Projekt Stoßdämpfer: Das Geheimnis des Spechts (1) 11.04.2011, 08:23

Stoßdämpfer, Vorschaubild

Im N+T-Unterricht gibt es genügend Themen, die sich auf der Basis von sicheren Informationen behandeln lassen. Eine davon abweichende Themen-Gattung dagegen wäre die, die verlangt, sich den Kopf über unvollständige Informationen zu zerbrechen mit dem Ziel, ein Gesamtbild zusammenzubauen. Schüler dürften eine solche Situation reizvoll finden; sie könnte sie sogar veranlassen, sich selbst an ähnliche Problemstellungen zu wagen.Hier geht es um die Frage, was das Hämmern des Spechts mit der Entwicklung eines Stoßdämpfers zu tun hat. Wir machen einen Vorschlag für die methodische Aufbereitung.

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Projekt Stoßdämpfer: Das Geheimnis des Spechts 

oder

Woody Woodpecker ermuntert Wissenschaftler

 

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Der tec.LEHRERFREUND gesteht es freimütig: Woody Woodpecker ist ihm bis heute völlig verborgen geblieben. Aber seit er ein Interview des Deutschlandfunks hörte, meint er, für die Technik könnte der lustige Woodpecker ein ähnliches Vorbild sein wie Donald Duck für sparsame Schwaben oder Schotten.
Die folgende Ausarbeitung war möglich mit der freundlichen Genehmigung der Autorin Tomma Schröder, eines ihrer Interviews hier zu verwenden.

1. Situation

Zwei Bionik-Wissenschaftler versuchen, das Phänomen des Spechthämmerns auf die Entwicklung neuartiger, hoch beanspruchbarer Stoßdämpfer zu übertragen. (Den Verlauf ihrer bisherigen Forschung erläutern sie einer Reporterin des Deutschlandfunks. Den Wortlaut des Interviews finden Sie am Ende dieses Beitrags).
Doch darauf hat die Journalistin zu achten: Im Blick auf viele unterschiedliche Radiohörer muss sie das Interview einerseits kurzweilig gestalten; andererseits darf sie nicht auf zu spezielle Einzelheiten eingehen, die den Hörer überfordern würden. Folge: Dem an technischen Details Interessierten fehlen notwendigerweise Informationen.
Die entsprechenden Lücken sind für den N+T-Unterricht eine Gelegenheit,
- sich in die Arbeit der Forscher hineinzudenken,
- eine Textanalyse zu erstellen,
- eigene Erfahrungen und konstruktive Fähigkeiten einzubringen.

2. Überlegungen zum Interview

Dieser Block ist offen, d. h. man kann davon ausgehen, dass die Schüler weitere und auch anders geartete Fragen haben.

- Wozu werden Stoßdämpfer verwendet? Wie funktionieren sie?
- Klärt das Interview, warum die Forscher mit herkömmlichen Stoßdämpfern nicht zufrieden sind?
- Gibt es Situationen, die dem Hämmern von Spechten ähnlich sind?
- Welche Gründe könnte es haben, dass man von den Forschern vieles nicht erfährt? (So ist beim künstlichen Spechtkopf lediglich von einer »Elektronik« die Rede. Wie ist sie aufgebaut, wo sitzt sie ...?)
- Am Beginn des Interviews erwähnen die Wissenschaftler ihre Begeisterung für Woody Woodpecker. Ist dieser am Ende eine Hilfe in der Sache?
- Überlegen: Welche Ausgaben entstehen der Universität Berkeley für das Forschungsvorhaben der (angestellten) Wissenschaftler. Annahme: Die beiden Forscher arbeiten an dem Problem ein halbes Jahr lang. Zwei weitere Labortechniker (Mechaniker, Elektroniker) sind ihnen bei praktischen Arbeiten insgesamt 2 Monate lang behilflich. Die Forscher benutzen (teure) Einrichtungen der Universität.
- ...

3. Das Interview hinterfragen

a) Das Interview wird gemeinsam gelesen (Arbeitsblätter Seiten 1/5 und 2/5).
b) Spechtkopf: Welche Fragen sind für die Forscher von Bedeutung?
c) Spechtkopf: Welche Fragen sind für die Forscher ohne Bedeutung?
d) Spechtkopf, im Versuch nachgeahmt: Könnte anstelle der Glaskugeln ein anderes Material verwendet werden?
e) Spechtkopf, im Versuch nachgeahmt: Bilden massive Kugeln tatsächlich das elastische Knochengerüst ab?
f) Versuchsanordnung Luftgewehr: Hätte ein Rohr mit einer auf den künstlichen Specht herabfallenden Metallmasse - wie z. B. ein Rammbär im Baubereich - nicht Vorteile?

4. Schulische Auswertung im N+T-Unterricht

Der Lehrer gibt die Fragestellung und das Ziel vor, das die Schüler erreichen sollen.
a) Die Schüler machen sich - anhand der vorgegebenen Arbeitsblätter - einzeln oder in Gruppen Gedanken darüber, welche Informationen ihnen das Interview vermittelt.
b) Sie überlegen, welche Informationen fehlen.
c) Sie erarbeiten diese Informationen so weit wie möglich selbst und stellen sie in einer Kurzbeschreibung mit Skizzen dar.

Als Arbeitserleichterung stellt der tec.LEHRERFREUND Skizzenvorschläge zur Verfügung. (Dabei ist zu berücksichtigen, dass er in Biologiefragen ein Laie ist). Um ein Bild zu speichern, klicken Sie es an, dann rechte Maustaste -> Speichern unter ... (o.ä.).

