die Kerze, indem er sie abdeckt oder von der Seite auspustet (nicht in Richtung Spirale). Warte 5 Minuten, bis das Wachs abgekühlt ist, bevor du den Teller bewegst oder die Schlange anfasst.

Funktioniert es? Der Test

Zähle bei brennender Kerze, mit dem Schwanz 20–25 cm über der Flammenspitze und in einem Zimmer ohne Zugluft, 1 Minute lang die Umdrehungen.

Was passieren soll: Die Schlange beginnt sich in weniger als 30 s zu drehen und dreht sich gleichmäßig mit etwa 10–40 Umdrehungen pro Minute, immer in dieselbe Richtung. Nach dem Löschen der Kerze wird sie in etwa 20–60 s langsamer und bleibt stehen. Der Fotokarton wird weder dunkel noch wellig.

Wenn etwas nicht klappt

• Sie dreht sich nicht oder schaukelt hin und her — Zugluft lenkt die warme Luftsäule ab, oder die Kerze steht nicht genau darunter. Lösung: Schließ Türen und Fenster, geht 1 m weg und richte die Kerze mit dem Faden als Lot neu aus (bei gelöschter Kerze).
• Sie dreht sich 2–3-mal, bleibt stehen und dreht zurück — Der Faden ist am Papier festgebunden und verdrillt sich wie eine Feder. Lösung: Bau den Drehpunkt mit der Perle und dem lockeren Loch, oder setz einen Angelwirbel zwischen Faden und Spirale.
• Sie dreht sich sehr langsam — Sie hängt zu hoch, das Papier ist zu schwer oder die Windungen berühren sich. Lösung: Häng sie tiefer, bis auf 20 cm (nie weniger), nimm Fotokarton mit 120 g (ein A4-Blatt dreht sich schon bei weniger Wärme, schaukelt aber mehr) und trenn sich berührende Windungen mit dem Finger.
• Der Fotokarton wellt sich, wird dunkel oder riecht verbrannt — Er ist zu nah an der Flamme. Lösung: Lösch die Kerze und häng die Schlange höher, bis der Schwanz mindestens 20–25 cm über der Flammenspitze ist.
• Es gibt schwarzen Rauch und die Flamme flackert — Docht zu lang oder Zugluft. Lösung: Lösch die Kerze, lass sie abkühlen und kürze den Docht auf 5 mm. Eine ruhige Flamme ergibt eine stabilere Luftsäule.
• Sie dreht sich andersherum als die eines anderen Kindes — Das ist kein Fehler: Die Spirale hängt mit der anderen Seite nach oben, und die Schraube ist in die andere Richtung gewunden. Lösung: Dreh die Spirale um (zieh den Faden von der anderen Seite durch), dann dreht sie sich in die Gegenrichtung.

Sicherheit

• Die Kerze zündet immer ein Erwachsener an, beaufsichtigt sie und löscht sie. Sie wird nie allein gelassen, auch nicht für eine Minute.
• Mindestabstand von 20 cm zwischen Flammenspitze und dem untersten Teil der Spirale: In 10 cm Höhe hat die Luft etwa 200 °C, und der Fotokarton kann brennen.
• Lange Haare zusammenbinden, weite Ärmel hochkrempeln, und niemand beugt sich über die Kerze.
• Kerze auf einem Keramikteller, auf einer stabilen Fläche und mehr als 1 m von Vorhängen, Papier und Stoffen entfernt. Stell ein Glas Wasser daneben.
• Fass die Schlange nicht an und bewege den Teller nicht, solange die Kerze brennt; warte nach dem Löschen 5 Minuten (das Wachs ist heiß).
• Mit Kindern von 5–7 Jahren oder in der Schulklasse nimm einen Heizkörper oder eine Glühlampe: Der Effekt ist derselbe, und es gibt keine Flamme.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Warme Luft ist wie ein unsichtbarer Ballon: Sie ist leichter als die kalte Luft drumherum und steigt deshalb auf. Über der Kerze entsteht ein Strom warmer Luft, der nach oben fährt wie ein Aufzug. Wenn diese Luft gegen die Spirale stößt, drückt sie gegen jede Windung, die schräg steht wie der Flügel eines Windrads, und bringt sie zum Drehen. Nimmst du die Kerze weg, hält der Aufzug an – und die Schlange auch.

