Subject: Physics

Actio gegengleich Reactio – Kraft und Gegenkraft erfühlen

Das Prinzip von Actio und Reactio (auch Gegenwirkungsprinzip, Wechselwirkungsprinzip oder drittes Newtonsches Axiom) ist das dritte Newtonsche Gesetz. Es besagt, dass bei der Wechselwirkung zwischen zwei Körpern jede „Aktion“ (Kraft von Körper A auf B) gleichzeitig eine gleich große „Reaktion“ (Gegenkraft von Körper B auf A) erzeugt, die auf den Verursacher der „Aktion“ zurückwirkt:

F → A → B = − F → B → A

Oft wird es auch „Actio et Reactio“ (lateinisch für ‚Aktion und Reaktion‘), „Actio est Reactio“ (lateinisch für ‚Aktion ist [gleich] Reaktion‘) oder „Aktion gleich Reaktion“ genannt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Actio_und_Reactio

Die Kraft und Gegenkraft lässt sich ganz einfach als Einzelübung erfühlen – noch besser erfahrbar ist sie jedoch in einer einfachen Partnerübung.

Zwei Kinder/Partner stehen sich gegenüber.

A: Sie stehen sehr dicht, die Zehen berühren sich und die Hände vom Partner sind gut und fest gefasst. Werden nun die Arme gestreckt und der Körper bleibt gerade in Spannung – fühlt man die Schwerkraft, die einen nach hinten zieht und die Haltekraft in den Händen, die man aufbringen muss um dieser Kraft zu entgegenzuwirken und im Gleichgewicht zu bleiben.

B: Es kann  aber nicht nur Zugkraft sondern auch Druckkraft erfahren werden. Dazu stellen sich die Partner auf Armeslänge entfernt gegenüber auf und lehnen sich nun langsam mit Gefühl dem Partner entgegen. Diesmal spürt man wieder die Schwerkraft, die einen nach vorne drückt und die Kraft, die man in Händen und Armen aufbringen muss um diesen Zustand in der Wage zu halten

Beide Übungen können auch als Einzelübungen an einer Sprossenwand – wie auf den Bildern gezeigt – erlebt und erfühlt werden.

 

Erfühlen des Körperschwerpunktes und dessen Veränderung

Der Flieger gehört zu den einfachsten akrobatischen Figuren und kann mit etwas Platz, einfachen Matten und einem dritten Kind als Hilfestellung auch in der Schule ausprobiert werden.

Wenn die Oberperson (der Flyer) langsam seine Arme nach vorne oder hinten bewegt spürt die untere Person (die Base) diese Veränderung und muss mit etwas mehr Zehendruck (Arme vorne) oder weniger Zehendruck (Arme hinten) den Flyer oben ausbalancieren.

 

 

Comparison – Throwing vs Hitting a ball (Aero Dynamics)

 

The idea is to compare different sports types by reducing their complex physics to a few concrete variables. Namely, how far can you toss/hit a ball, depending on its own size and the length of any sort of bat? (e.g. golf club, baseball bat, racquet, … – or none, in case of throwing it yourself, like basketball, volleyball, …)

To reduce the complexity of this setup, it’s best to compare just very few sports with distinct characteristics to each other.

For example:

1) Throwing Basketball  –  2) Throwing Tennisball

3) Hitting Baseball  –  4) Hitting Golfball

To ease the comparison, this setup focuses solely on the total throwing distance, compares which of the sports does fair the best, and analyzes factors why this is.

Some Variables you might want to include:

  • Size of the ball
  • Weight of the ball
  • Size of the bat
  • Weight of the bat
  • Acceleration path (how much do you rotate your body before hitting the ball, how much distance does your arm/bat cross before hitting the ball, …)
  • The initial speed of the ball (at impact or letting go)
  • The surface of the ball (smooth, pimples, dents, fur, …)
  • Including differences in wind speed / direction

Here are some key questions, where you could either put one of them as the main focus of the whole sequence or instead use these to motivate a deeper dive along the way:

  • Why does a large ball (basketball) fly further if you throw it, a small ball further if you hit it?
  • Why does a ball fly further if the “stick” is longer?
  • What difference does the surface of a ball make? Why does a pimpled one fly further?
  • Why do things fly further if you rotate your body when hitting it? Why do you not rotate when putting it? (Golf)

 

Alternative – Focus mostly on Aero Dynamics

Instead of comparing the aspects above qualitatively, you may also want to go more in-depth into Aero Dynamics. Most of the variables stay the same, but we’d suggest focusing mostly on one sport activity (e.g. Throwing basketball *or* golf *or* …) and analyzing the results that way.

Afterward, you may also like to extend the lesson sequence by comparing the sport with the other options (like baseball and so on) and look out for differences.

