Tischventilator mit Motor

Was das Kind lernt

• Dass ein Stromkreis einen geschlossenen Weg braucht: Batterie → Schalter → Motor → Batterie, und dass der Motor stoppt, wenn man ihn öffnet.
• Dass vertauschte Kabel die Drehrichtung des Motors umkehren und damit auch die Richtung der Luft.
• Dass die Flügel Luft schieben, weil sie schräg stehen: Flach (0°) oder hochkant (90°) blasen sie nicht.
• Dass mehr Spannung (mehr Batterien in Reihe) den Motor schneller drehen lässt und mehr Luft bewegt.
• Warum ein Propeller ausgewuchtet sein muss: 4 gleiche, symmetrische Flügel vibrieren nicht.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen in 100 % und prüfe die rote 50-mm-Linie in der Kopfzeile.
• Teste den Motor, bevor du anfängst: Berühre mit seinen Kabeln die beiden Enden des Batteriehalters mit eingelegten Batterien. Dreht er sich nicht, tausche den Motor oder die Batterien.
• Durchstich den Flaschendeckel: ein mittiges Loch von 1,5–2 mm (ein klein wenig enger als die Welle), damit er stramm sitzt.
• Isoliere 15 mm an jedem Kabelende ab, falls sie nicht schon abisoliert sind.
• In einer Gruppe mit Kindern unter 7 Jahren schneidest du die Flügel aus Fotokarton selbst zu: Sie müssen identisch sein.

Materialien und Werkzeuge

• Gleichstrommotor Typ 130 — 1 kaufen
  1,5–6 V, Gehäuse 25 × 20 × 15 mm, Welle 2 mm; am besten mit schon angelöteten Kabeln (rot und schwarz)
• Batteriehalter 2 × AA mit Kabeln — 1 kaufen
  Ausgang 3 V, rotes (+) und schwarzes (−) Kabel, mindestens 15 cm lang, die Kabel kommen an einem Ende heraus
• Alkaline-AA-Batterien — 2
  je 1,5 V, neu
• Pappbecher — 1
  200 ml: etwa 90 mm hoch, Öffnung Ø 75 mm und Boden Ø 52 mm
• Wellpappe — 1 Stück, 15 × 20 cm
  3–4 mm, für Grundplatte und Plattform
• Fotokarton — 1 A4-Blatt
  250–300 g/m² (steif); Karton einer Müslischachtel geht auch
• Plastik-Flaschendeckel — 1
  Ø 30 mm, 12–14 mm hoch (Wasser- oder Limoflasche)
• Musterbeutelklammern — 2
  aus Metall, mit 15–25 mm langen Beinen
• Metall-Büroklammer — 1
  32 mm, ohne Kunststoffüberzug
• Dünnes Elektrokabel — 20 cm
  isoliert, 0,2–0,5 mm² (Klingeldraht oder aus einem alten Ladegerät)
• Heißklebesticks — 2
  für die Heißklebepistole
• Isolierband — 1 Rolle
  zum Abdecken der Kabelverbindungen

Werkzeuge

• Schere — Flügel, Vorlagen und Fotokarton zuschneiden
• Cuttermesser und Lineal — Grundplatte und Plattform aus Karton schneiden Erwachsene
• 2-mm-Nagel oder feiner Vorstecher — das Loch in der Mitte des Flaschendeckels machen (etwas kleiner als die Welle) Erwachsene
• Heißklebepistole — Motor, Flaschendeckel und Flügel festkleben Erwachsene
• Schere oder Abisolierzange — 15 mm an den Kabelenden abisolieren Erwachsene
• Klebestift — die Vorlagen auf den Fotokarton kleben

Teile und Vorlagen

• A · Grundplatte ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• B · Motorplattform ×1 — Wellpappe 3–4 mm
• C · Zentrierhilfe für den Flaschendeckel ×1 — Papier
• D · Flügel ×4 — Fotokarton 250–300 g
• E · 30°-Markierstreifen ×1 — Papier
• F · 30°-Winkelschablone (Prüfer) ×1 — Fotokarton
• G · Brückenkabel ×1 — dünnes, isoliertes Kabel

Schritt für Schritt

1. Teste den Motor

   Leg die 2 AA-Batterien in den Batteriehalter und berühre mit den Motorkabeln das rote und das schwarze Kabel des Batteriehalters. Die Welle muss sich schnell drehen. Kleb ein Stückchen Klebeband als Fähnchen an die Welle, um die Drehrichtung zu sehen.

