Windrad mit vier Flügeln

Was das Kind lernt

• Dass der Wind drückt und eine gewölbte Form diesen Druck in eine Drehung verwandelt.
• Dass eine gute Achse Spiel und wenig Reibung braucht: Teile, die sich drehen, dürfen nicht eingeklemmt sein.
• Dass sich das Windrad bei mehr Wind schneller dreht und man die Umdrehungen zählen und vergleichen kann.
• Dass sich Farben im Auge mischen, wenn sie sich sehr schnell drehen.
• Dass Symmetrie (4 gleiche Flügel) für ein ausgewogenes Drehen sorgt.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlage mit 100 % und prüfe mit dem Lineal, dass das Quadrat 150 mm misst.
• Wenn du mit Temperafarbe malst, bemale den Fotokarton vorher (beide Seiten) und lass ihn 20 Minuten trocknen.
• Teste, ob die Nadel in den Stab geht: Ist das Holz hart, mach mit der Nadel selbst und ein paar leichten Schlägen ein Führungsloch oder klebe den Radiergummi auf die Spitze.
• Halte einen Ventilator oder Föhn (auf kalt) bereit, um drinnen zu testen.

Materialien und Werkzeuge

• Fotokarton — 1 Quadrat 15 × 15 cm (+ 1 Quadrat 10 × 10 cm für das Experiment)
  160–200 g/m², am besten zweifarbig (jede Seite eine Farbe) oder mit aufgeklebtem Geschenkpapier
• Essstäbchen oder Holzstab — 1
  Ø 6–7 mm an der Spitze, 22–30 cm lang, gerade
• Stecknadel mit Kopf — 1
  32–38 mm lang, Kugelkopf. Mindestens 32 mm: Perle, Flügel, Perle, Strohhalm und Spiel belegen ≈ 22–28 mm der Nadel, und 5 mm müssen noch in den Stab gehen
• Schmuckperlen — 2
  Ø 4–6 mm, Loch 1–2 mm (größer als die Nadel)
• Strohhalm — 1 Stück, 10 mm
  Abstandshalter zwischen Flügeln und Stab
• Radiergummi — 1 Stück, 15 × 15 mm
  optional: wird auf die Stabspitze geklebt, dann geht die Nadel mühelos hinein
• Klebestift oder Bastelkleber — etwas
  für die Verstärkungsscheibe
• Temperafarben oder Filzstifte — nach Belieben
  VOR dem Biegen verzieren (bei Temperafarbe 20 min trocknen lassen)

Werkzeuge

• Schere — das Quadrat und die 4 Diagonalschnitte ausschneiden
• Lineal und Bleistift — die Diagonalen zeichnen, wenn du die Vorlage nicht druckst
• Feiner Vorstecher oder dicke Nadel — die 5 Löcher mit Ø 2 mm stechen
• Kleine Zange oder Fingerhut — die Stecknadel ins Holz drücken Erwachsene

Teile und Vorlagen

• A · Flügel (Quadrat 15 cm) ×1 — Fotokarton 160–200 g
• B · Kleine Flügel (Experiment, 10 cm) ×1 — Fotokarton 160–200 g
• C · Verstärkungsscheibe für die Mitte ×1 — Fotokarton 160–200 g
• D · Abstandshalter (Strohhalm) ×1 — Strohhalm Ø 6 mm
• E · Stab ×1 — Essstäbchen oder Stab Ø 6 mm

Schritt für Schritt

1. Verziere den Fotokarton

   Male mit Farbe oder Filzstiften auf beide Seiten des 15 × 15 cm großen Quadrats, bevor du schneidest. Mit Temperafarbe 20 Minuten trocknen lassen. Eine andere Farbe auf jeder Seite sieht nach dem Biegen toll aus.

   Tipp: Male jeden Flügel halb blau und halb gelb für das Farbmisch-Experiment.

