Windmesser aus Bechern

Was das Kind lernt

• Dass der Wind die hohle Seite eines Bechers stärker drückt als die runde (Widerstandsbeiwert ≈ 1,4 gegen ≈ 0,4) und dieser Unterschied eine Drehung erzeugt.
• Umdrehungen in Geschwindigkeit umzurechnen: Umdrehungen → Umdrehungen pro Sekunde → vom Becher zurückgelegter Weg → Windgeschwindigkeit.
• Was die Beaufort-Skala ist und wie man Wind mit Zahlen statt mit Worten beschreibt.
• Dass man jedes selbst gebaute Messgerät kalibrieren muss, indem man es mit einem zuverlässigen vergleicht (einer offiziellen Wetterstation).

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen in 100 % aus und prüfe den 50-mm-Maßstab.
• Schneide die Kartonstreifen mit Cuttermesser und Lineal (die Schere drückt die Wellen platt).
• Prüfe, ob die Perle auf die Stecknadel passt und ob die 4 Becher gleich schwer sind (gleiches Modell).
• Such einen Platz draußen: eine freie Stelle, mindestens 1 m über nahen Mauern oder Geländern, weit weg von Ecken, die Wirbel erzeugen.
• Wenn du ihn drinnen testen willst, halte einen Föhn mit KALTER Luft oder einen Ventilator bereit.

Materialien und Werkzeuge

• Kleine Becher — 4 gleiche
  aus Papier oder dünnem Plastik, 150–200 ml (Öffnung Ø 65–75 mm, 75–85 mm hoch), so leicht wie möglich (≈ 3–4 g)
• Wellpappe — 2 Streifen à 25 × 250 mm
  einwellig, 3 mm, mit den Kartonwellen längs zum Streifen
• Fotokarton oder dünner Karton — 1 Stück 60 × 60 mm
  von einer Müslischachtel, für die Führungsscheibe
• Bleistift mit Radiergummi — 1
  neu oder lang (≥ 15 cm), mit ganzem Radiergummi an der Spitze
• Stecknadel — 1 (+1 als Ersatz)
  gerade, mit Kopf, ≈ 25 mm lang (kurze Nähstecknadel): Kopf + 2 mm Spiel + 7 mm Kreuz + 4-mm-Perle + 10 mm im Radiergummi. Hast du nur 30–38 mm lange, fädle 1–3 Perlen mehr unter die erste, damit die Spitze nur 10 mm eindringt
• Perle — 1
  aus Plastik oder Glas, 3–5 mm, mit einem Loch, durch das die Stecknadel passt
• Klebeband — 1 m
  durchsichtig oder Paketband
• Tacker — 8 Klammern
  2 pro Becher
• Roter wasserfester Filzstift — 1
  um einen Becher ganz anzumalen
• Bastelkleber (Weißleim) oder Heißklebepistole — ein wenig
  zum Verkleben der Kreuzung der Arme
• 1,5-l-Flasche mit Sand oder Wasser — 1 (optional)
  Ständer für Tests auf dem Tisch; Deckel mit 7-mm-Loch

Werkzeuge

• Schere und Lineal — die Streifen zuschneiden und anzeichnen
• Cuttermesser und Schneidematte — die Wellpappstreifen gerade schneiden Erwachsene
• Stoppuhr (Handy) — 30 s messen
• Vorstecher oder 3-mm-Nagel — den Deckel der Ständerflasche durchstechen (optional) Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Arm ×2 — Wellpappe 3 mm
• B · Führungsscheibe für die Kreuzung ×1 — Fotokarton oder dünner Karton
• C · Zählblatt für Umdrehungen ×1 — Papier
• D · Bleistift (Mast) ×1 — Bleistift mit Radiergummi

Schritt für Schritt

1. Schneide die Arme zu und zeichne sie an Erwachsene

   Schneide zwei Kartonstreifen von 25 × 250 mm mit den Wellen in Längsrichtung. Markiere auf jedem die Mitte (bei 125 mm), den 25 mm breiten Kreuzungsbereich und eine Linie 60 mm von jedem Ende (Becherrand), wie auf Vorlage A.

   Prüfe: Halte den Streifen an einem Ende: Er darf sich unter seinem eigenen Gewicht nicht biegen.