   Prüfe: Dreht er sich nicht, prüfe die Polung der Batterien (das + jeder Batterie zum + im Batteriehalter).

2. Schneide die Flügel aus

   Klebe die Vorlage D mit dem Klebestift auf den Fotokarton und schneide 4 identische Flügel von 48 mm (von der Falzlinie bis zur Spitze) plus 6-mm-Klebelasche aus. Falte jede Klebelasche an der Falzlinie auf 90°, alle zur selben Seite.

   Prüfe: Leg die 4 Flügel aufeinander: Sie müssen deckungsgleich sein. Schneide nach, was übersteht.

3. Markiere den Flaschendeckel

   Schneide den Streifen E aus und wickle ihn um die Außenwand des Deckels, mit der Oberkante des Streifens am offenen Rand. Fixiere ihn mit Klebeband und zeichne die 4 schrägen 30°-Linien mit Filzstift nach. Nimm den Streifen ab.

4. Durchstich den Flaschendeckel Erwachsene

   Leg die Zentrierhilfe C in den Deckel und markiere die Mitte. Mach mit einem heißen 2-mm-Nagel oder einem Vorstecher genau in der Mitte ein Loch von 1,5–2 mm; leg den Deckel dabei auf ein Holzbrett.

   Tipp: Das Loch muss enger sein als die 2-mm-Welle: So sitzt er stramm und wackelt nicht.

5. Klebe die Flügel an Erwachsene

   Gib einen kleinen Tropfen Heißkleber auf die Klebelasche des ersten Flügels und klebe sie auf eine Linie des Deckels, mit dem Flügel nach außen. Wiederhole das mit den anderen 3, immer mit der Lasche auf ihrer Linie und der Falzlinie auf derselben Seite der Linie.

   Prüfe: Schau den Propeller mit der Winkelschablone F von der Seite an: Alle 4 Flügel stehen im 30°-Winkel zur Drehebene und zeigen zur selben Seite, wie bei einem Windrad.

6. Schneide Grundplatte und Plattform zu Erwachsene

   Schneide die Grundplatte A (120 × 120 mm) und die Plattform B (60 × 70 mm) aus Wellpappe. Stich mit dem Vorstecher die 2 Löcher für den Schalter in die Grundplatte.

7. Klebe den Becher auf Erwachsene

   Stell den Becher umgedreht auf den Kreis der Grundplatte und klebe den Rand mit einer Raupe Heißkleber rundherum fest. Klebe die Plattform B auf den Becherboden, mit dem Kreis der Vorlage über dem Becher und der Seite MOTOR zur Seite VORNE der Grundplatte.

   Prüfe: Schau von oben: Die Vorderkante der Plattform liegt 40 mm vor der Bechermitte.

8. Klebe den Motor auf Erwachsene

   Leg den Motor mit seiner flachen Seite auf das markierte Rechteck, mit der Welle nach vorne und der Wellenseite bündig mit der Kante der Plattform. Klebe ihn mit 2 Raupen Heißkleber an den Seiten des Gehäuses fest, ohne die Welle oder den hinteren Lüftungsschlitz zu berühren.

   Prüfe: Die Welle liegt waagerecht und ragt vorne über die Plattform hinaus.

9. Steck den Propeller auf Erwachsene

   Steck das Loch des Deckels auf die Motorwelle, mit dem Deckelboden zum Motor und dem offenen Rand nach vorne, und lass 2 mm zwischen Deckel und Motor. Sitzt er locker, gib einen Tropfen Heißkleber auf die Verbindung.

   Prüfe: Dreh den Propeller mit dem Finger: Er streift weder Plattform noch Becher, und die Spitzen laufen etwa 38 mm über der Grundplatte vorbei.

10. Bau den Schalter

    Steck eine Musterbeutelklammer in Loch 1, mit der Büroklammer unter ihrem Kopf eingehängt, und eine weitere in Loch 2. Biege die Beine unter der Grundplatte auseinander. Die Büroklammer muss sich drehen lassen und den Kopf von Musterbeutelklammer 2 berühren.

11. Schließ den Stromkreis an

    Klebe den Batteriehalter stehend an die Rückseite des Bechers (die Seite mit dem Schalter), mit dem Kabelausgang nach unten, mit zwei Lagen Isolierband um den Becher (zum Batteriewechsel abnehmen). Wickle das Kupfer des roten Kabels vom Batteriehalter um das Bein von Musterbeutelklammer 1 (unten, über die Hinterkante der Grundplatte geführt) und das 200-mm-Brückenkabel G um das Bein von Musterbeutelklammer 2. Führe das Brückenkabel G an einer Seite des Bechers zum Motor hoch und das schwarze Kabel über die Rückseite: Verbinde die Brücke mit einem Motoranschluss und das schwarze mit dem anderen, jeweils 3-mal verdrillt. Umwickle jede Verbindung mit Isolierband.