2. Klebe die Vorlage auf oder zeichne die Diagonalen

   Schneide die Vorlage A aus und klebe sie mit dem Klebestift auf den Fotokarton, oder zeichne mit dem Lineal die 2 Diagonalen des Quadrats und in der Mitte einen Kreis mit 50 mm Durchmesser.

   Prüfe: Die Diagonalen kreuzen sich genau in der Mitte (75 mm von jeder Seite).

3. Schneide die 4 Diagonalen ein

   Schneide mit der Schere von jeder Ecke entlang der Diagonale zur Mitte und HALTE am roten Punkt an, 25 mm vor der Mitte. Übrig bleiben 4 dreieckige Flügel, die in der Mitte verbunden sind.

   Prüfe: Die ungeschnittene Mitte ist etwa 35 mm breit: Hast du zu weit geschnitten, verstärke hinten mit Klebeband.

4. Stich die Löcher

   Stich mit dem Vorstecher oder der Nadel 5 Löcher mit Ø 2 mm: in der Mitte und an den 4 nummerierten Spitzen, etwa 5 mm vom Rand. Dreh den Vorstecher, damit das Loch rund wird und Spiel hat.

   Prüfe: Die Nadel geht in jedes Loch hinein und wieder heraus, ohne hängen zu bleiben.

5. Klebe die Verstärkung auf

   Schneide die 30-mm-Scheibe C aus, stich ihr Mittelloch und klebe sie hinten auf die Mitte der Flügel, mit übereinanderliegenden Löchern (steck beim Kleben die Nadel durch, um sie auszurichten).

6. Bereite die Nadel vor

   Fädle in dieser Reihenfolge auf die Nadel: eine Perle, dann Spitze 1. Ohne loszulassen, biege Spitze 2 zur Mitte und fädle sie auf, dann 3 und 4. Knicke den Fotokarton nicht mit einem scharfen Falz: nur biegen.

   Tipp: Halte die schon aufgefädelten Spitzen mit dem Daumen gegen den Nadelkopf, während du die nächste biegst.

7. Stich durch die Mitte

   Steck die Nadel durch das Loch in der Mitte (und das der Verstärkungsscheibe). Fädle danach die zweite Perle und das 10-mm-Strohhalmstück D auf.

   Prüfe: Die 4 Flügel sind gleich gebogen, wie 4 gleiche Löffel, die in dieselbe Richtung zeigen.

8. Steck es in den Stab Erwachsene

   Wenn alles aufgefädelt ist, schaut die Nadelspitze etwa 5–10 mm hinter dem Strohhalm heraus. Halte den Stab senkrecht auf dem Tisch und setz die Spitze mittig auf seine Seite, 10 mm unter dem oberen Ende, die Nadel gerade (rechtwinklig zum Stab). Drück den Kopf mit einem Fingerhut oder mit der Zange, bis die Nadel etwa 5 mm im Holz steckt. Die Teile müssen sich 1–2 mm entlang der Nadel bewegen können: Dieses Spiel zwischen Kopf und erster Perle lässt das Windrad drehen.

   Prüfe: Die Nadelspitze kommt auf der anderen Seite des Stabs nicht heraus. Kommt sie heraus, biege sie mit der Zange nach unten oder decke sie mit einem Knetkügelchen ab (oder steck sie in den aufgeklebten Radiergummi an der Spitze, der dicker ist).

9. Prüfe, ob es sich frei dreht

   Stupse einen Flügel mit dem Finger an. Das Windrad muss sich einige Male von selbst drehen und sanft auslaufen. Bleibt es sofort stehen, rück die Flügel etwas vom Stab weg oder zieh die Nadel 1 mm heraus.

   Prüfe: Bei kräftigem Pusten aus 20 cm dreht es sich so schnell, dass man die Flügel nicht mehr unterscheiden kann.

10. Teste es im Wind

    Puste von vorn auf die Seite mit den gebogenen Spitzen, aus etwa 20–30 cm. Geh danach nach draußen und halte den Stab in den Wind, oder stell dich 1 m vor einen Ventilator.

