T9 M - Teilsysteme und ihre Funktion erklären

Einleitung

Eine Maschine funktioniert nur, wenn mehrere Teilsysteme passend zusammenarbeiten. Du lernst, ein technisches System in Teilsysteme zu zerlegen, Schnittstellen zu erkennen und Energie-, Stoff- und Informationsflüsse als Pfeilbilder darzustellen.

Der Schwerpunkt liegt auf dem Wirkzusammenhang: Was bewirkt ein Teilsystem im nächsten? Was passiert, wenn ein Teil virtuell entfernt wird? Wie erklärst Du die Funktion einer Maschine in fünf bis sieben präzisen Fachsätzen?

Bildungsplanbezug Baden-Württemberg

Der aiMOOC ist auf Technik, Klasse 9, M-Niveau ausgerichtet. Im Bildungsplan Technik – Wahlpflichtfach, Bereich „Systeme und Prozesse“, sollen technische Systeme analysiert und das Zusammenwirken ihrer Teilsysteme erklärt werden. Als Beispiele werden unter anderem Bohrschrauber und Handrührgerät genannt.

Stand September 2026: Für Lernende, die bereits vor dem Schuljahr 2026/2027 in Klasse 7 eingetreten sind, gilt die bisherige Fassung des Bildungsplans weiter. Die überarbeitete Fassung V3.0 startet nach der Übergangsregelung zunächst mit den neu eintretenden Klassen.

Bildungsplan Technik 7/8/9 – Systeme und Prozesse

Übergangsregelung zur überarbeiteten Fassung 2026

Lernziele

System gliedern: Du kannst eine Maschine in sinnvolle Teilsysteme zerlegen.
Schnittstellen erklären: Du kannst angeben, was an einer Schnittstelle übertragen wird.
Flüsse unterscheiden: Du kannst Energie-, Stoff- und Informationsfluss fachlich richtig zuordnen.
Wirkzusammenhang analysieren: Du kannst Ursache und Wirkung zwischen Teilsystemen mit Pfeilen darstellen.
Ausfall untersuchen: Du kannst die Folgen erklären, wenn ein Teilsystem virtuell entfernt oder gestört wird.
Prüfungsnah formulieren: Du kannst den Wirkzusammenhang einer Maschine in fünf bis sieben präzisen Fachsätzen erklären.
Technisch entscheiden: Du kannst eine technische Entscheidung mit Funktion, Wirkung und Folge begründen.

Sicherheitsrahmen

Wichtig: Dieser aiMOOC untersucht Maschinen überwiegend mit Bildern, Animationen, Modellen und Simulationen.

Reale Praxis erfolgt nur nach schulischer Unterweisung, unter Aufsicht und mit erforderlicher Schutzausrüstung.
Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen.
Keine Arbeiten an Netzspannung.
Elektrische Versuche nur mit von der Schule freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.
Akkupacks werden nicht geöffnet, beschädigt, kurzgeschlossen oder verändert.
Demontage nur an ausdrücklich freigegebenen, spannungsfreien Unterrichts- oder Funktionsmodellen.

Grundbegriffe

Fünf Fachbegriffe, die Du sicher können musst

Fachbegriff	Kurze Erklärung	Leitfrage
Teilsystem	Abgrenzbarer Teil eines Gesamtsystems mit eigener Teilfunktion.	Welche Teilaufgabe erfüllt dieser Teil?
Schnittstelle	Übergabestelle zwischen zwei Teilsystemen oder zwischen System und Umgebung.	Was wird hier übertragen?
Energiefluss	Weg, auf dem Energie übertragen oder umgewandelt wird.	Woher kommt die Energie und wohin geht sie?
Stofffluss	Weg von Material, Werkstoff, Luft, Wasser oder anderen Stoffen durch ein System.	Welcher Stoff tritt ein, wird verändert oder tritt aus?
Informationsfluss	Weg von Signalen, Daten oder Bedieninformationen, die einen Ablauf beeinflussen.	Welches Signal bewirkt welche Reaktion?

Merksatz: Ein Pfeil zeigt nicht nur eine Verbindung. Er zeigt eine gerichtete Wirkung.

Systemgrenze und Blackbox

Eine Systemgrenze legt fest, was Du zum System zählst. Die gleiche Maschine kann deshalb unterschiedlich modelliert werden.

Systemdiagramm 1 – Blackbox

Umgebung
   │
   ├── Energie ──►
   ├── Stoff   ──►   [ TECHNISCHES SYSTEM ]   ──► Energie
   └── Information ►                           ──► Stoff
                                                ──► Information

Bildlegende: Die Blackbox zeigt nur Eingänge und Ausgänge. Innere Teilsysteme bleiben zunächst verborgen.

