Weihnachtskarussell mit Motor

Was das Kind lernt

• Dass eine kleine Riemenscheibe, die über ein Gummiband eine große antreibt, die Drehzahl verringert: Die große dreht sich einmal, während die kleine sich so oft dreht, wie ihr Durchmesser in den der großen passt.
• Dass sich zwei Untersetzungen hintereinander multiplizieren: 15 × 25 ≈ 390 – so treibt ein Motor mit etwa 7000 Umdrehungen pro Minute ein Karussell mit etwa 15 an.
• Dass man das, was man an Geschwindigkeit verliert, an Drehmoment (Drehkraft) gewinnt, und dass das Gummiband rutscht, wenn man das Karussell bremst: Es wirkt wie eine Sicherheitskupplung.
• Dass sich Reibung verringern lässt, wenn die Achse auf einer Spitze steht (Spitzenlager) und in einem glatten Strohhalm geführt wird.
• Warum ein Karussell ausgewuchtet sein muss: Gewicht auf einer Seite neigt die Achse, sie reibt stärker im Lager und das Karussell wackelt.
• Wie eine echte Weihnachtspyramide funktioniert: Die warme Luft der Kerzen steigt auf und drückt gegen die Flügel (Konvektion) – und warum wir hier einen Motor und keinerlei Feuer verwenden.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % („Originalgröße“) und prüfe mit dem Lineal, dass das 50-mm-Quadrat 50 mm misst. Boden und Deckel (190 × 190 mm) und die Scheibe D1 (Ø 180 mm) brauchen je ein Blatt.
• Such dir flache Pappe: Boden, Deckel und die beiden Etagen müssen flach sein, damit das Karussell nicht eiert.
• Teste den Motor vor der Einheit mit dem Batteriehalter: Berühre seine beiden Anschlussfahnen mit den abisolierten Kabelenden und stell den Schalter auf ON. Er muss summen und sich drehen.
• Prüfe, dass deine Spieße mindestens 25 cm lang und gerade sind (lass sie über den Tisch rollen). Kürze einen auf 250 mm und schneide vom anderen ein 72 mm langes Stück mit der Spitze ab (das macht ein Erwachsener).
• Such zwei gleiche Flaschendeckel und zwei dünne Bürogummis (eins ≈ 100 mm und eins ≈ 120 mm lang, flach gelegt).
• Für Gruppen: Schneide Kasten, Fenster, Scheiben und Motorhalterung vorher selbst aus und drück die Mulden in die Flaschendeckel schon vor.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — ≈ 0,25 m² (2 Platten von 50 × 40 cm oder ein großer Versandkarton)
  einwellig, 3 mm, flach und nicht zerdrückt; Boden, Deckel und die Scheibe mit Ø 180 mm entstehen aus Stücken von 19 × 19 cm
• Gleichstrommotor 3 V — 1 kaufen
  Typ 130 (RF-130 o. Ä.): Gehäuse 25 mm lang, Ø 20 mm mit zwei flachen Seiten im Abstand von 15 mm, Welle Ø 2 mm und 8–10 mm lang; läuft im Leerlauf mit 3 V etwa 6000–9000 U/min
• Batteriehalter 2 × AA mit Schalter und Deckel — 1 kaufen
  3 V, Schiebeschalter ON/OFF, rotes (+) und schwarzes (−) Kabel, 10–15 cm lang mit abisolierten Enden
• AA-Batterien — 2 kaufen
  Alkali, 1,5 V (zusammen 3 V)
• Schaschlikspieße — 2
  aus Holz, Ø 3 mm und 25 cm lang (sind sie 30 cm lang, wird einer gekürzt); gerade: Lass sie über den Tisch rollen und sortiere die aus, die eiern
• Strohhalm aus Kunststoff oder festem Papier — 1
  Ø 6 mm, gerade; gebraucht werden 2 Stücke von 15 mm
• Gleiche Flaschendeckel — 2
  von Wasser- oder Limoflaschen, Ø 28–32 mm und 10–13 mm hoch, beide vom selben Modell
• Dünne Gummibänder — 2 (+2 als Ersatz)
  fürs Büro, ≈ 1 mm dick und 1,5–3 mm breit: eins ≈ 100 mm lang (flach gelegt) für den Motor und eins ≈ 120 mm für die Karussellachse
• Farbiger Fotokarton — 4 Stücke in A5 (braun, grün, rot und gelb oder gold)
  160–200 g/m²; braun für 3 Rentiere, grün für 3 Bäume, rot für 2 Schlitten, gelb für Stern und Flügelrad
• A4-Blatt — 1
  für die Markierungsvorlagen der Achsen
• Bastelkleber (Weißleim) — ≈ 30 ml
  Holzleim oder Schulkleber
• Klebestift — 1
  um die Vorlagen auf die Pappe zu kleben
• Isolierband — ≈ 60 cm
  19 mm breit; wird in schmale Streifen geschnitten für die Motorrolle, die Hülsen und die Führungen des Gummibands sowie für die Kabelverbindungen
• Malerkrepp — ≈ 1 m
  um die Ecken des Kastens zu verstärken und den Deckel festzuhalten (lässt sich wieder ablösen)
• Doppelseitiges Klebeband — ≈ 15 cm
  um die Flaschendeckel und den Batteriehalter festzukleben
• 1- oder 2-Cent-Münzen (zum Auswuchten) — 2–4
  Gegengewichte von 2–3 g, die mit Klebeband unter die Etage geklebt werden, die eiert

