Diesen aiMOOC als Battle spielen: Biologie, Klasse 9-10, M-Niveau

NWT9 - Systeme in Natur und Technik erkennen

Klasse 9 | Naturwissenschaft und Technik | Schwerpunkt: Systeme analysieren, Teilsysteme erkennen und Funktionen erklären

Ein System ist ein abgegrenzter Zusammenhang von Elementen oder Teilsystemen, die miteinander wechselwirken und gemeinsam eine Funktion erfüllen. Diese Denkweise hilft Dir, komplexe Objekte aus Natur und Technik zu verstehen: Ein Fahrrad, eine Windkraftanlage, ein Industrieroboter oder der menschliche Bewegungsapparat bestehen aus vielen Teilen. Entscheidend ist aber nicht nur, welche Teile vorhanden sind, sondern wie sie zusammenwirken.

Im NwT-Unterricht wird genau dieses systemische Denken trainiert. Der Bildungsplan Baden-Württemberg beschreibt dazu unter anderem das Analysieren von Systemen, das Zerlegen in Teilsysteme, das Erkennen von Schnittstellen sowie das Untersuchen von Energie-, Stoff- und Informationsströmen. Quelle und Vertiefung: Bildungsplan Baden-Württemberg – Systeme und Prozesse.

In diesem aiMOOC untersuchst Du vier konkrete Systeme: Fahrrad, Windkraftanlage, Roboter und menschlicher Bewegungsapparat. Dabei lernst Du, Systemgrenzen festzulegen, Teilsysteme zu benennen, Funktionen zu erklären, Schnittstellen zu erkennen und Energie- sowie Informationsflüsse darzustellen.

Lernziele und Differenzierung G/M/E

Bereich	G – grundlegendes Niveau	M – mittleres Niveau	E – erweitertes Niveau
System erkennen	Du erkennst ein System und benennst wichtige Teilsysteme.	Du legst eine sinnvolle Systemgrenze fest und erklärst die Funktion der Teilsysteme.	Du begründest unterschiedliche mögliche Systemgrenzen und bewertest ihre Aussagekraft.
Schnittstellen	Du erkennst, wo Teilsysteme miteinander verbunden sind.	Du erklärst, was an einer Schnittstelle übertragen wird.	Du modellierst mehrere gekoppelte Schnittstellen und ihre Wechselwirkungen.
Ströme	Du unterscheidest Energie und Information.	Du beschreibst Energie-, Stoff- und Informationsströme.	Du analysierst, wie Änderungen eines Stroms andere Teilsysteme beeinflussen.
Funktion	Du ordnest Bauteilen einfache Funktionen zu.	Du erklärst das Zusammenwirken mehrerer Teilsysteme.	Du leitest aus Teilfunktionen die Gesamtfunktion ab und untersuchst Störungen.
Darstellung	Du erstellst eine einfache Skizze.	Du erstellst ein Systemdiagramm mit Ein- und Ausgängen.	Du entwickelst ein vernetztes Modell mit Rückkopplung, Störungen und Regelung.

Was macht ein System aus?

Ein System besteht aus Elementen oder Teilsystemen, die in Beziehung zueinander stehen. Für eine gute Systemanalyse brauchst Du mehrere Begriffe.

Begriff	Bedeutung	Beispiel
Systemgrenze	Gedachte Grenze zwischen dem untersuchten System und seiner Umgebung.	Beim Fahrrad kann die Grenze nur um das Fahrrad gezogen werden oder um Fahrer und Fahrrad gemeinsam.
Teilsystem	Teil eines größeren Systems mit eigener Teilfunktion.	Der Antrieb ist ein Teilsystem des Fahrrads.
Schnittstelle	Verbindung zwischen zwei Teilsystemen oder zwischen System und Umgebung.	Die Kette verbindet Kurbel und Hinterradantrieb.
Input	Was in ein System hineingelangt.	Energie, Stoffe oder Informationen.
Output	Was ein System verlässt oder als Wirkung erzeugt.	Bewegung, elektrische Energie, Wärme oder ein bearbeitetes Werkstück.
Funktion	Aufgabe, die ein Element oder Teilsystem erfüllt.	Eine Bremse verringert die Geschwindigkeit.
Wechselwirkung	Gegenseitige Beeinflussung von Teilen.	Ein Sensor liefert Daten an eine Steuerung, die daraufhin einen Motor ansteuert.
Rückkopplung	Ein Teil der Ausgangsinformation wird wieder zur Beeinflussung des Systems genutzt.	Ein Sensor meldet die aktuelle Position eines Robotergelenks an die Regelung zurück.