Drei Flüsse im Überblick

Pfeiltyp	Bedeutung im Modell	Beispiel am Bohrschrauber
E →	Energiefluss	Akku → Elektronik → Motor → Getriebe → Bohrfutter
S →	Stofffluss	Werkstück → Bearbeitungsstelle → bearbeitetes Werkstück und Späne
I →	Informationsfluss	Handbewegung → Schalterstellung → Steuerung der Motordrehzahl

Hinweis: Im physikalischen Sinn braucht Information immer einen Träger. Im technischen Systemmodell wird der Informationsfluss trotzdem getrennt dargestellt, weil er eine andere Funktion beschreibt als der Energiefluss.

Systemdiagramm 2 – Vom Gesamtsystem zu Teilsystemen

[Bohrschrauber]
      │
      ├── [Energiespeicher: Akku]
      ├── [Bedien- und Steuersystem: Schalter / Elektronik]
      ├── [Antriebssystem: Elektromotor]
      ├── [Übertragungssystem: Getriebe / Kupplung]
      ├── [Werkzeugschnittstelle: Bohrfutter]
      └── [Trag- und Schutzsystem: Gehäuse / Lagerung]

Bildlegende: Ein Teilsystem kann aus mehreren Bauteilen bestehen. Entscheidend ist seine Teilfunktion.

Leitbeispiel: Akku-Bohrschrauber als technisches System

Beobachten statt bedienen

Bildlegende: Akku-Bohrschrauber mit Akku. Nutze das Bild zur Systemanalyse, nicht als Aufforderung zur selbstständigen Maschinenbenutzung.

Medienauftrag – Beobachten und markieren:

Zeige am Bild gedanklich die Systemgrenze der Maschine.
Markiere Akku, Handgriff, Bedienelemente und Bohrfutter.
Ordne jedem sichtbaren Bereich eine Teilfunktion zu.
Suche zwei sichtbare Schnittstellen.

Selbstkontrolle: Typische Schnittstellen sind Akku–Maschine, Hand–Bedienelement und Bohrfutter–Werkzeug. Die genaue Abgrenzung hängt von Deiner gewählten Systemgrenze ab.

Die wichtigsten Teilsysteme

Teilsystem	Aufgabe	Eingang	Ausgang
Akku	elektrische Energie bereitstellen	gespeicherte chemische Energie	elektrische Energie
Schalter / Leistungselektronik	Ein/Aus, Drehrichtung und je nach Bauart Drehzahl beeinflussen	Bedieninformation und elektrische Energie	gesteuerte elektrische Energie
Elektromotor	elektrische in mechanische Energie umwandeln	elektrische Energie	Drehbewegung
Getriebe	Drehzahl und Drehmoment anpassen	schnelle Drehbewegung	angepasste Drehbewegung
Bohrfutter	Werkzeug aufnehmen und Drehbewegung übertragen	Drehbewegung	Drehbewegung am Werkzeug
Gehäuse / Lager	Bauteile halten, schützen und Kräfte führen	Kräfte	abgestützte und geführte Kräfte

Systemdiagramm 3 – Hauptwirkungsweg

[Akku]
   │ E →
   ▼
[Schalter / Elektronik]
   │ E →
   ▼
[Elektromotor]
   │ mechanische Energie →
   ▼
[Getriebe]
   │ Drehbewegung →
   ▼
[Bohrfutter]
   │ Drehmoment + Drehzahl →
   ▼
[Werkzeug / Bearbeitungsstelle]

Bildlegende: Der Hauptwirkungsweg beschreibt, wie Energie von Teilsystem zu Teilsystem weitergegeben und verändert wird.

Energiefluss

Energie wird übertragen und umgewandelt

Beim Bohrschrauber startet der Energiefluss im Akku. Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um. Das Getriebe verändert die mechanischen Kenngrößen Drehzahl und Drehmoment. Ein Teil der Energie wird unerwünscht in Wärme und Schall umgewandelt.

Systemdiagramm 4 – Energiekette

chemische Energie
      │
      ▼
   [Akku]
      │ elektrische Energie
      ▼
[Schalter / Elektronik]
      │ elektrische Energie
      ▼
    [Motor]
      │ mechanische Rotationsenergie
      ▼
   [Getriebe]
      │ angepasste Rotationsenergie
      ▼
 [Bohrfutter]
      │
      ├──► Nutzwirkung an der Bearbeitungsstelle
      └──► Verluste: Wärme + Schall + Reibung

Animation: Energieumwandlung im Elektromotor

Bildlegende: Animation eines klassischen Gleichstrommotors. Beobachte, welcher Teil rotiert und wo elektrische Energie in Drehbewegung übergeht.

Medienauftrag – Beobachten und erklären:

Beobachte drei vollständige Umdrehungen.
Zeige gedanklich den Energieeingang und den mechanischen Energieausgang.
Formuliere einen Fachsatz mit „wandelt … in … um“.

Musterlösung: Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um.