Werkzeuge

• Cuttermesser mit Metalllineal und Schneidematte — Kasten, Fenster, Scheiben und den Schlitz der Motorhalterung schneiden Erwachsene
• Schere — Figuren, Flügelrad, Stern und Klebebandstreifen ausschneiden
• Zirkel (optional) — den Umriss der Scheiben zeichnen, wenn du die Vorlagen nicht druckst
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — die 3-mm-Löcher in den Scheiben und die 6-mm-Löcher im Deckel stechen Erwachsene
• Seitenschneider oder Gartenschere — die Spieße auf 250 und 72 mm kürzen Erwachsene
• Geodreieck oder ein Buch mit geraden Kanten — prüfen, dass die Achsen senkrecht und die Etagen waagerecht sind
• Lineal und feiner Filzstift — die Höhen auf den Spießen markieren
• Stoppuhr (vom Handy) — zählen, wie viele Umdrehungen pro Minute das Karussell macht

Teile und Vorlagen

• BA · Boden des Kastens ×1 — Wellpappe 3 mm
• PF · Vorderwand (mit Fenster) ×1 — Wellpappe 3 mm
• PT · Rückwand ×1 — Wellpappe 3 mm
• PL · Linke Wand ×1 — Wellpappe 3 mm
• PD · Rechte Wand (mit Kabelloch) ×1 — Wellpappe 3 mm
• TA · Deckel ×1 — Wellpappe 3 mm
• R · Verstärkung der Deckellager ×4 — Wellpappe 3 mm
• M · Motorkragen ×4 — Wellpappe 3 mm
• N · Füße des Kragens ×6 — Wellpappe 3 mm
• G1 · Zwischenscheibe: Kern ×1 — Wellpappe 3 mm
• F1 · Zwischenscheibe: Bordscheiben ×2 — Wellpappe 3 mm
• G2 · Karussellscheibe: Kern ×1 — Wellpappe 3 mm
• F2 · Karussellscheibe: Bordscheiben ×2 — Wellpappe 3 mm
• D1 · Untere Etage ×1 — Wellpappe 3 mm
• H1 · Nabe der unteren Etage ×2 — Wellpappe 3 mm
• D2 · Obere Etage ×1 — Wellpappe 3 mm
• H2 · Nabe der oberen Etage ×2 — Wellpappe 3 mm
• HH · Nabe des Flügelrads ×1 — Wellpappe 3 mm
• HE · Flügelrad ×1 — gelber Fotokarton 160–200 g/m²
• RE · Rentier ×3 — brauner Fotokarton 160–200 g/m²
• AR · Baum ×3 — grüner Fotokarton 160–200 g/m²
• TR · Schlitten ×2 — roter Fotokarton 160–200 g/m²
• E · Stern ×2 — gelber oder goldener Fotokarton 160–200 g/m²
• Q · Markierungsvorlage der Hauptachse ×1 — Papier
• QB · Markierungsvorlage der Zwischenachse ×1 — Papier
• S · Strohhalmlager ×2 — Strohhalm Ø 6 mm
• EA · Hauptachse ×1 — Schaschlikspieß Ø 3 mm
• EB · Zwischenachse ×1 — Schaschlikspieß Ø 3 mm

Schritt für Schritt

1. Schneide den Kasten zu Erwachsene

   Klebe die Vorlagen BA, TA, PF, PT, PL und PD mit dem Klebestift auf die Pappe, bei den 4 Wänden mit senkrechten Kartonwellen. Schneide mit Cuttermesser und Metalllineal Boden und Deckel (190 × 190 mm), Vorder- und Rückwand (190 × 74 mm) und die beiden Seitenwände (184 × 74 mm) aus.

   Prüfe: Leg den Deckel auf den Boden: Sie passen an allen 4 Seiten genau aufeinander.
   Tipp: Schneide jede Linie mit 2 oder 3 leichten Zügen statt mit einem kräftigen: Der Schnitt wird gerade und die Pappe wird nicht zerdrückt.

