Tanzender Vibrationsroboter

Was das Kind lernt

• Dass eine außermittig drehende Masse eine Kraft erzeugt, die sehr schnell ihre Richtung ändert: Das ist eine Vibration.
• Dass die Vibration mit schrägen Beinen und Reibung zu Fortbewegung und Drehung wird.
• Einen einfachen geschlossenen Stromkreis mit Batterien, Schalter und Motor aufzubauen – und dass sich der Motor andersherum dreht, wenn man die Kabel vertauscht.
• Dass ein tiefer Schwerpunkt und eine breite Standfläche verhindern, dass ein Roboter umkippt.

Vorher vorbereiten

• Teste den Motor vor der Einheit: Verbinde seine Kabel mit denen des Batteriehalters und prüfe, ob er kräftig dreht.
• Drucke die Teile A mit 100 % aus und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile.
• Schneide und durchbohre die Radiergummis (Gewichte) vorher, wenn die Kinder klein sind.
• Lege das große Papier auf den Tisch und nimm die Kappen der Filzstifte erst beim Test ab.
• Prüfe, ob die Batterien neu sind: Mit leeren Batterien bewegt sich der Roboter kaum.

Materialien und Werkzeuge

• Gleichstrommotor Typ 130 — 1 kaufen
  1,5–6 V, Welle 2 mm, mit zwei angelöteten Kabeln (rot und schwarz)
• Batteriehalter 2 × AA mit Schalter — 1 kaufen
  Ausgang 3 V mit rotem (+) und schwarzem (−) Kabel, ≈ 58 × 32 × 15 mm
• AA-Batterien — 2
  Alkali, 1,5 V (oder Akkus mit 1,2 V, etwas langsamer)
• Großer Deckel — 1
  von einem Glas oder einer Dose, Ø 70–85 mm (Kakao, großes Marmeladenglas)
• Dicke Filzstifte — 4
  gleich, ≈ 13 cm lang und Ø 10–15 mm, abwaschbar (dürfen fast ausgetrocknet sein, wenn sie nur tanzen sollen)
• Fotokarton — 1 A4-Bogen
  250–300 g/m² oder Karton einer Müslischachtel
• Radiergummi — 1 Stück, 20 × 12 × 8 mm
  weich, für das außermittige Gewicht
• Isolierband oder Malerkrepp — ≈ 1 m
  für Beine und Kabelverbindungen
• Heißklebesticks — 1–2
  für die Heißklebepistole
• Wackelaugen — 2 kaufen
  selbstklebend, 10–15 mm
• Großes Papier — 1 Bogen 50 × 70 cm
  Packpapier oder Zeichenpapier, damit der Roboter malen kann, ohne etwas zu verschmieren

Werkzeuge

• Schere — Mantel und Klebeband zuschneiden
• Heißklebepistole — Motor, Batteriehalter und Mantel am Deckel befestigen Erwachsene
• Cuttermesser — den Radiergummi zuschneiden Erwachsene
• Stecknadel oder dicke Nadel — das Führungsloch für die Welle in den Radiergummi stechen Erwachsene
• Klebestift — die Vorlage auf den Fotokarton kleben

Teile und Vorlagen

• A · Kegelmantel (halber Kegel) ×2 — Fotokarton 250–300 g/m²
• B · Plattform (falls du keinen Deckel hast) ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Außermittiges Gewicht ×1 — Radiergummi

Schritt für Schritt

1. Teste den Motor

   Lege die 2 AA-Batterien in den Batteriehalter. Verdrille das rote Kabel des Batteriehalters mit einem Motorkabel und das schwarze mit dem anderen (je 3 Umdrehungen). Schalte ein: Die Welle muss sich schnell drehen. Schalte wieder aus.

   Prüfe: Wenn er sich nicht dreht, prüfe Batterien und Schalter und ob das Kupfer (nicht das Plastik) Kontakt hat.

2. Bereite das außermittige Gewicht vor Erwachsene

   Schneide ein Stück Radiergummi von 20 × 12 × 8 mm ab. Stich mit einer Stecknadel 4 mm von einem Ende ein Führungsloch (Teil C) und stecke den Radiergummi etwa 6 mm tief auf die Motorwelle. Sichere ihn mit einem Tropfen Heißkleber.