Balancing a broomstick – center of gravity

Balancing a broomstick on the hand: „Try it with the broom facing up or facing down. What is easier? Try it with a shorter or a longer broomstick. Try walking with a broomstick balanced on the hand.“

Explanation in general:

To have something completely balanced, the center of gravity must be steady/right above the balancing hand. If the top moves out of the gravity center the movement of the hand has to follow directly in this direction.

Broom facing up:

The center of gravity is higher. This means the speed to react can be lower

 

Fangen und Rechnen und mehr

Reaktionsspiel, das mit allen Schulinhalten gespielt werden kann, die in zwei Gruppen unterteilt werden können. Das Originalspiel wird oft auch als „Schwarz und Weiß“ bezeichnet.

Schüler stellen sich immer paarweise ca. 1 Meter entfernt gegenüber an zwei Linien auf. Die eine Linie steht für Team Weiß, die andere für Team Schwarz. Wenn der Lehrer schwarz ruft, müssen die auf der schwarzen Linie ihren Partner von der weißen Linie fangen. Beide dürfen aber nur gerade nach hinten (von weiß aus) laufen und es muss in den ersten Metern gefangen werden (am besten eine Stopplinie vereinbaren oder zeichnen), bevor man eine Wand erreicht. Wenn weiß gerufen wird muss die weiße Seite reagieren und versuchen die schwarzen Partner zu fangen.

Dies kann nun auch mit verschiedenen MINT-Inhalten gespielt werden, wo sich die Antwort in zwei vorher festgelegte Gruppen unterteilen lässt, z.B.:

  • Gerade vs. ungerade Zahlen
  • Rechnungen (Plus, Minus, Mal, Geteilt) mit geraden oder ungeraden Zahlen als Ergebnisse
  • Primzahlen vs. nicht Primzahlen
  • Rechnungen mit Ergebnissen über oder unter 100 (z.B. 76+26, 12×9, 138-44, 99:3…)
  • Englische Wörter die ein „c“ enthalten
  • Englische Wörter die mit „A“ anfangen (Anfang – Beginning -> zweite Gruppe fängt erste. Apfel – Apple -> erste fängt zweite)
  • Fragen zum Periodensystem (z.B. Elemente mit höherer bzw. niedrigerer Dichte als xxx)
  • Reptilien vs. Amphibien

 

 

 

Modul Pulsmessungen beim Sport

 

Ziel ist es, dass die Schüler verschiedene Begriffe zur Pulsmessung und Herzfrequenz lernen und gleich anwenden. Dazu sollte die Unterrichtseinheit in einem Fitnesscenter oder LA- Anlage durchgeführt werden.  Gebraucht werden Pulsuhren und das Handout.

Stem on the move Beitrag Pulsmessung Oberstufe Sport

Spinning Top / Torque

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of torque with the practice of cycling.

Goal:

  • Students explain why bicycles stay stable during cycling (even during tight turns)

Exercises:

  • Trying to balance yourself while sitting on a standing bike vs. cycling on it
  • „Slow race“ (driving on a line/course as slow as possible)
  • Spinning  a wheel while sitting on a rotatable  chair

Link to image: Torque-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

Gears & Levers

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of the Gears & Levers with the practice of cycling.

Goal:

  • Students compare bicycles to simple levers and explain the applications of the gears.

Exercises:

  • Cycling with different gear settings or bicycles with differently sized tires
  • Using simple levers to lift objects vs. lifting them directly
  • Use detached cycling components to create winches for a better comparison
  • comparing travel distance per pedal cycle  for different settings

Link to image: Gears-Levers-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

Inclined Plane

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of the inclined plane with the practice of cycling.

Goal(s):

  • Students discuss how steepness affects the efficiency of cycling (OR)
  • Students explain and apply different gear settings depending on the steepness of the slope

Exercises:

  • trying out different gear combinations while cycling
    •  … on a horizontal plane
    •  …up a hill (at different angles)
  • comparing travel distance per pedal cycle for different settings
  • runners vs. cyclists on a steep slope –> who is faster – and why?
  • Extra: Looking at the forces applying to the bicycle

Link to image: Inclined-Plane-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

Golden Rule of Mechanics

 

This is a short overview (goals, exercises) about combining the topic of the Golden Rule of Mechanics with the practice of cycling.

Goal:

  • Students describe the rule in words (F1⋅s1 = F2⋅s2) and use it to evaluate different routes.

Exercises:

  • cycle up hills on different sides with different steepnesses
  • comparing pictures of different routes across a mountain path, discussing options
  • use different gears or tires of different sizes

Link to image: Cycling-Golden-Rule-Overview

Link to other lesson sketches: Cycling Topic Collection

 

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