Energie-, Stoff- und Informationsströme

Beim Analysieren eines Systems lohnt sich die Frage: Was fließt durch das System?

Energiefluss: Energie wird übertragen oder umgewandelt, zum Beispiel von Muskelenergie in Bewegungsenergie oder von Windenergie in elektrische Energie.
Stoffstrom: Stoffe gelangen in ein System hinein, werden transportiert oder verlassen es wieder, zum Beispiel Sauerstoff und Nährstoffe im menschlichen Körper.
Informationsfluss: Signale, Messwerte oder Steuerbefehle werden weitergegeben, zum Beispiel vom Sensor zur Robotersteuerung.

Diese drei Ströme können gleichzeitig auftreten. Gerade bei komplexen Systemen entstehen viele Schnittstellen, an denen mehrere Ströme zusammenkommen.

Das Bild zeigt das Grundprinzip eines rückgekoppelten Systems: Ein gewünschter Zustand wird mit einem gemessenen Zustand verglichen. Eine Steuer- oder Regeleinheit reagiert auf die Abweichung. Dieses Prinzip begegnet Dir in technischen Anlagen, aber auch in biologischen Regelvorgängen.

Systemanalyse in sieben Schritten

System festlegen: Was genau willst Du untersuchen?
Systemgrenze ziehen: Was gehört zum System und was zur Umgebung?
Gesamtfunktion beschreiben: Was soll das System als Ganzes leisten?
Teilsysteme bestimmen: Welche Gruppen von Bauteilen oder Organen erfüllen Teilfunktionen?
Schnittstellen untersuchen: Wo greifen Teilsysteme ineinander?
Ströme einzeichnen: Wo fließen Energie, Stoffe und Informationen?
Störungen prüfen: Was passiert, wenn ein Teilsystem ausfällt oder verändert wird?

Use-Case 1: Fahrrad als technisches System

Ein Fahrrad ist mehr als die Summe seiner Bauteile. Die Gesamtfunktion Fortbewegung entsteht erst durch das Zusammenwirken von Rahmen, Rädern, Antrieb, Lenkung, Bremsen und dem Menschen.

Teilsysteme des Fahrrads

Teilsystem	Typische Elemente	Teilfunktion	Schnittstelle
Tragstruktur	Rahmen, Gabel	Lasten aufnehmen und Bauteile verbinden	Verbindung zu Rädern, Lenker, Sattel und Antrieb
Antrieb	Pedale, Kurbel, Kettenblatt, Kette, Ritzel	Muskelkraft auf das Hinterrad übertragen	Kraftübertragung zwischen Kurbel und Hinterrad
Fahrwerk	Räder, Reifen, Naben	Abrollen, Führen und Kontakt zur Fahrbahn	Kontakt zwischen Reifen und Straße
Lenkung	Lenker, Vorbau, Gabel	Fahrtrichtung verändern	Information und Kraft vom Menschen auf das Vorderrad übertragen
Bremssystem	Bremshebel, Leitung oder Zug, Bremssattel, Reibpartner	Bewegungsenergie verringern	Bedienkraft wird zur Bremse übertragen
Mensch-Fahrrad-Schnittstelle	Sattel, Pedale, Griffe	Kräfte und Informationen zwischen Mensch und Fahrrad übertragen	Körperkontakt

Energie und Information beim Fahrrad

Beim Fahren liefert der Mensch Energie. Chemische Energie aus dem Körper wird über Muskeln in mechanische Arbeit umgewandelt. Über Pedale, Kurbel, Kette und Hinterrad wird diese Energie bis zur Bewegung des Fahrrads übertragen. Gleichzeitig verarbeitet der Mensch Informationen aus Augen, Gleichgewichtssinn und Körperwahrnehmung. Die Hände und Beine geben Steuerinformationen über Lenker, Bremshebel und Pedale an das Fahrrad weiter.