   Prüfe: Drehe die Welle mit den Fingern: Der Radiergummi dreht sich wie ein Fähnchen, fast ganz auf einer Seite.

3. Schneide den Mantel aus

   Klebe die Vorlage A auf den Fotokarton und schneide beide Hälften entlang der durchgezogenen Linie aus. Ziehe jede Hälfte über die Tischkante, damit sie sich zu einem Kegel wölbt.

4. Baue den Kegel zusammen

   Klebe die Klebelasche der einen Hälfte mit Klebestift oder Bastelkleber unter den Rand der anderen und schließe den Kegel dann mit der zweiten Klebelasche. Verstärke beide Nähte innen und außen mit Klebeband.

   Prüfe: Auf dem Tisch stehend misst der Kegel unten etwa 84 mm und oben 60 mm im Durchmesser.

5. Klebe den Deckel oben auf Erwachsene

   Lege den großen Deckel umgedreht (oder die Plattform B) mittig auf die kleine Öffnung des Kegels und klebe ihn mit einer Raupe Heißkleber rund um die Naht fest.

6. Klebe die Beine an

   Lege fest, wo der Motor hinkommt (hinten) und wo die Augen (vorne, auf der Gegenseite). Lege einen Filzstift längs an den Kegel, Spitze nach unten, das obere Ende bündig mit dem Deckel, eine Achteldrehung (45°) von der Motorstelle entfernt. Befestige ihn mit 2 Streifen Klebeband à 8 cm, die um Filzstift und Kegel herumgehen. Wiederhole das mit den anderen 3, jeweils eine Vierteldrehung (90°) versetzt: Motor und Augen liegen dann jeweils in der Lücke zwischen zwei Beinen.

   Prüfe: Der Roboter steht mit allen 4 Spitzen auf dem Tisch und wackelt nicht, wenn du ihn sanft anstupst.
   Tipp: Schau von oben auf den Roboter: Die 4 Beine müssen ein X bilden, mit der Motorstelle genau zwischen zweien. Stell ihn hin und prüfe, ob er nicht wackelt.

7. Sichere die Beine Erwachsene

   Setze oben zwischen jeden Filzstift und den Kegel einen Tropfen Heißkleber und wickle auf halber Kegelhöhe einmal Isolierband ganz um die 4 Beine und den Kegel.

   Prüfe: Wenn du den Roboter schüttelst, bewegen sich die Beine nicht.

8. Befestige den Batteriehalter Erwachsene

   Klebe den Batteriehalter mittig oben auf den Deckel, den Schalter gut erreichbar, mit zwei Punkten Heißkleber oder dickem doppelseitigem Klebeband.

   Tipp: Mittig ist wichtig: Er ist das schwerste Teil (≈ 60 g mit Batterien) und bestimmt das Gleichgewicht des Roboters.

9. Befestige den Motor am Rand Erwachsene

   Lege den Motor mit der Welle nach außen auf den Deckel, in die Lücke zwischen zwei Beinen (genau in der Mitte zwischen ihnen, nie über einem Bein), so dass das Gewicht etwa 15 mm über den Deckelrand hinausragt und sich dreht, ohne Deckel oder Beine zu berühren. Klebe ihn mit Heißkleber fest und umwickle ihn mit einem Streifen Klebeband.

   Prüfe: Drehe das Gewicht mit dem Finger: Es dreht sich ganz herum, ohne irgendwo zu streifen.
   Tipp: Die 15 mm werden vom Deckelrand aus gemessen, egal wie groß der Deckel ist: Bei einem kleinen Deckel (Ø 70) sitzt der Motor weiter außen, aber sein Körper muss trotzdem mindestens 20 mm auf dem Deckel aufliegen. Ist es weniger, nimm einen größeren Deckel oder die Plattform B.

10. Ordne die Kabel

    Umwickle jede verdrillte Kabelverbindung mit 3 cm Isolierband und klebe die überschüssigen Kabel auf den Deckel, weit weg vom Gewicht.

    Prüfe: Kein Kabel hängt in der Nähe des drehenden Gewichts.