Videoauftrag – vergleichen: Vergleiche die Animation im Video mit dem GIF. Notiere, welche Bauteile in beiden Darstellungen vorkommen und welche Darstellung Dir den Wirkzusammenhang klarer zeigt.

Getriebe als Teilsystem

Warum ein Getriebe?

Ein Motor dreht häufig schnell. Für eine Arbeitsaufgabe kann jedoch mehr Drehmoment bei geringerer Drehzahl benötigt werden. Ein Getriebe passt die Bewegung an.

Bildlegende: Zahnrad aus einem Akku-Bohrschrauber. Das Bauteil gehört zum Teilsystem Getriebe.

Animation: Planetengetriebe

Bildlegende: Animation eines Planetengetriebes. Mehrere Zahnräder greifen gleichzeitig ineinander.

Medienauftrag – messen und vergleichen:

Wähle in der Animation einen gut erkennbaren Punkt am Eingang und einen am Ausgang.
Zähle über mehrere Wiederholungen, welcher Teil sich schneller dreht.
Vergleiche Richtung und Drehzahl.
Begründe, warum ein Getriebe als eigenes Teilsystem betrachtet wird.

Hilfe: Suche zuerst Eingang, feststehendes Teil und Ausgang. Erst danach vergleichst Du die Bewegungen.

Selbstkontrolle: Ein Getriebe ist ein Teilsystem, weil es eine klar abgrenzbare Teilfunktion erfüllt: Es überträgt und verändert eine Drehbewegung.

Videoauftrag – Fehler finden: Prüfe die Aussage „Das Getriebe erzeugt Energie“. Begründe mit dem Video, warum diese Aussage fachlich falsch ist.

Lösung: Das Getriebe erzeugt keine Energie. Es überträgt mechanische Energie und verändert Drehzahl sowie Drehmoment. Reibungsverluste führen zusätzlich zu Wärme.

Systemdiagramm 5 – Wirkprinzip des Getriebes

schnelle Drehung + kleineres Drehmoment
                 │
                 ▼
             [GETRIEBE]
                 │
                 ▼
langsamere Drehung + größeres Drehmoment

Merksatz: Das Getriebe verändert den Bewegungszustand, nicht die Energiemenge zu Deinen Gunsten.

Informationsfluss

Information steuert Wirkung

Beim Bohrschrauber gibt die Bedienperson eine Information über Schalterstellung oder Tastendruck. Die Steuerung beeinflusst daraufhin den elektrischen Energiefluss zum Motor.

Bildlegende: Vereinfachtes Schaltsymbol eines Ein/Aus-Schalters. Ein Schalter kann einen Energiefluss freigeben oder unterbrechen.

Systemdiagramm 6 – Informationsweg

[Bedienperson]
      │ I → Wunsch: Start / Stopp / Richtung / Drehzahl
      ▼
[Bedienelement]
      │ I →
      ▼
[Steuerung / Elektronik]
      │ beeinflusst E →
      ▼
[Motor]
      │
      ▼
[mechanische Reaktion]

Wichtig: Informationsfluss und Energiefluss können dieselbe Schnittstelle nutzen, haben aber unterschiedliche Rollen im Modell.

EVA-Prinzip als Denkmodell

EVA-Schritt	Beispiel
Eingabe	Schalter wird betätigt
Verarbeitung	Steuerung bestimmt die Leistungsabgabe
Ausgabe	Motor dreht sich mit einer bestimmten Wirkung

Systemdiagramm 7 – EVA-Pfeilbild

EINGABE ──► VERARBEITUNG ──► AUSGABE
Schalter     Elektronik        Motorbewegung

Stofffluss

Stofffluss hängt von der Systemgrenze ab

Bei einer reinen Betrachtung der Maschine kann kaum Stoff durch den Bohrschrauber selbst fließen. Betrachtet man dagegen Maschine + Werkzeug + Werkstück als Arbeitssystem, wird ein Stofffluss sichtbar: Das Werkstück gelangt zur Bearbeitungsstelle; bei spanender Bearbeitung entstehen bearbeitete Oberfläche und abgetrennte Späne beziehungsweise Staub.

Systemdiagramm 8 – Stofffluss an der Bearbeitungsstelle

[Werkstück]
    │ S →
    ▼
[Bearbeitungsstelle]
    │
    ├── S → [bearbeitetes Werkstück]
    └── S → [Späne / Staub]

Denkfrage: Verschiebe die Systemgrenze so, dass nur die Maschine im System liegt. Welche Stoffpfeile liegen jetzt außerhalb des Systems?

Selbstkontrolle: Liegt nur die Maschine innerhalb der Grenze, dann befinden sich Werkstück und Späne überwiegend in der Umgebung. Das zeigt: Ein Systemmodell ist eine bewusste Vereinfachung.