Bei der Bremse wird ein Teil der Bewegungsenergie überwiegend in Wärme umgewandelt. Bei der Lenkung dagegen steht vor allem die Übertragung von Information und Kraft im Vordergrund.

Interaktive Zerlegung: Fahrrad

Öffne die Systemzerlegung des Fahrrads

Ebene	Systemteil	Frage zur Funktion
Gesamtsystem	Fahrrad	Wie ermöglicht das Fahrrad kontrollierte Fortbewegung?
Teilsystem	Antrieb	Wie gelangt mechanische Energie vom Menschen zum Hinterrad?
Teilsystem	Lenkung	Wie wird eine gewünschte Richtungsänderung übertragen?
Teilsystem	Bremse	Wie wird Bewegungsenergie reduziert?
Teilsystem	Tragstruktur	Wie werden Kräfte aufgenommen und weitergeleitet?

Störfall: Reißt die Kette, bleiben Rahmen, Lenkung und Bremsen funktionsfähig. Die Gesamtfunktion Fortbewegung durch Pedalantrieb ist dennoch stark eingeschränkt. Genau daran erkennst Du: Die Gesamtfunktion hängt vom Zusammenwirken mehrerer Teilsysteme ab.

G/M/E-Auftrag Fahrrad

Niveau	Auftrag
G	Markiere in einer Fahrradskizze vier Teilsysteme und notiere jeweils eine Funktion.
M	Zeichne ein Systemdiagramm für den Antrieb und kennzeichne Energiefluss und Schnittstellen.
E	Vergleiche zwei mögliche Systemgrenzen: nur Fahrrad sowie Mensch plus Fahrrad. Erkläre, wie sich dadurch Input, Output und Teilsysteme verändern.

Use-Case 2: Windkraftanlage als Energieumwandlungssystem

Eine Windkraftanlage wandelt einen Teil der Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um. Sie besteht aus mechanischen, elektrischen und informationstechnischen Teilsystemen.

Teilsysteme der Windkraftanlage

Teilsystem	Elemente	Funktion
Rotor	Rotorblätter, Nabe	Energie aus der Luftströmung aufnehmen und Rotation erzeugen
Triebstrang	Welle und bei manchen Anlagen Getriebe	Drehbewegung übertragen und gegebenenfalls Drehzahl anpassen
Generator	Elektromagnetisches Generatorsystem	Mechanische in elektrische Energie umwandeln
Leistungselektrik	Umrichter, Schalttechnik, Transformator	Elektrische Energie für die Netzeinspeisung anpassen
Messsystem	Windfahne, Anemometer und weitere Sensoren	Betriebs- und Umgebungsgrößen erfassen
Regelung	Steuerrechner, Blattverstellung, Gondelnachführung	Betrieb an Wind und Sicherheitsbedingungen anpassen
Tragstruktur	Turm, Fundament	Lasten aufnehmen und Anlage tragen

Nicht jede Windkraftanlage ist gleich aufgebaut. Besonders wichtig: Ein Getriebe ist nicht in jeder Anlage vorhanden. Es gibt auch getriebelose Konzepte.

Energie- und Informationsfluss der Windkraftanlage

Ein vereinfachter Energiefluss lautet:

Windbewegung → Rotorrotation → Triebstrang → Generator → elektrische Energie → Leistungselektrik → Stromnetz

Parallel dazu gibt es einen Informationsfluss:

Wind- und Betriebsdaten → Sensoren → Regelung → Stellbefehle → Blattverstellung und Gondelnachführung

Damit wird deutlich: Die Windkraftanlage ist zugleich Energieanlage und Informationssystem.

Interaktive Zerlegung: Windkraftanlage

Öffne die Systemzerlegung der Windkraftanlage

Beobachtung	Betroffenes Teilsystem	Auswirkung auf das Gesamtsystem
Windrichtung ändert sich	Messsystem und Gondelnachführung	Die Anlage muss ihre Ausrichtung anpassen.
Rotor dreht sich	Rotor und Triebstrang	Mechanische Energie wird weitergegeben.
Generator arbeitet	Generator	Mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Sensor meldet zu starke Belastung	Messsystem und Regelung	Die Regelung kann die Anlage in einen sichereren Betriebszustand bringen.