    Tipp: Dreht es sich andersherum als erwartet, ist das kein Problem: Die Richtung hängt davon ab, zu welcher Seite du die Spitzen gebogen hast.

Funktioniert es? Der Test

Stell dich 1 m vor einen Ventilator auf niedriger, dann auf hoher Stufe, das Windrad in den Luftstrom gerichtet. Markiere einen Flügel mit einem schwarzen Filzstiftpunkt und zähle die Umdrehungen in 10 Sekunden (oder nimm ein Zeitlupenvideo auf).

Was passieren soll: Beim Pusten läuft es sofort an. Mit dem Ventilator auf niedriger Stufe macht es etwa 5–10 Umdrehungen pro Sekunde: zu viele, um sie mit bloßem Auge zu zählen, deshalb lohnt sich ein Zeitlupenvideo oder eine sanfte Brise. Es muss sich drehen, ohne stehen zu bleiben oder zu taumeln.

Wenn etwas nicht klappt

• Es dreht sich nicht oder bleibt sofort stehen — Die Nadel drückt die Flügel gegen den Stab oder die Löcher sind zu klein. Lösung: Vergrößere die Löcher auf 2 mm, setz den Strohhalm-Abstandshalter ein und lass 1–2 mm Spiel unter dem Nadelkopf.
• Es dreht sich ruckartig und taumelt — Die 4 Spitzen sind nicht gleich gebogen oder das Mittelloch sitzt nicht mittig. Lösung: Gleiche die Wölbung der 4 Flügel an und prüfe, dass die Nadel genau durch die Mitte geht.
• Die Flügel streifen am Stab — Der Abstandshalter fehlt oder der Fotokarton ist plattgedrückt. Lösung: Nimm einen längeren Strohhalm (15 mm) oder eine zweite Perle zwischen Flügeln und Stab.
• Eine Spitze löst sich von der Nadel — Das Loch ist zu nah am Rand und ist eingerissen. Lösung: Klebe ein Stückchen Klebeband auf beide Seiten der Spitze und stich das Loch neu, 6–7 mm vom Rand.
• Die Nadel geht nicht in den Stab — Hartes Holz oder zu dünner Stab. Lösung: Klebe ein Stück Radiergummi oder einen Korken auf die Stabspitze und steck die Nadel dort hinein.

Sicherheit

• Die Nadel sticht: Ein Erwachsener steckt sie ins Holz und prüft, dass die Spitze nicht herausragt. Ragt sie heraus, wird sie umgebogen oder mit Knete abgedeckt.
• Renn nicht mit dem Windrad vor dem Gesicht: Stab und Nadel können die Augen verletzen.
• Perlen und Nadel sind Kleinteile: nicht in Reichweite von Kindern unter 3 Jahren lassen.
• Halte beim Ventilator oder Föhn die Finger von den Gittern fern; den Föhn immer auf kalter Stufe.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wind ist Luft, die sich bewegt und alles anschiebt, was ihr begegnet, so wie wenn er dir die Haare zerzaust. Die Flügel des Windrads sind wie offene Löffel, die die Luft einfangen. Weil alle zur selben Seite zeigen, schiebt die Luft sie alle in dieselbe Richtung, und das Windrad dreht sich. Je stärker der Wind bläst, desto schneller dreht es sich. Die riesigen Windräder auf den Hügeln machen dasselbe und erzeugen beim Drehen Strom.