11. Verziere ihn

    Klebe die Wackelaugen auf die Seite gegenüber dem Motor (das „Vorne“ der Figur) und male ein Gesicht oder füge leichte Fühler aus Fotokarton hinzu (insgesamt unter 5 g).

12. Los, tanz!

    Stelle den Roboter auf das große Papier, nimm die Kappen der Filzstifte ab und schalte ein. Der Roboter vibriert, dreht sich und wandert umher, wobei er Spiralen zeichnet. Zum Ausschalten halte ihn am Deckel fest.

    Prüfe: Er bewegt sich mehrere Minuten lang von allein, ohne umzukippen.

Funktioniert es? Der Test

Schalte den Roboter auf Papier auf einem glatten Tisch 30 s lang ein und beobachte, welche Zeichnung er hinterlässt und wie weit er gewandert ist.

Was passieren soll: Mit neuen Batterien dreht sich der Roboter um sich selbst und bewegt sich in Kurven vorwärts, wobei er Spiralen und Schleifen hinterlässt; in 30 s legt er etwa 20–50 cm zurück. Vertauscht man die Motorkabel, ändert sich die Drehrichtung des Tanzes.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Motor dreht sich, aber der Roboter bewegt sich nicht — Gewicht zu klein oder fast mittig auf der Welle. Lösung: Nimm einen größeren Radiergummi und stecke die Welle näher an einem Ende ein, oder klebe eine Mutter an das ferne Ende.
• Der Roboter kippt um — Beine zu wenig gespreizt, Gewicht nicht mittig oder Gewicht zu groß. Lösung: Prüfe, ob der Batteriehalter mittig sitzt, spreize die Beine weiter (einen Flaschendeckel zwischen Kegel und Bein stecken) oder kürze den Radiergummi.
• Der Motor dreht sich nicht — Leere Batterien, Schalter aus oder lose Kabelverbindung. Lösung: Teste den Motor direkt am Batteriehalter; mach die Verbindungen neu und verdrille das Kupfer gut.
• Der Motor brummt, läuft aber nicht an — Das Gewicht streift am Deckel, an einem Bein oder an einem Kabel. Lösung: Schiebe den Motor nach außen, bis sich das Gewicht frei dreht.
• Er dreht sich nur auf der Stelle, ohne voranzukommen — Die Beine sind genau gleich und symmetrisch: Die Vibration schiebt in keine Richtung. Lösung: Setze ein Bein etwas höher oder tiefer (5 mm), um die Symmetrie zu brechen: Der Roboter beginnt zu wandern.
• Das Gewicht fliegt weg — Zu wenig Heißkleber oder zu großes Loch. Lösung: Stich mit der Stecknadel ein neues Loch (kleiner als die Welle) und sichere es mit Heißkleber. Halte beim Testen das Gesicht fern.

Sicherheit

• Das Gewicht dreht sich mit mehreren tausend Umdrehungen pro Minute: Halte Gesicht und lange Haare fern und schalte den Roboter aus, bevor du den Motor anfasst.
• Heißkleber und Cuttermesser: immer ein Erwachsener.
• Verwende nur AA-Batterien im Batteriehalter; verwende bei kleinen Kindern keine Knopfzellen (verschluckt sind sie sehr gefährlich) und schließe den Batteriehalter nicht kurz (er wird heiß).
• Wackelaugen und Batterien sind Kleinteile: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.
• Filzstifte ohne Kappe färben ab: Nimm abwaschbare und lege Papier unter.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Im Roboter steckt ein Motor, der sich superschnell dreht, und an seiner Spitze sitzt ein Stück Radiergummi, das nur auf einer Seite hängt. Das ist wie wenn du eine Schnur mit etwas am Ende herumwirbelst: Sie zieht deine Hand mal hierhin, mal dorthin. Dieses Ziehen ändert sich so schnell, dass der ganze Roboter zittert. Weil die Beine schräg stehen und am Tisch reiben, schiebt ihn jedes Zittern ein kleines bisschen weiter – und mit ganz vielen Zitterern hintereinander tanzt der Roboter!