Für Erwachsene

Die Flamme erwärmt die Luft um sich herum; warme Luft dehnt sich aus (bei konstantem Druck ist ihre Dichte umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur: Bei 80 °C ist sie ≈ 17 % weniger dicht als bei 20 °C) und erfährt einen Netto-Auftrieb nach oben. Es bildet sich eine thermische Fahne, die mit einigen zehn cm/s aufsteigt, dabei Umgebungsluft mitreißt, breiter wird und schnell abkühlt (bei einer Punktquelle fällt die Übertemperatur etwa mit z^(−5/3)): ≈ 200 °C in 10 cm und ≈ 70–90 °C in 20 cm Höhe über einer Kerze mit ≈ 50–80 W. Die Luft, die die Fahne ersetzt, strömt auf Höhe der Flamme von den Seiten nach (Konvektion). Die auseinandergezogene Spirale ist eine Schraubenlinie: Jeder Abschnitt steht schräg zur Senkrechten, daher wird die aufsteigende Strömung beim Vorbeistreichen abgelenkt, und die Reaktionskraft auf den Karton hat eine tangentiale Komponente, die ein Drehmoment erzeugt – genau wie bei einem Windrad oder den Schaufeln einer Turbine. Das Drehmoment ist klein (in der Größenordnung von Mikronewtonmetern), daher ist die Reibung am Drehpunkt entscheidend: Ein am Papier festgebundener Faden baut Torsion auf und stoppt die Drehung; ein lockeres Loch auf einer Perle bietet kaum Widerstand. Die Drehrichtung bestimmt die Händigkeit der Schraube: Hängt man die Scheibe mit der anderen Seite nach oben, kehrt sie sich um. Ein breiterer Streifen ergibt mehr schräge Fläche, aber weniger Windungen; mit einem 80-g-Blatt (≈ 1,6 g Scheibe) läuft sie früher an als mit 180-g-Fotokarton (≈ 3,6 g).

• Konvektion: Bewegung von Luft oder Wasser, bei der das Warme aufsteigt und das Kalte absinkt und so Wärme von einem Ort zum anderen trägt.
• Dichte: wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt; warme Luft hat weniger davon und schwebt deshalb über der kalten.
• Schraubenlinie (Helix): die Form einer Sprungfeder oder einer Wendelrutsche, die die Schlange annimmt, wenn sie hängt.
• Drehpunkt: Punkt, um den sich etwas mit sehr wenig Reibung dreht.
• Turbine: Rad mit schrägen Schaufeln, das sich dreht, wenn ein strömendes Gas oder eine Flüssigkeit hindurchfließt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Spirale aus (oder das Kind schneidet mit einer Schere mit runder Spitze an einer dicken Linie entlang) und übernimmt alles, was mit der Kerze zu tun hat. Besser einen Heizkörper oder einen Föhn auf Kaltstufe nehmen, damit das Kind nah herangehen kann. Im Mittelpunkt steht: „Warme Luft steigt auf.“
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer Kerze anzünden und löschen. Lass sie selbst den Sicherheitsabstand mit dem Lineal messen und die Umdrehungen pro Minute zählen.
• 11–12 Jahre: Sie entwerfen ihre eigene Spirale (Streifenbreite, Durchmesser, Zahl der Windungen), vergleichen zwei Variablen mit je drei Messungen und erklären die Drehrichtung mit der Idee der Schraubenlinie. Sie können ausrechnen, um wie viel weniger dicht Luft bei 80 °C ist als bei 20 °C (Verhältnis der absoluten Temperaturen: 293/353).

In der Gruppe oder in der Klasse

Jedes Kind baut seine eigene Schlange (25 min mit auf Fotokarton gedruckten Vorlagen). Für den Test keine Kerzen pro Gruppe: 3 Stationen, jede von einem Erwachsenen beaufsichtigt (Heizkörper, Glühlampe mit 60 W nach oben und, wenn die Einrichtung es erlaubt, eine einzige Kerze der Lehrkraft mit Besenstiel-Halterung und bereits gemessenem Abstand). Die Gruppen mit 3–4 Kindern wechseln alle 5 min, zählen die Umdrehungen pro Minute und schreiben sie an die Tafel. Insgesamt ≈ 60 min. Halte 5 Perlen und Faden in Reserve.

Challenges

• Zeichne mit dem Zirkel eine kleinere Schlange auf eine Scheibe mit Ø 120 mm und vergleiche ihre Geschwindigkeit mit der 160-mm-Schlange.
• Bau ein Karussell: eine Scheibe aus Fotokarton mit 6 um 30° geneigten Flügeln, auf eine Bleistiftspitze gesetzt, über einem Heizkörper.
• Häng zwei Schlangen (eine normal, eine umgedreht) über denselben Heizkörper: Drehen sie sich in entgegengesetzte Richtungen?
• Entwirf ein Mobile mit drei Schlangen in verschiedenen Höhen über einem Heizkörper und finde heraus, welche sich am schnellsten dreht.
• Erfinde eine Methode, die Umdrehungen zu messen, ohne selbst zu zählen (zum Beispiel mit dem Handy filmen und in Zeitlupe zählen).

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Flaschentaucher
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserfilter in Schichten
• Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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