2. Öffne das Fenster und die Löcher Erwachsene

   Schneide mit dem Cuttermesser das Fenster von 130 × 50 mm in die Vorderwand PF. Stich mit dem Vorstecher das 6-mm-Loch in die rechte Wand PD, die 2 Löcher in den Deckel TA und je eins in die Mitte der 4 Verstärkungen R (40 × 40 mm): Stich ins Kreuz und weite das Loch durch Drehen, bis der Strohhalm genau hineinpasst.

   Prüfe: Der Strohhalm passt ohne Spiel in jedes Loch von Deckel und Verstärkungen.
   Tipp: Weite die Löcher im Deckel nach und nach und probiere immer mit dem Strohhalm: Sie müssen ihn halten, ohne ihn zu quetschen.

3. Baue den Kasten ohne Deckel zusammen

   Gib Kleber auf die Unterkante der Rückwand PT und klebe sie aufrecht auf den Boden, außerhalb der 3-mm-Linie. Klebe dann die linke Wand PL und die rechte Wand PD (mit dem Loch) und zuletzt die Vorderwand PF an, mit dem Fenster auf der Seite mit der Markierung VORNE. Verstärke die 4 Ecken außen mit Malerkrepp und lass alles 20 Minuten trocknen.

   Prüfe: Der Kasten misst außen 190 × 190 mm und der Deckel liegt darauf, ohne zu kippeln.
   Tipp: Die Kreuze und Linien auf dem Boden müssen innen sichtbar bleiben: Klebe die Vorlage mit der bedruckten Seite nach oben.

4. Setze die unteren und oberen Lager ein Erwachsene

   Drück mit dem Vorstecher eine 1 mm tiefe Mulde, ohne durchzustechen, in die Mitte der Oberseite jedes Flaschendeckels. Klebe die 2 Flaschendeckel umgedreht mit doppelseitigem Klebeband auf die Kreise des Bodens, mittig auf ihre Kreuze. Klebe am Deckel unter jedes Loch 2 Verstärkungen R und steck in jedes ein 15 mm langes Strohhalmstück S, sodass es oben 6 mm herausragt.

   Prüfe: Die 2 Strohhalme stehen senkrecht zum Deckel: Prüfe es mit dem Geodreieck.
   Tipp: Die Mulde ist das Spitzenlager: Die Spießspitze dreht sich darin und berührt nur einen winzigen Punkt Kunststoff – genau wie die Achse einer echten Weihnachtspyramide in ihrem Glaslager.

5. Markiere und bereite die Achsen vor

   Leg den 250-mm-Spieß (EA) auf die Vorlage Q und das 72-mm-Stück mit Spitze (EB) auf die Vorlage QB, jeweils mit der Spitze an der Unterkante, und übertrage alle Markierungen mit dem Filzstift. Wickle auf jede Achse zwischen die Markierungen „Hülse“ einen Streifen Isolierband von 14 × 60 mm. Wickle auf EB außerdem 2 Ringe aus Streifen von 2,5 × 100 mm: einen zwischen 41 und 43,5 mm und einen zwischen 47,5 und 50 mm.

   Prüfe: Jede Hülse passt in einen Strohhalm und dreht sich frei, ohne seitlich zu wackeln.
   Tipp: Zwischen den beiden Ringen auf EB bleibt das Holz blank: Das ist die kleine Scheibe für das zweite Gummiband (Ø 3 mm). Die Ringe verhindern, dass das Gummiband nach oben oder unten wandert.

6. Klebe die Scheiben auf die Achsen

   Schneide die Scheiben G1 (Ø 76), zweimal F1 (Ø 84), G2 (Ø 100) und zweimal F2 (Ø 110) aus und stich ihre Mitte mit einem Spieß durch. Fädle auf EB von der Spitze her eine F1, G1 und die andere F1 mit Kleber dazwischen, bis die untere die 23-mm-Markierung erreicht. Mach dasselbe auf EA mit F2, G2 und F2 ab der 41-mm-Markierung. Lass alles 20 Minuten mit aufrecht stehenden Achsen trocknen.

   Prüfe: Dreh jede Achse zwischen den Fingern: Die Scheibe eiert nicht und steht im rechten Winkel zum Spieß.
   Tipp: Gib über und unter jeder Scheibe einen Tropfen Kleber rund um den Spieß: So rutscht sie nicht auf dem Holz.

7. Baue die Motorhalterung Erwachsene

   Schneide die 4 Kragen M (40 × 40 mm, mit dem Schlitz von 20,5 × 15,5 mm) und die 6 Füße N (40 × 10 mm) aus. Klebe die Kragen mit ausgerichteten Schlitzen aufeinander und die Füße zu 2 Stapeln aus je 3. Klebe die Füße auf ihre Linien am Boden und den Kragen darauf. Steck den Motor von oben hinein, Welle nach oben und Anschlussfahnen nach unten, zwischen die Füße.