G/M/E-Auftrag Windkraftanlage

Niveau	Auftrag
G	Ordne Rotor, Generator, Sensor und Turm jeweils einer Funktion zu.
M	Erkläre Energie- und Informationsfluss in zwei getrennten Systemdiagrammen.
E	Analysiere, wie ein fehlerhafter Windsensor mehrere andere Teilsysteme beeinflussen kann. Entwickle eine Möglichkeit, wie das System einen solchen Fehler erkennen könnte.

Use-Case 3: Roboter als gesteuertes und geregeltes System

Ein moderner Industrieroboter verbindet Mechanik, Elektronik und Informatik. Er bewegt einen Endeffektor wie Greifer oder Werkzeug kontrolliert im Raum. Typische Roboterarme besitzen mehrere Gelenke und Antriebe, die koordiniert werden müssen.

Teilsysteme eines Roboterarms

Teilsystem	Typische Bestandteile	Funktion
Mechanische Struktur	Sockel, Arme, Gelenke	Kräfte aufnehmen und Bewegungsraum ermöglichen
Aktoren	Elektromotoren und Getriebe	Elektrische Energie in Bewegung umwandeln
Sensorik	Positions-, Kraft- oder Näherungssensoren	Zustände und Umgebung erfassen
Steuerung und Regelung	Rechner, Programme, Regler	Sollwerte verarbeiten und Aktoren ansteuern
Endeffektor	Greifer, Schweißwerkzeug oder anderes Werkzeug	Aufgabe am Werkstück ausführen
Energieversorgung	Elektrische Versorgung	Energie für Steuerung und Antriebe bereitstellen
Sicherheitssystem	Schutzraum, Not-Halt, sichere Sensorik je nach Anwendung	Gefährliche Zustände verhindern oder begrenzen

Vom Sensor zum Aktor

Ein Roboter kann als Informationskette betrachtet werden:

Auftrag oder Programm → Steuerung → Motorbefehl → Aktor → Gelenkbewegung → Sensor misst Zustand → Rückmeldung an die Regelung

Die Rückmeldung ist wichtig, weil ein Motorbefehl allein nicht garantiert, dass das Gelenk exakt die gewünschte Position erreicht. Last, Reibung oder äußere Kräfte können die Bewegung beeinflussen.

Interaktive Zerlegung: Roboter

Öffne die Systemzerlegung des Roboters

Signal oder Wirkung	Quelle	Ziel	Art
Sollposition	Programm	Steuerung	Information
Motorstrom	Leistungselektronik	Aktor	Energie
Drehbewegung	Aktor	Gelenk	mechanische Energie
Positionswert	Sensor	Regelung	Information
Greifkraft	Endeffektor	Werkstück	mechanische Wechselwirkung

Fehlerkette: Liefert ein Positionssensor falsche Werte, kann die Regelung eine falsche Abweichung berechnen. Dadurch kann ein eigentlich intakter Motor unpassend angesteuert werden. Ein Defekt in einem Teilsystem kann sich also durch mehrere Schnittstellen fortpflanzen.

G/M/E-Auftrag Roboter

Niveau	Auftrag
G	Benenne Sensor, Steuerung, Aktor und Endeffektor und ordne ihre Funktionen zu.
M	Zeichne die Informationskette vom Programm bis zur Rückmeldung des Sensors.
E	Entwickle für einen Greifroboter eine einfache Regelidee: Welche Größe soll gemessen werden, welcher Sollwert wird gebraucht und wie müsste das System bei Abweichung reagieren?

Use-Case 4: Menschlicher Bewegungsapparat als biologisches System

Der menschliche Bewegungsapparat ist ein komplexes biologisches System. Er umfasst unter anderem Knochen, Gelenke, Muskeln, Sehnen und Bänder. Für gezielte Bewegung müssen außerdem Nervensystem, Sinnesorgane, Kreislauf und Atmung mitwirken.