Transferbeispiel: USB-Modellventilator

Ein schulisch freigegebener Kleinspannungs-Modellventilator macht alle drei Flüsse leicht sichtbar.

I → Schalterstellung
        │
        ▼
E → [Motor] ──► Drehbewegung ──► [Rotor]
                                  │
                                  ▼
                              S → Luftstrom

Bildlegende: Information beeinflusst den Energiefluss; die mechanische Wirkung erzeugt einen Stofffluss der Luft.

Schnittstellen

Schnittstellen übertragen etwas

Eine Schnittstelle ist eine Übergabestelle. Dort können Energie, Stoff, Information oder Kräfte übertragen werden.

Bildlegende: Kontakte eines Werkzeugakkus. Die Kontaktzone ist eine elektrische Schnittstelle. Bei manchen Akkus gibt es neben Leistungsanschlüssen zusätzliche Signal- oder Überwachungskontakte.

Medienauftrag – markieren:

Markiere gedanklich die Kontaktflächen.
Unterscheide mechanische Führung und elektrische Kontakte.
Erkläre, welche Funktion die Schnittstelle im Gesamtsystem hat.
Nenne eine mögliche Folge eines schlechten Kontakts, ohne die Batterie praktisch zu verändern.

Musterlösung: Die Akkuschnittstelle verbindet Energiespeicher und Maschine. Ein schlechter elektrischer Kontakt kann den Energiefluss unterbrechen oder unzuverlässig machen.

Mechanische Schnittstelle: Bohrfutter

Bildlegende: Verschiedene Bohrfutter. Sie bilden die mechanische Schnittstelle zwischen Maschine und eingespanntem Werkzeug.

Vergleichsauftrag: Vergleiche Form, Spannbereich und Bedienprinzip nur anhand der Bilder. Erkläre, welche gemeinsame Funktion alle Varianten erfüllen.

Lösung: Trotz unterschiedlicher Bauform übertragen Bohrfutter die Drehbewegung der Maschine auf das eingesetzte Werkzeug und halten dieses zentrisch fest.

Systemdiagramm 9 – Schnittstellenkette

[Akku]
   ║ Schnittstelle A: elektrisch + mechanisch
[Maschine]
   ║ Schnittstelle B: Mensch + Bedienelement
[Steuerung]
   ║ Schnittstelle C: elektrisch
[Motor]
   ║ Schnittstelle D: Welle
[Getriebe]
   ║ Schnittstelle E: mechanisch
[Bohrfutter]
   ║ Schnittstelle F: Werkzeugaufnahme
[Werkzeug]

Zusammenwirken der Teilsysteme

Ursache und Wirkung statt Teileliste

Eine gute Systemerklärung nennt nicht nur Teile. Sie verbindet Teilsysteme mit Wirkverben.

Schwach	Fachlich präziser
Der Akku ist da.	Der Akku stellt elektrische Energie bereit.
Dann kommt der Motor.	Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um.
Das Getriebe macht weiter.	Das Getriebe passt Drehzahl und Drehmoment an die Arbeitsaufgabe an.
Das Bohrfutter hält etwas.	Das Bohrfutter bildet die mechanische Schnittstelle zum Werkzeug und überträgt die Drehbewegung.

Systemdiagramm 10 – Gekoppelter Energie- und Informationsfluss

                 I → [Bedienperson]
                        │
                        ▼
                  [Bedienelement]
                        │ I →
                        ▼
E → [Akku] ─────► [Steuerung] ─────► [Motor] ─────► [Getriebe] ─────► [Bohrfutter]
                                              E/mech.         mech.             mech.

Bildlegende: Der Informationsfluss beeinflusst den Energiefluss. Erst beide zusammen erklären die Reaktion der Maschine.

Explosionsbild: Teilsystem oder Bauteil?

Bildlegende: Historisches Explosionsbild eines Elektromotors. Es zeigt: Auch ein Teilsystem „Motor“ besteht selbst wieder aus mehreren Bauteilen.

Medienauftrag – strukturieren:

Kreise gedanklich Bauteile ein, die gemeinsam zum Motor gehören.
Formuliere die Systemhierarchie „Gesamtsystem → Teilsystem → Bauteil“.
Erkläre, warum die Grenze zwischen Teilsystem und Bauteil vom Analyseziel abhängt.

Selbstkontrolle: Ein Teilsystem wird nach einer sinnvollen Teilfunktion abgegrenzt. Für eine grobe Maschinenanalyse kann der gesamte Motor ein Teilsystem sein; bei einer Motoranalyse werden Rotor, Stator, Lager oder Kommutator selbst zu untersuchten Untereinheiten.

Virtuell ein Teil entfernen

Ausfallanalyse: Was folgt daraus?

Du entfernst keine reale Maschine. Du änderst nur das Systemmodell und verfolgst die Folgen.