    Prüfe: Kein blankes Kupfer berührt anderes Kupfer außer in seiner eigenen Verbindung, und die Kabel reichen, ohne zu ziehen (beim schwarzen bleiben 1–2 cm übrig; reicht es nicht, verlängere es mit einem verdrillten und abgeklebten Stück Kabel).

12. Teste und stell die Richtung ein

    Leg die Büroklammer auf Musterbeutelklammer 2. Der Propeller muss sich drehen und nach vorne blasen: Halte die Hand 20 cm davor und spür die Luft. Bläst er zum Motor hin, vertausche die beiden Kabel an den Motoranschlüssen.

    Prüfe: Wenn du die Büroklammer wegschiebst, stoppt der Propeller.

Funktioniert es? Der Test

Häng einen Streifen Seidenpapier von 2 × 15 cm an ein Lineal und halte ihn in 10, 20 und 30 cm Abstand vor den Ventilator. Schalte ein und beobachte, wie weit sich der Streifen neigt.

Was passieren soll: Mit 2 neuen Batterien dreht sich der Propeller mit etwa 2000–3000 Umdrehungen pro Minute (man sieht eine verschwommene Scheibe). Der Streifen neigt sich bei 10 cm deutlich (etwa 30–45°), bei 20 cm etwas und flattert bei 30 cm kaum noch. Bei offener Büroklammer stoppt er in 2–3 Sekunden.

Wenn etwas nicht klappt

• Nichts dreht sich — Offener Stromkreis: loses Kabel, falsch herum eingelegte Batterie oder Büroklammer ohne guten Kontakt. Lösung: Prüfe die Polung jeder einzelnen Batterie, zieh die Verbindungen fest und schleife den Kopf der Musterbeutelklammer mit etwas Schleifpapier an, falls er lackiert ist.
• Er dreht sich, bläst aber nicht nach vorne — Er dreht sich in die falsche Richtung oder die Flügel liegen flach. Lösung: Vertausche die Motorkabel. Prüfe mit der Winkelschablone F, dass die Flügel 30° haben.
• Er vibriert stark und der Becher wackelt — Flügel ungleich, einer schräger als die anderen oder der Deckel nicht mittig. Lösung: Gleiche die Flügel an, indem du den größten zuschneidest; setz den Deckel mittig neu auf. Klebe den Becher gut an der Grundplatte fest.
• Der Propeller streift den Becher — Motor zu weit hinten oder Becher breiter als vorgesehen. Lösung: Löse den Motor und setz ihn weiter nach vorne, bis er bündig mit der Kante ist, oder verlängere die Plattform um 10 mm nach vorne.
• Er dreht sich sehr langsam — Leere Batterien, zu schräge Flügel oder der Deckel streift den Motor. Lösung: Probier neue Batterien; verringere den Winkel auf 20–25°; lass 2 mm Abstand zwischen Deckel und Motor.
• Der Propeller fliegt ab — Der Deckel sitzt locker auf der Welle. Lösung: Schalte aus, füll das Loch mit Heißkleber und steck ihn wieder auf. Nie mehr als 4,5 V verwenden.

Sicherheit

• Schnell drehende Flügel schlagen: Steck keine Finger hinein und komm mit langen Haaren nicht in die Nähe, wenn der Ventilator läuft.
• Verwende nur AA-Batterien (höchstens 3, 4,5 V). Schließ ihn nicht an Steckdosen oder Ladegeräte an.
• Lass die Büroklammer nicht unbeaufsichtigt geschlossen: Der Motor wird warm und die Batterien entladen sich.
• Wird eine Batterie warm, gibt es einen Kurzschluss (Kupfer an Kupfer): Trenne die Verbindung und prüfe alles.
• Heißkleber und heißen Nagel benutzt ein Erwachsener.
• Für das Kerzen-Experiment: nur mit einem Erwachsenen, die Kerze 30 cm entfernt und den Propeller aus Fotokarton nie in die Nähe der Flamme.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Die Batterien schieben Strom durch die Kabel, so wie eine Pumpe Wasser durch ein Rohr schiebt. Wenn die Büroklammer den Weg schließt, fließt der Strom durch den Motor, und darin sind Magnete, die ihn drehen lassen. Die Flügel sind schräg gestellt, wie ein schräg gehaltenes Paddel: Beim Drehen schieben sie die Luft nach vorne. Wenn du die Kabel vertauschst, dreht sich der Motor andersherum, und die Luft geht nach hinten.