Teilsysteme des Bewegungsapparats

Teilsystem	Bestandteile	Funktion
Skelett	Knochen	Körper stützen, Kräfte übertragen, Organe schützen
Gelenke	Gelenkflächen, Kapseln und weitere Strukturen	Bewegliche Verbindung zwischen Knochen ermöglichen
Muskeln	Skelettmuskulatur	Durch Kontraktion Zugkräfte erzeugen
Sehnen	Bindegewebige Verbindungen	Muskelkraft auf Knochen übertragen
Nervensystem	Gehirn, Rückenmark, periphere Nerven	Bewegungen koordinieren und Signale übertragen
Sinnes- und Rückmeldesystem	Rezeptoren in Muskeln, Sehnen und Gelenken sowie weitere Sinne	Informationen über Körperlage und Bewegung liefern
Versorgung	Atmung und Kreislauf	Sauerstoff und Nährstoffe bereitstellen und Stoffwechselprodukte abtransportieren

Muskeln, Gelenke und Hebel

Muskeln können aktiv Zugkräfte erzeugen, aber nicht aktiv drücken. Viele Bewegungen entstehen deshalb durch das Zusammenwirken von Gegenspielern, sogenannten Antagonisten. Beim Beugen und Strecken eines Gelenks übernehmen verschiedene Muskeln entgegengesetzte Aufgaben.

Knochen und Gelenke können mechanisch als Hebelsysteme betrachtet werden. Diese technische Sichtweise hilft beim Verstehen von Kräften. Sie hat aber Grenzen: Ein Mensch ist keine Maschine. Biologische Systeme wachsen, passen sich an, regulieren sich, verarbeiten Stoffe und besitzen zahlreiche miteinander gekoppelte Regelkreise.

Energie-, Stoff- und Informationsflüsse beim Menschen

Energie: Chemische Energie aus Nährstoffen ermöglicht Muskelarbeit.

Stoffe: Sauerstoff, Nährstoffe, Wasser und Stoffwechselprodukte werden aufgenommen, transportiert oder abgegeben.

Information: Nervensignale koordinieren Muskelaktivität. Sinnesinformationen liefern Rückmeldungen über Körperposition, Belastung und Umwelt.

Eine Bewegung wie das Greifen nach einem Gegenstand entsteht daher nicht allein im Arm. Viele Teilsysteme wirken zusammen.

Interaktive Zerlegung: Bewegungsapparat

Öffne die Systemzerlegung einer Armbewegung

Schritt	Beteiligtes Teilsystem	Funktion
Ziel wahrnehmen	Sinnesorgane und Nervensystem	Informationen über die Umgebung erfassen und verarbeiten
Bewegung planen	Nervensystem	Muskelaktivitäten koordinieren
Muskel aktivieren	Nerven und Muskeln	Elektrische und chemische Prozesse in Kraft umsetzen
Kraft übertragen	Sehnen	Zugkraft auf Knochen übertragen
Bewegung ermöglichen	Knochen und Gelenke	Hebelbewegung ausführen
Bewegung rückmelden	Rezeptoren und Nervensystem	Lage und Bewegung erfassen und Anpassungen ermöglichen

G/M/E-Auftrag Bewegungsapparat

Niveau	Auftrag
G	Benenne vier Teilsysteme des Bewegungsapparats und ihre Funktionen.
M	Erkläre am Beispiel einer Armbeugung das Zusammenwirken von Muskel, Sehne, Knochen und Gelenk.
E	Erstelle ein Systemmodell, das zusätzlich Nervensystem, Energieversorgung und Rückmeldung einbezieht. Erkläre anschließend zwei Unterschiede zu einem technischen Roboter.