Virtuell entfernt oder gestört	Unmittelbare Folge	Folgewirkung
Akku	Energiequelle fehlt	Motor, Getriebe und Bohrfutter bleiben ohne Antriebswirkung
Schalter / Steuerung	Bedieninformation kann nicht wirksam in eine gesteuerte Energiezufuhr umgesetzt werden	kontrollierter Start oder geregelte Reaktion fällt aus
Motor	Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie fehlt	Getriebe erhält keine Antriebsdrehung
Getriebe	Drehbewegung wird nicht wie vorgesehen angepasst und übertragen	gewünschte Drehzahl oder gewünschtes Drehmoment am Bohrfutter fehlt
Bohrfutter	mechanische Werkzeugschnittstelle fehlt	Drehbewegung kann nicht vorgesehen auf das Werkzeug übertragen werden
Lagerung / Gehäusefunktion	Wellen und Bauteile werden nicht korrekt geführt oder geschützt	System ist nicht funktionssicher; reale Inbetriebnahme wäre unzulässig

Systemdiagramm 11 – Kettenreaktion eines Fehlers

[Getriebe gestört]
        │
        ▼
Drehbewegung wird nicht korrekt übertragen
        │
        ▼
Bohrfutter erhält falsche oder keine Bewegung
        │
        ▼
Arbeitsfunktion wird nicht erreicht

Merksatz: Eine Störung kann sich über mehrere Schnittstellen fortpflanzen.

Simulation: Fehlerpfad

Fehlerbild A:

[Akku] ─► [Bohrfutter] ─► [Schalter] ─► [Motor] ─► [Getriebe]

Auftrag: Finde mindestens drei Fehler in der Reihenfolge oder Funktion.

Lösungsweg: Beginne beim Energieeingang. Frage an jedem Pfeil: „Kann dieses Teilsystem seine Ausgangsgröße sinnvoll an das nächste übergeben?“

Lösung: Der Schalter beziehungsweise die Steuerung gehört vor den Motor. Der Motor muss vor dem Getriebe liegen. Das Bohrfutter folgt auf das Getriebe. Eine passende Hauptkette lautet: Akku → Schalter/Steuerung → Motor → Getriebe → Bohrfutter.

Medienlabor: beobachten, markieren, vergleichen, messen, simulieren, Fehler finden

Station 1 – Beobachten

Nutze das Foto des Akku-Bohrschraubers. Formuliere zu vier sichtbaren Bereichen jeweils Bauteil oder Teilsystem – Funktion – Schnittstelle.

Station 2 – Markieren

Nutze das Foto der Akkukontakte. Zeichne auf einer eigenen Kopie oder Skizze zwei verschiedene Pfeilarten: Energiefluss und mögliche Informationswege.

Station 3 – Vergleichen

Vergleiche Motoranimation und Getriebeanimation. Der Motor wandelt Energie um; das Getriebe überträgt und passt mechanische Bewegung an.

Station 4 – Messen

Nutze die Planetengetriebe-Animation. Zähle über denselben Beobachtungszeitraum die Umdrehungen von Eingang und Ausgang. Entscheide, welcher Teil schneller ist. Verwende nur die Animation, keine reale Maschine.

Station 5 – Simulieren

Streiche in Deinem Systemdiagramm nacheinander Akku, Motor, Getriebe und Bohrfutter. Notiere jeweils die erste direkte Folge und eine zweite Folgewirkung.

Station 6 – Fehler finden

Prüfe diese Aussagen:

„Der Motor speichert die elektrische Energie.“
„Das Getriebe erzeugt zusätzliches Drehmoment ohne andere Folge.“
„Eine Schnittstelle ist nur ein Kabel.“
„Der Stofffluss ist unabhängig von der Systemgrenze.“

Selbstkontrolle: Alle vier Aussagen sind zu ungenau oder falsch. Der Akku speichert Energie, der Motor wandelt Energie um, das Getriebe tauscht in idealisierter Betrachtung Drehzahl gegen Drehmoment, Schnittstellen können elektrisch, mechanisch oder informationstechnisch sein, und der sichtbare Stofffluss hängt von der gewählten Systemgrenze ab.

Prüfungsnah: Wirkzusammenhang in fünf bis sieben Fachsätzen

Schreibplan

Eine gute Antwort folgt einer Wirkungskette.

System nennen: Welche Maschine wird erklärt?
Eingabe nennen: Welche Bedieninformation startet oder verändert den Ablauf?
Energiequelle nennen: Woher kommt die Energie?
Umwandlung nennen: Was macht der Motor?
Übertragung nennen: Was macht das Getriebe?
Schnittstelle nennen: Wie erreicht die Bewegung das Werkzeug?
Wirkung nennen: Welche technische Funktion entsteht am Ausgang?