Für Erwachsene

Eine Masse m, die im Abstand r von der Achse mit der Winkelgeschwindigkeit ω umläuft, benötigt eine Zentripetalkraft F = m·r·ω²; als Reaktion wirkt auf den Motor eine gleich große Kraft, die mit der Masse umläuft (umlaufende Unwuchtkraft). Mit m ≈ 2 g, r ≈ 6 mm und dem Motor bei ≈ 5000 U/min (ω ≈ 520 rad/s) unter Last ergibt sich F ≈ 3 N, mehr als das Gewicht des Roboters (≈ 1,3 N bei 130 g): Deshalb hebt der Roboter zeitweise die Beine an. Da die Kraft am Rand und oben angreift, erzeugt sie außerdem ein Drehmoment, das den Roboter auf seinen Beinen drehen lässt. Die schrägen Beine verwandeln die Vibration in Vorwärtsbewegung: In jedem Zyklus wird das Bein entlastet und rutscht in eine Richtung weiter als in die andere (Haft- gegenüber Gleitreibung) – dasselbe Prinzip wie bei den „Bristlebots“. Der Stromkreis besteht aus einer 3-V-Quelle (2 × AA in Reihe), einem Schalter und einem Gleichstrommotor mit ≈ 0,3 A; die Polarität umzukehren kehrt die Drehrichtung um und damit die Richtung des Tanzes. Eine CR2032 hat einen Innenwiderstand von etwa 10–20 Ω und kann diesen Strom daher nicht liefern.

• Vibration: sehr schnelle Hin-und-her-Bewegung.
• exzentrisch: nicht in der Mitte; ein exzentrisches Gewicht dreht sich mit Unwucht.
• Stromkreis: geschlossener Weg, auf dem der Strom von der Batterie zum Motor und zurück fließt.
• Reibung: Kraft, die entsteht, wenn zwei Oberflächen aneinander reiben, und die die Bewegung bremst.
• Schwerpunkt: Punkt, in dem das ganze Gewicht eines Gegenstands vereint zu sein scheint.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut Gewicht, Motor und Batteriehalter mit Heißkleber ein und bereitet den Kegel vor. Das Kind klebt die Beine mit Klebeband an, verdrillt die Kabel und verziert. Konzentriere dich auf „der außermittige Radiergummi bringt ihn zum Zittern“.
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles selbst, außer Heißkleber und Cuttermesser. Lass sie selbst herausfinden, was passiert, wenn man das Gewicht oder ein Bein verschiebt, und es notieren.
• 11–12 Jahre: Lass sie die Kraft F = m·r·ω² berechnen: Masse des Radiergummis mit einer Küchenwaage messen und 5000 U/min annehmen. Challenge: die Mini-Version mit Münz-Vibrationsmotor, CR2032-Knopfzelle und Zahnbürstenkopf bauen („Bristlebot“).

In der Gruppe oder in der Klasse

Zu zweit, ein Roboter pro Paar (Motor + Batteriehalter ≈ 2–3 € pro Roboter). Vorher: alle Motoren testen, die Gewichte zuschneiden, die Teile A auf Fotokarton drucken und die Motoren mit bereits aufgeklebtem Gewicht vorbereiten. Einheit von 60 min: 10 min Vorführung, 35 min Bauen, 15 min „Tanzfläche“ auf einer Papierrolle am Boden des Klassenzimmers und Wettrennen aus dem Kreis. Halte 2 Motoren, Gewichte und Batterien in Reserve. Nur eine Heißklebepistole pro Tisch, bedient von der Lehrkraft.

Challenges

• Bring den Roboter dazu, 30 cm einigermaßen geradeaus zu laufen.
• Baue einen Roboter mit 3 Beinen und vergleiche ihn mit dem 4-beinigen.
• Lass den Roboter eine Blume zeichnen: Wähle 4 Farben und probiere verschiedene Beinhöhen aus.
• Füge auf der anderen Seite einen zweiten Motor mit Gewicht hinzu und finde heraus, was passiert, wenn sie sich in die gleiche oder in entgegengesetzte Richtungen drehen.
• Entwirf ein Gehege aus Karton mit Hindernissen und bring den Roboter dazu, es zu durchqueren, ohne stecken zu bleiben.

Weitere kostenlose Projekte

• Kritzelroboter
• Mechanische Hand mit Sehnen
• Spinne mit sechs Gelenkbeinen

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