Vier Systeme im Vergleich

Merkmal	Fahrrad	Windkraftanlage	Roboter	Bewegungsapparat
Gesamtfunktion	Fortbewegung	Elektrische Energie bereitstellen	Automatisierte Bewegung oder Bearbeitung	Körper stützen und Bewegung ermöglichen
wichtiger Energieinput	Muskelarbeit	Bewegungsenergie des Windes	elektrische Energie	chemische Energie aus Nährstoffen
wichtiger Informationsinput	Wahrnehmung und Entscheidungen des Menschen	Wind- und Betriebsdaten	Programm und Sensordaten	Sinnes- und Nervensignale
Aktive Bewegung	Mensch treibt an	Wind treibt Rotor an	Motoren treiben Gelenke an	Muskeln erzeugen Zugkräfte
Rückmeldung	Wahrnehmung des Fahrers	Sensoren und Regelung	Sensoren und Regelung	Rezeptoren und Nervensystem
typische Schnittstelle	Kette zwischen Kurbel und Hinterrad	Welle zwischen Rotor und Generatorbereich	Verbindung von Sensor, Steuerung und Aktor	Sehne zwischen Muskel und Knochen

Gemeinsamkeiten erkennen

Trotz großer Unterschiede lassen sich gemeinsame Muster entdecken:

Struktur: Jedes System besitzt tragende oder verbindende Elemente.
Energie: Eine Funktion braucht Energie, die übertragen oder umgewandelt wird.
Information: Komplexe Systeme verarbeiten Informationen, um Verhalten anzupassen.
Schnittstellen: Teilsysteme müssen miteinander gekoppelt sein.
Abhängigkeit: Eine Störung kann sich über Schnittstellen auf andere Teilsysteme auswirken.
Systemgrenze: Das Ergebnis einer Analyse hängt davon ab, was Du zum System rechnest.

Systemdiagramme selbst erstellen

Ein gutes Systemdiagramm vereinfacht die Wirklichkeit. Es zeigt nicht jedes Detail, sondern nur die Elemente, die für Deine Fragestellung wichtig sind.

Darstellungsregel	Beispiel
Kästen stehen für Teilsysteme.	Sensorik, Steuerung, Aktorik
Pfeile zeigen Übertragungen.	Energiefluss oder Informationsfluss
Beschriftungen erklären die Art der Übertragung.	elektrische Energie, Drehmoment, Messwert
Eine Umrandung kann die Systemgrenze darstellen.	Roboterzelle als Gesamtsystem
Störungen können von außen eingezeichnet werden.	Windböe, Hindernis, Reibung

Fehleranalyse als Systemdenken

Eine gute Fehleranalyse fragt nicht nur: Welches Teil ist kaputt? Sie fragt auch: Welche Funktion fällt aus, welche Schnittstelle ist betroffen und welche Folgen entstehen für andere Teilsysteme?

Beispiel Fahrrad: Ein platter Reifen betrifft zunächst das Fahrwerk. Dadurch steigt der Rollwiderstand stark, die Lenkbarkeit kann schlechter werden und die sichere Fortbewegung wird beeinträchtigt.

Beispiel Windkraftanlage: Falsche Sensordaten können zu ungeeigneten Stellbefehlen führen, obwohl Rotor oder Generator technisch intakt sind.

Beispiel Roboter: Ein defekter Greifer kann dazu führen, dass ein korrekt positionierter Roboter seine Gesamtaufgabe nicht erfüllt.

Beispiel Mensch: Eine Verletzung einer Sehne kann die Kraftübertragung zwischen Muskel und Knochen stören, obwohl Muskel und Gelenk selbst vorhanden sind.

Systemgrenzen verändern die Analyse

Die Wahl der Systemgrenze ist keine Nebensache.

Beim Fahrrad kannst Du nur das Fahrrad betrachten. Dann liegen Energiequelle und Steuerung außerhalb der Systemgrenze. Betrachtest Du dagegen Mensch plus Fahrrad, gehören Muskelarbeit, Wahrnehmung und Entscheidungen zum erweiterten System.

Bei der Windkraftanlage kann die Grenze nur um eine einzelne Anlage gezogen werden. Für Fragen zur Stromversorgung kann aber das Stromnetz als weiteres Teilsystem einbezogen werden.

Bei einem Roboter kann nur der Roboterarm betrachtet werden oder die komplette Roboterzelle einschließlich Werkstückzufuhr, Sicherheitstechnik und Steuerung.