Musterantwort mit sechs präzisen Fachsätzen

1. Beim Akku-Bohrschrauber stellt der Akku elektrische Energie für das Antriebssystem bereit. 2. Über das Bedienelement gelangt die Bedieninformation zur Steuerung, die den elektrischen Energiefluss zum Motor beeinflusst. 3. Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um. 4. Das Getriebe überträgt die Drehbewegung und passt Drehzahl sowie Drehmoment an. 5. Über die mechanische Schnittstelle des Bohrfutters wird die Drehbewegung auf das eingesetzte Werkzeug übertragen. 6. An der Bearbeitungsstelle entsteht dadurch die gewünschte technische Wirkung, während zusätzlich Verluste wie Wärme und Schall auftreten können.

Prüfkriterien zur Selbstkontrolle

Prüffrage	Ja / noch verbessern
Sind fünf bis sieben vollständige Fachsätze vorhanden?
Werden mindestens drei Teilsysteme korrekt verknüpft?
Wird mindestens eine Schnittstelle genannt?
Wird der Energiefluss fachlich korrekt beschrieben?
Wird ein Informationsfluss erklärt?
Werden Ursache und Wirkung mit Wirkverben verbunden?

Fachlich begründete technische Entscheidungen

Entscheidung 1: Für eine Konstruktion wird am Ausgang mehr Drehmoment und weniger Drehzahl benötigt. Welches Teilsystem ist besonders wichtig?

Lösung: Das Getriebe. Eine stärkere Untersetzung kann die Ausgangsdrehzahl verringern und das verfügbare Drehmoment erhöhen. Die genaue Auslegung hängt von Verlusten und Belastungsgrenzen ab.

Entscheidung 2: Eine Maschine soll nur dann reagieren, wenn ein Sensorsignal vorliegt. Welcher Fluss muss zusätzlich zum Energiefluss betrachtet werden?

Lösung: Der Informationsfluss. Das Sensorsignal muss zur Verarbeitung gelangen und dort eine Wirkung auf den Energiefluss beziehungsweise den Aktor auslösen.

Entscheidung 3: Eine Schnittstelle wird häufig locker. Welche Anforderung ist zuerst zu prüfen?

Lösung: Die mechanische und funktionale Zuverlässigkeit der Verbindung. Eine Schnittstelle muss die vorgesehenen Größen sicher übertragen, ohne die Funktionssicherheit zu gefährden.

Sichere Modellpraxis

Kleinspannungs-Modell nur nach Unterweisung

Ein mögliches schulisches Funktionsmodell besteht aus einer freigegebenen Kleinspannungsquelle, einem Schalter, einem Modellmotor und einem leichten Rotor oder Getriebemodell. Die konkrete Durchführung legt die Lehrkraft fest.

Systemdiagramm 12 – Sicheres Funktionsmodell

I → [Schalter]
        │
        ▼
E → [freigegebene Kleinspannungsquelle]
        │
        ▼
     [Motor]
        │
        ▼
[leichter Rotor / Getriebemodell]
        │
        ▼
    beobachtbare Wirkung

Messidee unter Aufsicht: Vergleiche in einer freigegebenen Schulsimulation oder an einem vorbereiteten Kleinspannungsmodell Eingangs- und Ausgangsgrößen. Dokumentiere nur Messwerte, die die Lehrkraft freigegeben hat.

Wiederholung und Transfer

60-Sekunden-Systemcheck

Nenne das Gesamtsystem.
Ziehe eine gedachte Systemgrenze.
Benenne mindestens drei Teilsysteme.
Markiere mindestens zwei Schnittstellen.
Zeichne Energie-, Stoff- und Informationspfeile.
Entferne virtuell ein Teilsystem und verfolge zwei Folgen.
Formuliere den Wirkzusammenhang in fünf bis sieben Fachsätzen.

Transfer auf andere Systeme

Übertrage das Verfahren auf ein Fahrrad, einen schulisch freigegebenen Modellventilator, eine automatische Tür als Simulation oder ein Förderbandmodell. Entscheidend ist immer dieselbe Frage: Welches Teilsystem wirkt über welche Schnittstelle auf welches nächste Teilsystem?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was ist ein Teilsystem? (Ein abgegrenzter Teil eines Systems mit eigener Teilfunktion) (!Ein beliebiger Gegenstand neben einer Maschine) (!Nur die äußere Verkleidung eines Systems) (!Immer das kleinste einzelne Bauteil)

Was beschreibt eine Schnittstelle? (Eine Übergabestelle zwischen Teilsystemen oder zur Umgebung) (!Nur die Farbe eines Gehäuses) (!Ausschließlich ein Computerprogramm) (!Nur eine Schraube ohne Funktionsbezug)

Welche Aussage zum Energiefluss ist richtig? (Energie wird zwischen Teilsystemen übertragen oder umgewandelt) (!Energiefluss bedeutet nur Datenübertragung) (!Energie entsteht im Getriebe aus dem Nichts) (!Energiefluss beschreibt nur die Form eines Bauteils)