2. Klebe das Kreuz

   Leg einen Arm über den anderen zu einem Kreuz, mit den Mitten genau übereinander. Klebe sie im 25 × 25 mm großen Quadrat der Kreuzung mit Bastelkleber oder Heißkleber zusammen und klebe obendrauf die Führungsscheibe B, mit ihren Linien an den Kanten der Arme ausgerichtet.

   Prüfe: Miss mit dem Lineal nach: Die 4 Enden müssen 125 mm von der Mitte entfernt sein und rechte Winkel bilden.

3. Mach das Loch für die Achse Erwachsene

   Stich die Stecknadel genau senkrecht durch das Loch der Führungsscheibe durch das Kreuz. Zieh sie heraus und steck sie mit kleinen Kreisbewegungen wieder hinein, bis das Loch ≈ 1,2 mm misst und sich die Nadel darin locker dreht.

   Tipp: Wird das Loch zu groß und wackelt das Kreuz stark, klebe ein kleines Quadrat Fotokarton darauf und stich neu.

4. Mal den roten Becher an

   Mal einen der Becher außen ganz mit dem roten Filzstift an oder umwickle ihn mit rotem Klebeband. Das ist dein Bezugsbecher zum Zählen der Umdrehungen.

5. Bring den ersten Becher an

   Leg einen Becher auf die Seite auf den Tisch. Leg das Ende eines Arms quer zur Becherachse darauf, sodass der Arm den Becher von der 60-mm-Linie bis zum Ende bedeckt und auf halber Becherhöhe liegt. Tackere ihn mit 2 Klammern fest und wickle eine Runde Klebeband um Becher und Arm.

   Prüfe: Die Becheröffnung muss zu einer Seite des Arms zeigen, nicht zur Mitte und nicht nach außen.

6. Bring die anderen drei Becher in derselben Richtung an

   Befestige die anderen drei Becher genauso. Von oben auf das Kreuz geschaut, müssen alle Öffnungen in dieselbe Drehrichtung zeigen (zum Beispiel alle „jagen“ den nächsten im Uhrzeigersinn).

   Prüfe: Dreh das Kreuz mit der Hand: Alle Becher müssen mit dem Boden voran laufen; nie zwei Öffnungen gegeneinander.

7. Bereite das Drehlager vor

   Steck die ≈ 25 mm lange Stecknadel von oben durch das Loch im Kreuz und fädle dann unter dem Kreuz die Perle auf. Zwischen Nadelkopf und Kreuz müssen 2 mm Spiel bleiben, und unter der Perle sollen etwa 10 mm der Spitze herausragen.

8. Steck die Nadel in den Radiergummi Erwachsene

   Steck die Nadelspitze genau senkrecht etwa 10 mm tief in die Mitte des Radiergummis, bis die Perle den Radiergummi berührt (bei einer längeren Nadel mehr Perlen dazugeben: nie tiefer als 12 mm, sonst stößt sie an die Metallhülse). Die Perle liegt auf dem Radiergummi und das Kreuz auf der Perle.

   Prüfe: Schau von vorn: Das Kreuz muss waagerecht sein. Neigt es sich, richte die Nadel gerade.

9. Pustetest

   Halte den Bleistift senkrecht und puste aus 20 cm kräftig auf einen Becher, oder nimm einen Föhn mit kalter Luft aus 50 cm. Das Kreuz muss von selbst anlaufen und sich nach dem Pusten noch einige Umdrehungen weiterdrehen.

   Prüfe: Bleibt es abrupt stehen, reibt die Nadel: Weite das Loch oder tausch die Perle aus.

10. Stell ihn draußen auf Erwachsene

    Binde den Bleistift senkrecht an einen Besenstiel oder ein Geländer, mit 3 Runden Klebeband oben und 3 unten, sodass das Kreuz mindestens 20 cm über der Kante liegt. Such eine freie Stelle, weit weg von Wänden, die den Wind abhalten.

    Tipp: Für Tests auf dem Tisch steck den Bleistift durch ein 7-mm-Loch im Deckel einer 1,5-l-Flasche, die mit Sand oder Wasser gefüllt ist.

11. Zähl die Umdrehungen

    Stell die Stoppuhr auf 30 s und zähl laut jedes Mal, wenn der rote Becher an dir vorbeikommt. Dreht er sich zu schnell zum Zählen, zähl 10 s und nimm mal 3.

    Tipp: Einer zählt, der andere ruft „Los!“ und „Stopp!“.