Aufgabe: Spechtkopf umarbeiten

Spechtkopf zum Weiterentwickeln.png

Aufgabe: Spechtkopf umarbeiten 2

 

 

Spechtkopf umgearbeitet

 Aufgabe: Nachahmung des Spechtkopfs auf eine Metallwand schießen

Druckluftgewehr Versuch

Lösungsvorschläge

Der tec.LEHRERFREUND macht in einem weiteren Beitrag Vorschläge für die Arbeitsblätter und mögliche Lösungen (Seiten 3/5 bis 5/5).

Lösungsvorschlag: Spechtkopf umarbeiten

Spechtschaedelmit Knochenstruktur

Lösungsvorschlag: Spechtkopf umarbeiten 2

 

 

 

 

Spechtkopf nachgeahmt Loesung

 Lösungsvorschlag: Nachahmung des Spechtkopfs auf eine Metallwand schießen

 

 

Druckluftgewehr Loesung

In einem weiteren Beitrag finden Sie Vorschläge für Arbeitsblätter.


Das Interview:

Hämmern ohne Reue

Der Specht als Vorbild für neuartige Stoßdämpfer

Warum bekommt der Specht beim Hämmern von Baumlöchern keine Kopfschmerzen? Zwei Wissenschaftler der Universität Berkeley haben sich
den Vogel genauer angesehen, um nach seinem Vorbild hochwirksame Stoßdämpfer zu entwickeln.
Die Trickfilmfigur des verrückt lachenden Woody Woodpecker ist bereits über 70 Jahre alt, doch sein Unwesen treibt der kleine bunte Specht bis heute. Auch in den Köpfen von Forschern.

„Sungmin, der andere Autor des Papers, und ich haben damals über Ideen für neue Stoßdämpfer nachgedacht. Zu der Zeit haben wir oft die bekannte Trickfilmserie Woody Woodpecker gesehen und uns gefragt: Warum nicht den Specht Woodpecker als Vorbild für einen neuen Stoßdämpfer nehmen? Und dann haben wir versucht, den Specht besser zu verstehen.“

Um den Specht besser zu verstehen, haben Sungmin Park und Sang-Hee Yoon schließlich Literatur gewälzt, Bewegungsvideos und Bilder aus dem Computertomographen analysiert. Schließlich musste es einen Grund haben, dass Spechte das bis zu 1200-Fache der Erdbeschleunigung abfangen können, während sie auf Bäume einhämmern. Das ist in etwa so als würden wir unseren Kopf mit 25 km/h gegen eine Wand schlagen. Der Specht macht das bis zu 22 Mal in der Sekunde und bekommt dabei nicht einmal Kopfschmerzen.

„Der Specht hat viele interessante Strukturen. Zum Beispiel diesen schwammartigen Knochen, der poröser ist als normal. Diese Knochen fangen hochfrequente Stöße ab, und das war vorher nicht bekannt.“

Doch der schwammartige Knochen ist nur eines von gleich vier Geheimnissen, die den Specht vor Kopfweh und Gehirnerschütterung bewahren. So fängt der sehr harte, aber elastische Schnabel bereits einen großen Teil der Deformationskräfte auf. Im Schnabel folgt dann die Zunge mit dem
anschließenden Zungenbein, das sich von dort über den Nacken einmal um den ganzen Schädel bis hin zum Nasenloch erstreckt. Dieses in der
Vogelwelt einmalige Zungenbein leitet ebenfalls einen großen Teil der Stöße ab - und am Gehirn vorbei. Schließlich verfügt der hämmernde Vogel
noch über einen harten Schädelknochen, der nur wenig Hirnwasser enthält und daher den Stoß nicht so stark ins Innere des Kopfes überträgt.

„Wir haben dann versucht, diese Erkenntnisse über den Specht umzusetzen. So haben wir winzige Glaskügelchen verwendet, um den schwammigen Knochen nachzuahmen. Der Knochen hat ja viele kleine Luftlöcher, und das wollten wir mit diesen Kügelchen nachbilden. Denn wenn man sie dicht packt, dann entstehen viele kleine Luftlöcher zwischen den Glaskugeln.“

Diese Kügelchen, in die Sang-Hee Yoon anschließend die zu schützende Elektronik legte, umgab er mit einer Metallumantelung, die den Schädelknochen des untersuchten Goldstirnspechtes nachahmen sollte. Das Zungenbein wurde durch eine Gummischicht und der harte Schnabel durch eine weitere harte Metallhülle ganz außen nachempfunden. Fertig war der Specht-Stoßdämpfer. Und was sagte der Praxistest?

„Wir haben die Tests mit einem Luftgewehr durchgeführt. Indem wir stark komprimiertes Gas verwenden, können wir unseren Specht-Stoßdämpfer sehr schnell hinausschleudern. Und auf der gegenüberliegenden Seite haben wir dann irgendeinen Festkörper, Metall oder Ähnliches aufgestellt. Wie bei einem Crashtest.“

Und es zeigte sich: Die empfindlichen elektronischen Bauteile, die Sang-Hee Yoon mit seinem Stoßdämpfer gegen Metallwände schleuderte, konnten das 60.000-Fache der Erdbeschleunigung unbeschädigt abfangen. Das hat bereits einige Interessenten aufhorchen lassen. Vom Flugschreiber, über Rennwagen bis hin zu militärischer Nutzung sind viele Anwendungen denkbar, meint Yoon. Dem guten alten Woody Woodpecker sei Dank. 

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