   Prüfe: Der Motor steht senkrecht und fest, und seine Anschlussfahnen berühren den Boden nicht.
   Tipp: Sitzt der Schlitz zu locker, wickle vor dem Einstecken eine Lage Malerkrepp um das Motorgehäuse.

8. Mach die Motorrolle und schließe den Motor an

   Wickle einen Streifen Isolierband von 5 × 60 mm fest um die Motorwelle, direkt am Gehäuse: Es entsteht eine Rolle von ≈ 4 mm. Führe die Kabel des Batteriehalters durch das Loch in der rechten Wand, dreh jedes abisolierte Ende durch das Löchlein einer Anschlussfahne des Motors und umwickle jede Verbindung mit Isolierband. Klebe den Batteriehalter mit doppelseitigem Klebeband außen an die rechte Wand.

   Prüfe: Leg die Batterien ein und stell den Schalter auf ON: Der Motor summt und die Rolle dreht sich ohne zu zittern. Schalte ihn wieder aus.
   Tipp: Wickle über der Rolle 4 Lagen eines 1,5-mm-Streifens: Das ergibt einen Rand, und das Gummiband rutscht nicht nach oben ab.

9. Setze die Zwischenachse und das erste Gummiband ein

   Setz die Spitze von EB in die Mulde des rechten Flaschendeckels. Leg das ≈ 100 mm lange Gummiband in die Rille der Scheibe G1 und um die Motorrolle. Schieb den Motor im Kragen nach oben oder unten, bis das Gummiband waagerecht verläuft, auf beiden Seiten gleich hoch.

   Prüfe: Halte EB oben aufrecht fest und schalte ein: Die Scheibe dreht sich etwa 7-mal pro Sekunde, viel langsamer als der Motor.
   Tipp: Das Gummiband soll leicht gedehnt sein (≈ 1 cm über seine Länge), nicht straff: Zieht es zu stark, bremst es den Motor und neigt die Achse.

10. Setze die Hauptachse und das zweite Gummiband ein

    Setz die Spitze von EA in die Mulde des mittleren Flaschendeckels. Leg das ≈ 120 mm lange Gummiband in die Rille der Scheibe G2 und um das blanke Holz von EB, zwischen die beiden Bandringe.

    Prüfe: Halte beide Achsen aufrecht und schalte ein: EA dreht sich langsam, ungefähr einmal alle 3–5 Sekunden.
    Tipp: Jetzt läuft das Gummiband von einem 3-mm-Stäbchen um eine 100-mm-Scheibe: Das ist die große Untersetzung, etwa 25-fach.

11. Schließe den Deckel

    Senke den Deckel langsam ab und führe dabei das Ende von EA durch den mittleren Strohhalm und das von EB durch den anderen, bis er auf den 4 Wänden aufliegt, mit VORNE über dem Fenster. Halte ihn mit 4 Streifen Malerkrepp fest. Schalte ein und schau durch das Fenster, wie sich die Scheiben drehen.

    Prüfe: EA kommt senkrecht aus dem Deckel (Geodreieck) und dreht sich, ohne zu reiben; die Gummibänder rutschen nicht ab.
    Tipp: Wenn eine Achse nicht hineingeht, nicht drücken: Schau durch das Fenster, wo sie hängt, und richte die Achse mit dem Finger gerade.

12. Schneide die Figuren aus

    Schneide aus Fotokarton 3 Rentiere RE (braun), 3 Bäume AR (grün), 2 Schlitten TR (rot), 2 Sterne E und das Flügelrad HE (gelb) aus. Schneide die 10 mm ein, die die Lasche der Bäume und Schlitten teilen. Knicke bei jeder Figur eine Hälfte der Lasche nach vorne und die andere nach hinten.

    Prüfe: Jede Figur steht von allein auf dem Tisch.
    Tipp: Mal die Nasen der Rentiere rot und den Schmuck der Bäume an, bevor du die Laschen knickst.

13. Baue die untere Etage zusammen

    Klebe die 2 Naben H1 mit ausgerichteten Löchern unter die Mitte von D1 (Ø 180). Fädle D1 von oben auf EA, bis die Nabe die 76-mm-Markierung erreicht, und gib einen Tropfen Kleber dazu. Klebe die Laschen der Figuren auf die 6 Linien: Rentiere und Bäume im Wechsel, alle in dieselbe Richtung schauend.

    Prüfe: Schalte ein und schau die Etage auf Augenhöhe von der Seite an: Der Rand geht beim Drehen weder hoch noch runter.
    Tipp: Lass alle Figuren in die Richtung schauen, in die sich das Karussell dreht: Das sieht aus wie ein Umzug.