12. Rechne in km/h um

    Teile die Umdrehungen in 30 s durch 5, um die ungefähre Windgeschwindigkeit in km/h zu erhalten (Beispiel: 45 Umdrehungen → 9 km/h, Beaufort 2, „leichte Brise“). Such das Ergebnis in Tabelle C und notiere es mit Datum und Uhrzeit.

13. Kalibriere mit einer offiziellen Station

    Miss an 5 verschiedenen Tagen und vergleiche jede Messung mit dem Wind, den die nächstgelegene Wetterstation zur selben Uhrzeit auf der offiziellen Wetter-Website oder -App angibt. Teile die offizielle Geschwindigkeit durch deine Umdrehungen in 30 s und bilde den Mittelwert: Das ist DEINE Umrechnungszahl.

    Tipp: Wetterstationen messen in 10 m Höhe: Am Boden ist der Wind meist 20–40 % schwächer.

Funktioniert es? Der Test

Zähle mit einem Föhn auf kalter Luft und niedriger Stufe aus 1 m Abstand die Umdrehungen in 30 s. Zähle danach draußen 3-mal hintereinander und bilde den Mittelwert.

Was passieren soll: Er läuft schon bei Wind von 4–6 km/h von selbst an (Blätter an den Bäumen bewegen sich). Bei leichtem Wind von 10 km/h macht er etwa 50 Umdrehungen in 30 s (fast 2 pro Sekunde); bei 20 km/h etwa 100. Nach dem Pusten dreht er sich noch 2–4 s weiter.

Wenn etwas nicht klappt

• Dreht sich nicht oder bleibt gleich stehen — Die Nadel reibt im Loch des Kreuzes oder das Kreuz berührt den Radiergummi. Lösung: Weite das Loch durch Kreisbewegungen mit der Nadel und setz die Perle zwischen Kreuz und Radiergummi.
• Das Kreuz neigt sich und ein Becher streift den Bleistift — Nadel schief oder Becher unterschiedlich schwer. Lösung: Richte die Nadel gerade; nimm 4 Becher desselben Modells und an jedem gleich viel Klebeband.
• Dreht sich ein Stück zur Seite und zurück — Ein Becher zeigt in die falsche Richtung. Lösung: Prüfe von oben, ob alle Öffnungen derselben Drehrichtung folgen.
• Bei starkem Wind lösen sich die Becher — Nur Klebeband, oder Klebeband, das feucht geworden ist. Lösung: Setz 2 Tackerklammern pro Becher und hol den Windmesser bei Wind über 30 km/h herein.
• Die Arme biegen sich nach unten — Kartonwellen in der falschen Richtung oder feuchter Karton. Lösung: Schneide die Streifen mit den Wellen in Längsrichtung oder nimm doppelte Eisstiele.
• Meine Messungen stimmen nicht mit der Wetter-App überein — Die App gibt den Wind in 10 m Höhe an einer freien Stelle an; dein Windmesser misst nah am Boden. Lösung: Das ist normal: Kalibriere deinen eigenen Faktor (Schritt 13) und miss immer am selben Ort.

Sicherheit

• Die Stecknadel sticht: Der Erwachsene steckt sie ein und schützt die Spitze, wenn sie nicht benutzt wird, mit einem Stückchen Radiergummi oder Korken. Nicht für Kinder unter 3 Jahren geeignet (Kleinteile und Perle).
• Das Anbringen an einem Geländer oder Fenster übernimmt ein Erwachsener: Das Kind lehnt sich nicht hinaus und steigt nicht auf Stühle neben Geländern.
• Benutze beim Föhn immer kalte Luft und halte das Gerät von Wasser fern.
• Stell ihn nicht bei Gewitter oder starkem Wind hinaus: Die Becher können wegfliegen.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Ein liegender Becher ist auf der einen Seite wie ein Fallschirm und auf der anderen wie ein Ball. Wenn der Wind in die Öffnung bläst, füllt sich der Becher mit Luft und bekommt einen kräftigen Schubs. Wenn der Wind auf den runden Boden trifft, rutscht die Luft an den Seiten vorbei und drückt nur wenig. Weil am Kreuz immer ein Becher mit der Öffnung zum Wind und ein anderer mit dem Rücken zum Wind steht, gewinnt die „Fallschirm“-Seite, und das Kreuz dreht sich. Je stärker der Wind weht, desto schneller dreht es sich.