Für Erwachsene

Der Permanentmagnet-Gleichstrommotor dreht sich, wenn Strom durch seine Wicklung fließt: Die Lorentzkraft auf die Leiter im Feld des Magneten erzeugt ein Drehmoment, und der Kommutator polt den Strom jede halbe Umdrehung um, um es aufrechtzuerhalten. Die Leerlaufdrehzahl ist ungefähr proportional zur Spannung (≈ 6000–9000 U/min bei 3 V bei einem Typ 130); mit dem Propeller von Ø 126 mm als Last sinkt sie auf 2000–3000 U/min bei ≈ 0,3–0,5 A. Kehrt man die Polung um, kehrt sich die Stromrichtung und damit die Richtung des Drehmoments um. Jeder um 30° zur Drehebene geneigte Flügel lenkt die Luft nach vorne ab (Rückstoß: Der Propeller schiebt die Luft, und die Luft schiebt den Propeller nach hinten). Bei sehr kleinen Winkeln bewegt der Propeller kaum Luft; bei sehr großen Winkeln (> 45°) reißt die Strömung am Flügel ab und bremst den Motor: 25–30° ist ein guter Kompromiss für flache Flügel. Der Büroklammer-Schalter öffnet oder schließt den Reihenstromkreis; da er im Plusleiter liegt, schützt er genauso wie bei einem echten Gerät. Ein unwuchtiger Propeller erzeugt eine Fliehkraft, die sich mit ihm dreht: Daher kommt die Vibration.

• Elektromotor: Maschine, die Strom in Drehung umwandelt.
• Stromkreis: geschlossener Weg, auf dem der Strom von einem Pol der Batterie zum anderen fließt.
• Schalter: Teil, das den Stromkreis öffnet oder schließt, um ein- oder auszuschalten.
• Polung: welche Seite + und welche − ist; vertauscht man sie, dreht sich der Motor andersherum.
• Propeller: Satz schräger Flügel, die beim Drehen Luft oder Wasser schieben.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene durchsticht den Deckel, klebt Flügel und Motor an und macht die Kabelverbindungen. Das Kind schneidet Flügel mit dicken Umrisslinien aus, klebt den Becher mit Bastelkleber fest, baut den Büroklammer-Schalter und schaltet ein. Konzentriere dich auf „Weg schließen = dreht sich“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte außer dem Durchstechen und dem Heißkleber. Lass sie selbst herausfinden, wie man die Luftrichtung ändert, ohne die Flügel anzufassen.
• 11–12 Jahre: Sie sollen Propeller mit 2, 3 und 4 Flügeln und Winkel von 15°, 30° und 45° mit dem Streifen-Messgerät vergleichen und eine Tabelle anlegen. Challenge: die Drehzahl messen, indem sie mit dem Handy in Zeitlupe filmen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zweiergruppen, ein Ventilator pro Paar (≈ 3 € für Motor und Batteriehalter). Vorher: Deckel durchstechen, Grundplatten und Plattformen zuschneiden, jeden Motor testen. Einheit von 60 min: 10 min Stromkreis mit losen Batterien und Motor, 35 min Bauen, 15 min Tests mit dem Papierstreifen in 20 cm Abstand. Halte Ersatzbatterien und 2 zusätzliche Motoren bereit.

Challenges

• Bring den Papierstreifen in 40 cm Entfernung zum Flattern.
• Füge einen zweiten Schalter hinzu, der die Drehrichtung umkehrt (Umschalter mit 2 Büroklammern).
• Lass den Ventilator hin- und herschwenken, indem sich der Becher auf einem Schaschlikspieß dreht.
• Entwirf ein Schutzgitter aus Fotokarton, das die Luft nicht bremst.
• Bau einen ausgewuchteten Propeller mit 3 Flügeln und vergleiche ihn mit dem 4-flügeligen.

Weitere kostenlose Projekte

• Schwebendes Gespenst mit statischer Elektrizität
• Kürbislaterne mit flackerndem Licht
• Röhren-Taschenlampe mit Schalter
• Stromkreise aus leitfähiger Knete
• Türalarm mit Summer
• Zitronenbatterie, die eine LED leuchten lässt
• Ampel mit drei Lichtern
• Haus mit LED-Licht in jedem Zimmer
• Spukhaus mit leuchtenden Augen
• Taster-Telegraf

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