14. Baue obere Etage, Flügelrad und Stern zusammen

    Klebe die 2 Naben H2 unter D2 (Ø 130) und fädle sie bis zur 160-mm-Markierung auf. Klebe die 2 Schlitten auf ihre Linien. Fädle die Nabe HH bis 220 mm auf und klebe das Flügelrad darauf; knicke seine 8 Flügel etwa 30° zur selben Seite. Klebe die 2 Sterne Rücken an Rücken zusammen, mit der Spitze von EA 20 mm tief dazwischen.

    Prüfe: Die Schlitten bleiben mindestens 9 mm unter dem Flügelrad und beim Drehen reibt nichts.
    Tipp: Das Flügelrad ist das Teil, das bei einer echten Weihnachtspyramide von der warmen Luft der Kerzen bewegt wird. Hier bewegt es der Motor, also kannst du die Flügel auch verkehrt herum einbauen, ohne dass etwas passiert.

15. Wuchte das Karussell aus Erwachsene

    Nimm durch das Fenster das zweite Gummiband von EB (lass es an G2 hängen). Ein Erwachsener hält den Kasten seitlich, mit fast waagerechter Achse und dem Stern etwas höher als der Boden (so bleibt die Spitze in ihrer Mulde). Dreh die Etagen mit der Hand an und lass los: Bleiben sie immer mit derselben Seite unten stehen, ist diese Seite schwerer. Klebe eine 1-Cent-Münze mit Klebeband auf der gegenüberliegenden Seite unter die Etage und wiederhole, bis sie in jeder beliebigen Stellung stehen bleiben.

    Prüfe: Lässt du es in 4 verschiedenen Stellungen los, bleibt es dort stehen, wo du es loslässt.
    Tipp: Mit 3 Rentieren und 3 Bäumen im Wechsel und 2 gegenüberliegenden Schlitten ist das Karussell schon fast ausgewuchtet: Meist reicht 1 Münze oder gar keine.

16. Schalte ein und zähle die Umdrehungen

    Stell den Kasten aufrecht hin, leg das Gummiband wieder zwischen den Ringen um EB und stell den Schalter auf ON. Beobachte ein Rentier und zähle mit der Stoppuhr des Handys, wie viele Runden es in 1 Minute macht. Schreib die Zahl in dein Erfinderheft.

    Prüfe: Das Karussell dreht sich ruhig, mit 12 bis 20 Umdrehungen pro Minute (Schätzung), und der Stern oben beschreibt keine Kreise.
    Tipp: Mach das Licht aus und leuchte das Karussell mit einer Taschenlampe von der Seite an: Die Schatten der Rentiere wandern über die Wand.

Funktioniert es? Der Test

Stell das Karussell auf einen ebenen Tisch, schalte ein und lass es 1 Minute laufen, damit sich die Gummibänder setzen. Markiere dann ein Rentier mit einem Stückchen Klebeband, starte die Stoppuhr und zähle 1 Minute lang die Umdrehungen. Schau auch durch das Fenster: Zähle, wie oft sich die Scheibe G1 dreht, während das Karussell 1 Runde macht.

Was passieren soll: Das Karussell dreht sich in eine Richtung, ruhig und ohne Ruckeln, mit etwa 12–20 Umdrehungen pro Minute (Schätzung: hängt vom Motor ab und davon, wie frisch die Batterien sind), also einmal alle 3–5 Sekunden. Die Scheibe G1 dreht sich etwa 25-mal pro Karussellrunde, der Motor etwa 390-mal. Bremst du die untere Etage mit einem Finger, bleibt das Karussell stehen und das Gummiband rutscht, ohne dass der Motor stehen bleibt: Nichts geht kaputt.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Motor summt und dreht sich, aber das Karussell bewegt sich nicht — Ein Gummiband ist zu locker oder abgesprungen: das Motorgummi von der Rolle oder das zweite zwischen den Ringen von EB. Lösung: Schau durch das Fenster, welches nicht mitnimmt. Ersetze es durch ein etwas kürzeres Gummiband (das sich ≈ 1 cm über seine Länge dehnt) oder leg es mit einer zusätzlichen Achterschlinge um die kleine Scheibe.
• Das Motorgummi rutscht oben oder unten von der Rolle — Der Motor steht nicht senkrecht oder die Rolle ist auf einer anderen Höhe als die Rille von G1. Lösung: Schieb den Motor im Kragen hoch oder runter, bis das Gummiband waagerecht läuft. Wickle den Rand aus 4 Lagen 1,5-mm-Band über die Rolle und prüfe mit dem Geodreieck, dass der Motor gerade steht.
• Das Karussell ruckelt oder bleibt bei jeder Runde an derselben Stelle stehen — An einer Stelle reibt etwas: eine Figur an der oberen Etage, die Nabe am Strohhalm im Deckel oder die Scheibe G2 an den Verstärkungen. Lösung: Dreh das Karussell langsam von Hand und such die Stelle, an der es bremst. Prüfe die Höhen mit der Vorlage Q: Zwischen Strohhalm (71 mm) und Nabe H1 (76 mm) müssen 5 mm Luft sein.
• Der Stern beschreibt Kreise und das Karussell wackelt — Die Achse ist krumm oder schief, oder eine Etage ist schief aufgeklebt oder unausgewuchtet. Lösung: Lass den Spieß über den Tisch rollen: Eiert er, tausche ihn aus. Prüfe, dass die Strohhalme im Deckel gerade sind und jede Etage im rechten Winkel zur Achse steht. Wuchte mit Münzen aus (Schritt 15).
• Es dreht sich zu schnell — Dein Motor ist einer von den schnellen (9000 U/min oder mehr) oder die Motorrolle ist dicker als 4 mm geworden. Lösung: Wickle Lagen Isolierband von der Rolle ab (bei 3 mm sinkt die Drehzahl um 1/4) oder nimm 1,2-V-Akkus (insgesamt 2,4 V). Du kannst es auch mit nur 1 AA-Batterie probieren und das andere Fach mit einem Kabel überbrücken: Dann dreht es sich mit weniger als der Hälfte.
• Der Motor dreht sich überhaupt nicht — Eine lockere Kabelverbindung, falsch eingelegte Batterien oder der Schalter steht auf OFF. Lösung: Prüfe die Batterien anhand der Symbole + und − im Batteriehalter, mach die Verbindungen neu, indem du das Kabel fester durch die Fahne drehst, und teste den Motor allein, aus dem Kragen genommen.
• Die Hauptachse springt aus ihrer Mulde und kippt zur Seite — Die Mulde ist zu flach oder der Deckel sitzt nicht richtig auf dem Boden. Lösung: Mach die Mulde etwas tiefer (1–1,5 mm, ohne durchzustechen) und prüfe, dass das Loch im Deckel genau über dem Kreuz des Bodens liegt: Der Deckel kommt mit VORNE über das Fenster.