Was ist ein Beispiel für Stofffluss? (Werkstück gelangt zur Bearbeitungsstelle und Späne verlassen sie) (!Schalterstellung steuert den Motor) (!Akku liefert elektrische Energie) (!Getriebe verändert die Drehzahl)

Was ist ein Beispiel für Informationsfluss? (Schalterstellung beeinflusst die Steuerung des Motors) (!Akku liefert elektrische Energie an den Motor) (!Getriebe überträgt Drehbewegung) (!Werkstück wird an einer Stelle bearbeitet)

Welche Hauptfunktion hat der Elektromotor im Bohrschrauber? (Er wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um) (!Er speichert das Werkzeug im Gehäuse) (!Er erzeugt den Stofffluss der Späne ohne Werkzeug) (!Er ersetzt das Bohrfutter als Spannmittel)

Welche Hauptfunktion hat das Getriebe? (Es überträgt und verändert Drehzahl und Drehmoment) (!Es speichert die gesamte elektrische Energie) (!Es misst automatisch jeden Stofffluss) (!Es bildet allein die Bedienoberfläche)

Was passiert im Systemmodell zuerst wenn der Motor virtuell entfernt wird? (Die Umwandlung in mechanische Rotationsenergie fehlt) (!Der Akku wird automatisch größer) (!Das Bohrfutter erzeugt selbst elektrische Energie) (!Der Stofffluss wird unabhängig vom restlichen System)

Warum ist die Systemgrenze wichtig? (Sie legt fest was zum untersuchten System gehört) (!Sie bestimmt nur die Farbe der Pfeile) (!Sie ersetzt alle Teilsysteme) (!Sie macht Schnittstellen überflüssig)

Was kennzeichnet eine gute Erklärung des Wirkzusammenhangs? (Sie verbindet Teilsysteme mit Ursache Wirkung und Fachbegriffen) (!Sie nennt nur möglichst viele Bauteile ohne Zusammenhang) (!Sie beschreibt nur das Aussehen der Maschine) (!Sie vermeidet Energie Information und Schnittstellen)

Memory

Teilsystem	Teil mit eigener Teilfunktion
Schnittstelle	Übergabestelle zwischen Systemteilen
Energiefluss	Weitergabe oder Umwandlung von Energie
Stofffluss	Bewegung von Material durch eine Systemgrenze
Informationsfluss	Übertragung eines steuernden Signals
Getriebe	Anpassung von Drehzahl und Drehmoment
Elektromotor	Umwandlung zu mechanischer Rotation

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Akku	stellt elektrische Energie bereit
Schalter	übernimmt eine Bedieninformation
Motor	wandelt elektrische Energie in Drehbewegung um
Getriebe	passt Drehzahl und Drehmoment an
Bohrfutter	bildet die mechanische Werkzeugschnittstelle
Gehäuse	trägt schützt und führt Bauteile

Kreuzworträtsel

Teilsystem	Wie heißt ein abgegrenzter Systemteil mit eigener Teilfunktion?
Schnittstelle	Wie heißt die Übergabestelle zwischen zwei Teilsystemen?
Energiefluss	Wie heißt die gerichtete Weitergabe von Energie?
Stofffluss	Wie heißt der Weg von Material durch ein System?
Getriebe	Welches Teilsystem passt Drehzahl und Drehmoment an?
Bohrfutter	Welche Baugruppe verbindet die Maschine mechanisch mit dem Werkzeug?

LearningApps

Lückentext

Ein

übernimmt eine abgegrenzte Teilfunktion im Gesamtsystem.

Eine

verbindet Teilsysteme oder das System mit seiner Umgebung.

Der

beschreibt die Weitergabe oder Umwandlung von Energie.

Der

zeigt den Weg von Material durch das betrachtete System.

Der

beschreibt die Übertragung eines Signals oder einer Bedieninformation.

Der Akku stellt

bereit.

Der Elektromotor erzeugt aus elektrischer Energie eine

.

Das Getriebe passt unter anderem das

an.

Das Bohrfutter bildet eine mechanische

.

Eine virtuelle Entfernung eines Teils zeigt mögliche

im Gesamtsystem.

Offene Aufgaben

Leicht

Systemgrenze: Zeichne um einen abgebildeten Akku-Bohrschrauber eine Systemgrenze und begründe in zwei Sätzen, was innerhalb und außerhalb liegt.
Teilsystem: Erstelle fünf Karten mit Teilsystemname, Teilfunktion und einem passenden Eingang oder Ausgang.
Schnittstelle: Suche in drei Alltagsgegenständen jeweils eine mechanische oder elektrische Schnittstelle und skizziere sie.
Pfeilbild: Zeichne für einen schulisch freigegebenen Modellventilator getrennte Pfeile für Energie-, Stoff- und Informationsfluss.