Für Erwachsene

Die Widerstandskraft auf jede Schale ist F = ½·ρ·v²·A·Cd. Der Widerstandsbeiwert einer Halbkugel oder eines Bechers beträgt auf der konkaven Seite ≈ 1,4 und auf der konvexen ≈ 0,4: Der Unterschied erzeugt ein Nettodrehmoment, und der Rotor beschleunigt, bis sich die Schale im Gleichgewicht mit einem festen Bruchteil der Windgeschwindigkeit bewegt (≈ 1/3 beim Robinson-Anemometer, 1846). Die Winkelgeschwindigkeit ist also proportional zur Windgeschwindigkeit: v_Wind ≈ K·2π·R·n, mit R als Radius bis zur Schalenmitte und K als „Anemometerfaktor“ (≈ 2,5–3,5 bei selbst gebauten Modellen; schließt die Reibung ein). Hier ist R = 95 mm → jede Umdrehung legt 0,60 m zurück; mit K ≈ 3 gilt v (km/h) ≈ 0,22 × Umdrehungen in 30 s ≈ Umdrehungen/5. Die Reibung im Drehlager bewirkt eine Anlaufschwelle (≈ 4–6 km/h) und lässt das Gerät bei schwachem Wind zu wenig anzeigen; deshalb kalibriert man es mit einer Referenz. Der in Bodennähe gemessene Wind ist wegen der Grenzschicht schwächer als an den Stationen (in 10 m Höhe). Die Beaufort-Skala (1805) teilt den Wind von 0 (Windstille, < 1 km/h) bis 12 (Orkan, > 118 km/h) ein.

• Anemometer: Messgerät für die Windgeschwindigkeit.
• Umdrehung: eine ganze Runde von etwas, das sich dreht.
• Luftwiderstand: Kraft, mit der die Luft (oder das Wasser) gegen einen Gegenstand drückt.
• Beaufort-Skala: Tabelle von 0 bis 12, die den Wind nach seinen Auswirkungen beschreibt (Blätter, Äste, Wellen).
• kalibrieren: dein Messgerät mit einem zuverlässigen vergleichen, um seine Zahlen anzupassen.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Streifen, baut das Drehlager und steckt die Nadel ein. Das Kind malt den roten Becher an, klebt die Becher mit Klebeband fest (der Erwachsene prüft die Richtung) und zählt die Umdrehungen in 10 s. Benutze Wörter: „wenig Wind / viel Wind“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer dem Cuttermesser und dem Aufstellen draußen. Sie zählen 30 s, teilen durch 5 und benutzen die Beaufort-Tabelle.
• 11–12 Jahre: Sie berechnen den Umrechnungsfaktor aus dem Radius (2πR) und vergleichen ihn mit ihrer Kalibrierung an der offiziellen Station. Challenge: einen Umdrehungszähler bauen, mit einer Karte, die gegen ein Papier schlägt, oder mit einem Magneten und einem Sensor des Handys.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, ein Windmesser pro Paar (8 vorgeschnittene Kartonstreifen und 4 gleiche Becher pro Team, Stecknadeln und Perlen teilt der Erwachsene aus). Einheit von 50 min: 10 min Erklärung mit einem Becher und einem Föhn (welche Seite drückt stärker?), 25 min Bauen, 15 min Test im Schulhof. Richte Messstationen ein (Tür, Hofmitte, an der Wand), an denen jedes Paar misst; tragt die Daten in einer Tabelle an der Tafel zusammen.

Challenges

• Bau einen Windmesser mit 3 Bechern und vergleiche ihn mit dem mit 4: Läuft er früher an? Dreht er sich gleichmäßiger?
• Bring an einem zweiten Bleistift eine Windfahne aus Karton an, damit du auch weißt, woher der Wind kommt.
• Bau einen Zähler: ein Papierstreifen am Bleistift, den der rote Becher bei jeder Umdrehung berührt; nimm das Geräusch mit dem Handy auf, um die „Klicks“ zu zählen.
• Verbessere das Drehlager mit einem Murmellager in einem Flaschendeckel und miss, um wie viel die Anlaufgeschwindigkeit sinkt.

Weitere kostenlose Projekte

• Solarofen im Karton
• Thermometer mit buntem Wasser
• Wasseruhr aus zwei Flaschen
• Äquatoriale Sonnenuhr

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