Sicherheit

• Keine Kerzen, keine Flamme: Echte Weihnachtspyramiden laufen mit Kerzen, aber dieses Karussell ist aus Pappe und Fotokarton und würde brennen. Hier treibt es der Motor an; stell es nicht in die Nähe von Kerzen, Heizöfen oder Kaminen.
• Das Cuttermesser benutzt nur ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte, und schneidet immer von der haltenden Hand weg. Die Spieße kürzt ein Erwachsener mit Seitenschneider oder Gartenschere.
• Die Spießspitze sticht: Sie zeigt nach unten, in den Kasten. Vorsicht beim Auffädeln der Scheiben von der Spitze her; leg die Scheibe dabei auf den Tisch, nie gegen die Hand.
• Steck keine Finger und keine langen Haare durch das Fenster, solange der Motor läuft: Die Motorwelle dreht sich tausende Male pro Minute und kann eine Haarsträhne erfassen. Schalte aus, bevor du die Gummibänder anfasst.
• AA-Batterien: Verbinde ihre Pole nie mit einer Büroklammer oder Alufolie (sie werden heiß). Leere Batterien gehören in die Batteriesammelbox.
• Sind Kinder unter 3 Jahren in der Nähe, räum die Münzen, die Flaschendeckel und die kleinen Fotokartonreste weg: Sie können verschluckt werden.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Motor dreht sich superschnell, etwa 100-mal in jeder Sekunde: Würden wir ihn direkt ans Karussell kleben, würden die Rentiere davonfliegen. Deshalb nehmen wir Riemenscheiben. Ein Gummiband verbindet die winzige Motorwelle, die ganz dünn ist, mit einem großen Pappring: Jedes Mal, wenn sich das große Rad einmal dreht, hat sich die kleine Welle etwa 15-mal gedreht. Dann macht ein zweites Gummiband noch einmal dasselbe, etwa 25-mal mehr. Am Ende dreht sich das Karussell ganz langsam, aber mit viel Kraft: Das ist wie bergauf Fahrrad fahren in einem kleinen Gang – du trittst viel und kommst wenig voran, aber ohne müde zu werden. Die Spießspitze steht auf einem Flaschendeckel und berührt nur einen winzigen Punkt, deshalb reibt sie kaum. Und wenn du alle Rentiere auf eine Seite stellst, neigt sich das Karussell und wackelt: Darum verteilen wir sie gleichmäßig, wie bei einer Wippe.