Standard

Wirkungskette: Erstelle ein Systemdiagramm des Akku-Bohrschraubers mit mindestens fünf Teilsystemen und beschrifte jeden Pfeil mit der übertragenen Größe.
Fehleranalyse: Entferne in einer Kopie Deines Diagramms virtuell das Getriebe und beschreibe zwei direkte sowie zwei indirekte Folgen.
Medienanalyse: Vergleiche Motor- und Getriebeanimation. Dokumentiere drei Gemeinsamkeiten und drei Unterschiede ihrer Funktionen.
Technische Entscheidung: Begründe fachlich, warum bei einer Konstruktion mit hohem benötigtem Drehmoment ein Getriebe anders ausgelegt werden muss als bei einer Konstruktion mit hoher Ausgangsdrehzahl.

Schwer

Systemvergleich: Vergleiche Akku-Bohrschrauber und USB-Modellventilator nach Teilsystemen, Schnittstellen sowie Energie-, Stoff- und Informationsfluss.
Fehlerdiagnose: Entwickle ein fehlerhaftes Systemdiagramm mit vier bewusst eingebauten Fehlern und erstelle anschließend einen begründeten Lösungsweg.
Prüfungstraining: Formuliere den Wirkzusammenhang einer selbst gewählten Maschine in genau sechs Fachsätzen und markiere darin Fachbegriffe, Wirkverben und Schnittstellen.
Technikfolgen: Entwirf eine Verbesserungsentscheidung für ein Teilsystem mit den Kriterien Funktion, Sicherheit, Wartbarkeit und Energieverluste und begründe Zielkonflikte.

Lernkontrolle

Systemmodell: Ein Mitschüler zeichnet Akku → Motor → Schalter → Getriebe → Bohrfutter. Korrigiere das Modell und erkläre, warum die Reihenfolge für Energie- und Informationsfluss wichtig ist.
Systemgrenze: Erkläre, wie sich der Stofffluss ändert, wenn Du einmal nur die Maschine und einmal Maschine plus Werkzeug plus Werkstück als System betrachtest.
Ausfallanalyse: Ein Motor dreht, aber am Ausgang des Bohrfutters kommt keine nutzbare Drehbewegung an. Nenne zwei mögliche betroffene Teilsysteme oder Schnittstellen und begründe Deine Vermutung.
Schnittstellenanalyse: Eine Akkuschnittstelle hat mechanische Führung und elektrische Kontakte. Erkläre, warum beide Funktionen für das Gesamtsystem wichtig sind.
Energie und Information: Begründe, warum ein vollständiger Energiefluss allein noch nicht erklärt, wann und wie eine steuerbare Maschine reagiert.
Technische Entscheidung: Entscheide für ein theoretisches Konstruktionsziel „mehr Drehmoment bei geringerer Drehzahl“, an welchem Teilsystem Du zuerst ansetzen würdest, und begründe die erwartete Wirkung sowie einen möglichen Nachteil.
Transfer: Übertrage das Analyseverfahren auf eine automatische Tür als Simulation und beschreibe mindestens vier Teilsysteme sowie eine Ursache-Wirkungs-Kette.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Begriffe auswendig kennst, sondern technische Zusammenhänge erklären kannst.

Du definierst Teilsystem, Schnittstelle, Energiefluss, Stofffluss und Informationsfluss korrekt.
Du zeichnest eine nachvollziehbare Systemgrenze.
Du zerlegst eine Maschine funktionsbezogen in sinnvolle Teilsysteme.
Du beschriftest Pfeile mit der übertragenen Größe.
Du erklärst mindestens einen Wirkzusammenhang als Ursache-Wirkungs-Kette.
Du untersuchst die Folgen eines virtuell entfernten Teils.
Du begründest eine technische Entscheidung mit Funktion und Folge.
Du formulierst einen prüfungsnahen Wirkzusammenhang in fünf bis sieben präzisen Fachsätzen.
Du beachtest bei jeder praktischen oder elektrischen Aufgabe die schulischen Sicherheitsvorgaben.

Quellen und Medienrechte

Fachliche Quellen:

Wikimedia-Commons-Medien:

CORDLESS DRILL.jpg – Abduldedysubhansyah, CC BY-SA 4.0.
Gear from cordless drill (49325577397).jpg – Daniel Garcia, CC BY-SA 2.0.
SPST-Switch.svg – Iainf, Public Domain.
Contacts on DeWalt 20V Max battery.jpg – DragonLord, CC BY-SA 3.0 oder GFDL.
Electric motor.gif – Abnormaal, CC BY-SA 3.0 oder GFDL.
Planetary Gear Animation.gif – Laserlicht, CC0.
Drill chucks.jpg – Mark Hunter, CC BY 2.0.
Woods Electric Automobile Electric Motor exploded view.png – C. E. Woods, Public Domain.

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