Für Erwachsene

Bewegte Luft hat kinetische Energie (proportional zu v²; die Leistung, die durch den Rotor strömt, wächst mit v³). Jeder gewölbte Flügel lenkt die Strömung ab: Durch die Richtungsänderung der Luft entsteht eine Reaktionskraft auf den Karton, deren tangentiale Komponente ein Drehmoment an der Achse erzeugt. Da die vier Flügel symmetrisch zur Mitte angeordnet sind, addieren sich ihre Komponenten in derselben Drehrichtung. Dieses Windrad ist ein Rotor mit geringem Wirkungsgrad, arbeitet vor allem über den Luftwiderstand und dreht sich ungefähr mit Windgeschwindigkeit an den Flügelspitzen (Schnelllaufzahl ≈ 1): bei 3 m/s und Ø 15 cm etwa 6 Umdrehungen pro Sekunde. Das Anlaufdrehmoment ist klein, daher entscheidet die Reibung der Achse, ob es sich dreht: deshalb Löcher mit Spiel, Perlen als Lager mit punktförmigem Kontakt und ein Abstandshalter, der verhindert, dass die Flügel den Stab berühren. Echte Windkraftanlagen nutzen Tragflächenprofile (Auftrieb) und drehen sich an den Spitzen viel schneller als der Wind; ihre theoretische Höchstleistung beträgt 59 % der Windleistung (Betz-Grenze).

• Windenergie: Energie, die aus dem Wind gewonnen wird.
• Achse: Teil, um das sich etwas dreht (hier die Nadel).
• Reibung: Kraft, die bremst, wenn zwei Dinge aneinander reiben.
• Windkraftanlage: modernes Windrad, das die Drehung in Strom verwandelt.
• Symmetrie: wenn eine Figur gleiche Teile hat, die geordnet verteilt sind.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Diagonalen bis zum Punkt und steckt die Nadel ein. Das Kind verziert, sticht die Löcher mit einem spitzen Bleistift (mit Hilfe), fädelt die Spitzen in der Reihenfolge 1-2-3-4 auf und testet durch Pusten.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles allein außer dem Einstecken der Nadel. Lass sie die Umdrehungen per Zeitlupenvideo zählen und Größen vergleichen.
• 11–12 Jahre: Lass sie Flügel in anderer Form entwerfen (6 Flügel, flache, um 30° geneigte Flügel in einem Flaschendeckel) und messen, welche sich am schnellsten dreht. Challenge: Das Windrad soll einen Faden aufwickeln und eine Büroklammer heben.

In der Gruppe oder in der Klasse

Einzeln (jedes Kind sein eigenes Windrad), an Vierertischen, die sich Scheren und Vorstecher teilen. Vor der Einheit: 25 Vorlagen drucken, die Fotokartonquadrate zuschneiden und jede Nadel einmal in ihren Stab stecken, um das Führungsloch zu machen. Einheit von 45 min: 10 verzieren, 20 zusammenbauen, 15 „Windstation“ mit 2 Ventilatoren, an der abwechselnd Umdrehungen gezählt werden. Halte Klebeband bereit, um eingerissene Spitzen zu reparieren.

Challenges

• Lass dein Windrad eine Büroklammer heben: Klebe hinter den Flügeln ein Strohhalmstück an die Nadel, binde 30 cm Faden daran und lass ihn sich beim Drehen aufwickeln.
• Bau aus einem Sechseck ein Windrad mit 6 Flügeln und vergleiche seine Geschwindigkeit.
• Setz das Windrad auf eine Wetterfahne (Schwanz aus Fotokarton hinten), damit es sich von selbst in den Wind dreht.
• Stell eine Reihe aus 5 Windrädern auf und finde heraus, aus welcher Richtung der Wind auf dem Schulhof kommt.

Weitere kostenlose Projekte

• Turm aus Spaghetti und Marshmallows
• Ziehharmonika-Brücke aus Papier
• Burg mit Zugbrücke
• Hebel-Katapult
• Flatternde Fledermaus mit Kurbel
• Hydraulischer Lastenaufzug
• Seilzugkran mit Kurbelwinde
• Spiral-Wasserheber
• Tisch, der zu schweben scheint
• Baggerarm mit Spritzen
• Kettenreaktion auf dem Tisch
• Kran mit Zahnrad und Ritzel

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