Für Erwachsene

Riementrieb: Die Bahngeschwindigkeit des Gummibands ist an beiden Scheiben gleich (solange es nicht rutscht), v = ω₁·r₁ = ω₂·r₂, also ist das Übersetzungsverhältnis i = d₂/d₁, gemessen am Wirkdurchmesser (dem in der Mitte des Gummibands: Scheibendurchmesser + Gummidicke, ≈ 1 mm). Stufe 1: Motorrolle 4 + 1 = 5 mm → G1 76 + 1 = 77 mm, i₁ ≈ 15,4. Stufe 2: Spieß 3 + 1 = 4 mm → G2 100 + 1 = 101 mm, i₂ ≈ 25,3. Hintereinandergeschaltete Stufen multiplizieren sich: i ≈ 389. Ein Motor vom Typ 130 dreht bei 3 V im Leerlauf etwa 6000–9000 U/min (je nach Modell); bei so geringer Last arbeitet er nahe der Leerlaufdrehzahl (80–90 %) und die Gummibänder haben 3–8 % Schlupf – daher die Schätzung von 12–20 U/min am Karussell. Beim Gummiband zählt die Dicke an der kleinen Scheibe sehr: Ohne sie wäre Stufe 2 100/3 ≈ 33, und die Schätzung fiele 30 % langsamer aus als die Wirklichkeit. Drehmoment: Ohne Verluste bleibt die Leistung erhalten (P = τ·ω), also wird das Drehmoment mit demselben Verhältnis multipliziert: τ₂ = τ₁·i·η. Bei einem Anlaufmoment des Motors von ≈ 2–3 mN·m (≈ 25 g·cm) könnte das Karussell theoretisch fast 1 N·m bekommen. In der Praxis begrenzt es die Haftung des Gummibands (Euler-Eytelwein-Gleichung, T₁/T₂ ≤ e^(μθ)): Am Spieß umschlingt das Gummi nur ≈ 72° (θ = 180° − 2·arcsin((101 − 4)/(2·60)) bei 60 mm Achsabstand); mit μ ≈ 0,5 und einer Spannung von ≈ 1 N überträgt es höchstens ≈ 0,6 N Spannungsdifferenz, etwa 0,03 N·m an G2. Das reicht locker: Das Karussell muss nur die Reibung überwinden (≈ 1 mN·m), und wird es gebremst, rutscht das Gummi und wirkt als Sicherheitskupplung. Reibung: Das Gewicht des Rotors (≈ 55 g, 0,54 N) trägt ein Spitzenlager: Der Spieß berührt den Flaschendeckel auf einem Kreis mit ≈ 0,2 mm Radius, das Reibmoment beträgt ≈ (2/3)·μ·F·r ≈ 2·10⁻⁵ N·m, vernachlässigbar. Die wichtige Reibung entsteht im Strohhalm des Deckels, der den größten Teil des seitlichen Zugs des Gummibands aufnimmt (≈ 1,4 N bei 45 mm Abstand des Gummis von der Spitze und dem Strohhalm bei 63 mm): μ ≈ 0,3 × 1,4 N × 2,25 mm ≈ 1 mN·m. Deshalb ist die Bandhülse (Ø ≈ 4,5 mm) so dünn wie möglich, und das Gummiband darf nicht straff sein. Es ist dasselbe Prinzip wie bei der echten Weihnachtspyramide: eine spitze Stahlachse in einer Glaspfanne, oben von einer Hülse geführt. Auswuchten: Bei perfekt senkrechter Achse erzeugt Gewicht auf einer Seite kein Moment um die Achse. Aber (1) die Achse hat Spiel im Strohhalm und neigt sich zur schweren Seite; da diese Seite mitdreht, dreht die Neigung mit und der Stern beschreibt einen Kreis, und die Hülse reibt immer an derselben Stelle der schweren Seite; (2) steht der Tisch um einen Winkel α schief, ergibt eine Unwucht m·r ein Moment m·g·r·sin α, das jede halbe Umdrehung das Vorzeichen wechselt: Das Karussell ruckelt; (3) bei schnellen Maschinen dominiert die Fliehkraft F = m·r·ω²: 3 g bei 8 cm ergeben ≈ 1 mN bei 15 U/min, aber ≈ 2,6 N bei 1000 U/min (deshalb werden Autoreifen und Waschmaschinentrommeln ausgewuchtet). Der Test mit fast waagerechter Achse macht die Unwucht als Schwerkraftmoment sichtbar: Die schwere Seite landet immer unten. Die Weihnachtspyramide (aus dem Erzgebirge in Sachsen) dreht sich durch Konvektion: Jede Kerze gibt ≈ 40–90 W Wärme ab; Luft mit 60 °C ist ≈ 12 % weniger dicht als bei 20 °C (ρ ∝ 1/T: 293/333 ≈ 0,88), also steigt sie durch Auftrieb mit ≈ 0,3–0,5 m/s auf. Beim Durchströmen der schrägen Flügel (20–45°) wird der Luftstrom abgelenkt, und die Reaktionskraft hat eine tangentiale Komponente, die das Rad dreht. Weil die Kraft nur Millinewton beträgt, funktioniert das nur mit sehr wenig Reibung, daher das Spitzenlager auf Glas. Hier wird nichts mit Feuer gebaut: Der Motor ersetzt die Kerzen und das Flügelrad ist Dekoration (du kannst Konvektion aber ohne Flamme ausprobieren, siehe „Experimente“).

• Riemenscheibe: Rad mit einer Rille, in der ein Gummiband oder Riemen läuft, um ein anderes Rad anzutreiben.
• Untersetzung: Antrieb, der etwas langsamer, aber mit mehr Kraft (mehr Drehmoment) drehen lässt.
• Drehmoment: die Drehkraft: wie stark eine Achse beim Drehen „drückt“ (Kraft × Abstand zur Mitte).
• Spitzenlager: Lager, in dem sich eine spitze Achse dreht und dabei nur einen winzigen Punkt berührt: Es reibt kaum.
• ausgewuchtet: mit gleichmäßig um die Achse verteiltem Gewicht, damit es sich dreht, ohne sich zu neigen oder zu wackeln.
• Konvektion: Bewegung von Luft (oder Wasser), weil der warme Teil leichter ist und aufsteigt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet Kasten, Scheiben und Spieße zu und baut Motor und Gummibänder ein (Schritte 1–11). Das Kind überträgt die Markierungen auf die Achsen, schneidet die Figuren mit der Schere aus, knickt die Laschen, klebt sie auf die Etagen und zählt die Runden. Konzentriere dich auf „kleines Rad schnell, großes Rad langsam“ und darauf, Rentiere und Bäume gleichmäßig zu verteilen.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte außer den Schnitten mit dem Cuttermesser, den Löchern mit dem Vorstecher und dem Kürzen der Spieße. Lass sie das Experiment machen, bei dem sie die Umdrehungen von G1 pro Karussellrunde zählen, und erklären, warum es zwei Gummibänder braucht.
• 11–12 Jahre: Lass sie das Verhältnis jeder Stufe mit dem Wirkdurchmesser (Durchmesser + Gummidicke) berechnen, die Umdrehungen pro Minute aus der Motordrehzahl im Datenblatt vorhersagen und mit dem Messwert vergleichen. Challenge: die erste Stufe mit einer anderen Scheibe G1 so umbauen, dass das Karussell genau 10 Umdrehungen pro Minute macht.

In der Gruppe oder in der Klasse

Ein Karussell pro Dreierteam (≈ 4 € für Motor, Batteriehalter und Batterien pro Team). Vor der Einheit: die Kästen mit Fenster, die Scheiben, die Motorkragen und die Spieße zuschneiden, die Mulden in die Flaschendeckel drücken und alle Motoren testen. Zwei Einheiten zu je 75 min. Einheit 1: 10 min Vorführung (ein Motor ohne Untersetzung bewegt das Karussell nicht gleichmäßig; eine Weihnachtspyramide auf Foto oder Video und warum wir keine Kerzen nehmen), 20 min Kasten bauen, 20 min Achsen markieren und Scheiben aufkleben, 25 min Motor und erstes Gummiband. Einheit 2: 25 min zweites Gummiband und Deckel, 25 min Figuren und Etagen, 15 min auswuchten und Runden zählen, 10 min die Ergebnisse aller Teams an der Tafel vergleichen. Halte 2 Motoren, 4 Gummibänder und 2 Spieße als Ersatz bereit.

Challenges

• Getriebemotor: Ersetze den Motor 130 durch einen gelben Getriebemotor TT 1:48 (≈ 100 U/min bei 3 V). Berechne, welche Scheibe du in einer einzigen Stufe brauchst, damit das Karussell 12 Umdrehungen pro Minute macht (Tipp: 100/12 ≈ 8; mit seiner Welle von ≈ 5 mm und dem Gummiband bräuchte man eine Scheibe von ≈ 50 mm).
• Lichter: Setz 3 gelbe oder rote 5-mm-LEDs parallel, jede mit eigenem 100-Ω-Widerstand, in den Kasten, nach oben gerichtet durch 3 Löcher von 5 mm im Deckel: Sie beleuchten die Figuren von unten, ganz ohne Feuer. Sie hängen am selben Batteriehalter.
• Dritte Etage: Füge eine Scheibe mit Ø 90 mm mit einem Engel oder einer Krippe hinzu. Rechne nach, ob dein Spieß reicht: Du brauchst 80 mm mehr Achse und musst die Auswuchtung erneut prüfen.
• Verstellbare Geschwindigkeit: Mach eine zweite Motorrolle mit 6 mm Durchmesser und eine mit 3 mm. Sag voraus, wie stark sich die Geschwindigkeit des Karussells ändert, und prüfe es mit der Stoppuhr.
• Spieluhr: Klebe auf die untere Etage einen gezackten Fotokartonstreifen, der bei jeder Runde gegen eine am Deckel befestigte Papierzunge schlägt: Bei jeder Runde ertönt ein „Tick“ und du kannst zählen, ohne hinzuschauen.

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