Beim Menschen kann nur der Arm betrachtet werden oder der gesamte Organismus. Die passende Grenze hängt immer von der Fragestellung ab.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt eine Systemgrenze am besten? (Sie trennt das betrachtete System gedanklich von seiner Umgebung) (!Sie zeigt nur die äußere Form eines Gegenstands) (!Sie markiert ausschließlich elektrische Bauteile) (!Sie ist immer durch ein Gehäuse festgelegt)

Was ist ein Teilsystem? (Ein Teil eines Systems mit einer eigenen Teilfunktion) (!Ein zufälliges Einzelteil ohne Zusammenhang) (!Nur ein Bauteil mit eigener Energiequelle) (!Immer ein vollständiges unabhängiges Gesamtsystem)

Welche Größe wird bei einer Windkraftanlage hauptsächlich vom Generator bereitgestellt? (Elektrische Energie) (!Chemische Energie) (!Lichtenergie) (!Kernenergie)

Welche Aufgabe hat ein Sensor in einem geregelten Roboter? (Er erfasst einen Zustand und liefert Information) (!Er ersetzt grundsätzlich den Motor) (!Er speichert die gesamte mechanische Energie) (!Er bildet allein die Tragstruktur)

Welche Aussage beschreibt den Fahrrad-Antrieb richtig? (Er überträgt mechanische Energie vom Menschen zum Antriebsrad) (!Er wandelt Windenergie in elektrische Energie um) (!Er steuert ausschließlich die Beleuchtung) (!Er ersetzt die Lenkung)

Was geschieht beim Bremsen eines Fahrrads mit einem Teil der Bewegungsenergie? (Sie wird überwiegend in Wärme umgewandelt) (!Sie verschwindet vollständig) (!Sie wird ausschließlich zu chemischer Energie) (!Sie wird vollständig im Lenker gespeichert)

Welche Struktur überträgt im menschlichen Bewegungsapparat typischerweise Muskelkraft auf einen Knochen? (Eine Sehne) (!Ein Zahn) (!Eine Lunge) (!Eine Pupille)

Welche Kette beschreibt einen typischen Informationsfluss im Roboter? (Sensor zur Regelung zur Ansteuerung des Aktors) (!Rotorblatt zum Fundament zum Wind) (!Knochen zum Reifen zum Generator) (!Pedal zum Turm zum Muskel)

Warum ist die Wahl der Systemgrenze wichtig? (Sie bestimmt, welche Teile und Einflüsse zur Analyse gehören) (!Sie verändert automatisch die physikalischen Naturgesetze) (!Sie legt immer die Farbe des Systems fest) (!Sie verhindert jede Wechselwirkung mit der Umgebung)

Was zeigt eine Schnittstelle zwischen zwei Teilsystemen? (Dort werden zum Beispiel Energie Stoffe oder Informationen übertragen) (!Dort endet grundsätzlich jede Wirkung) (!Dort darf niemals eine Kraft wirken) (!Dort befindet sich immer ein Computer)

Memory

Systemgrenze	Abgrenzung zur Umgebung
Teilsystem	Teil mit eigener Funktion
Schnittstelle	Übergang zwischen Systemteilen
Sensor	Erfassung eines Zustands
Aktor	Umsetzung eines Befehls in eine Wirkung
Generator	Umwandlung mechanischer in elektrische Energie
Sehne	Kraftübertragung vom Muskel zum Knochen
Kette	Kraftübertragung im Fahrradantrieb

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Fahrradantrieb	Pedale Kurbel Kette und Ritzel übertragen mechanische Energie
Windkraftanlage	Rotor Generator und Regelung arbeiten bei der Energieumwandlung zusammen
Robotersteuerung	Sensordaten und Programme werden zu Stellbefehlen verarbeitet
Bewegungsapparat	Muskeln Sehnen Knochen und Gelenke ermöglichen Bewegung
Systemgrenze	Sie legt fest was zur Untersuchung gehört und was als Umgebung gilt

Kreuzworträtsel

Systemgrenze	Wie heißt die gedachte Trennung zwischen System und Umgebung?
Teilsystem	Wie heißt ein Teil eines größeren Systems mit eigener Funktion?
Schnittstelle	Wie heißt der Übergang zwischen zwei Teilsystemen?
Generator	Welches Bauteil wandelt in der Windkraftanlage mechanische in elektrische Energie um?
Sensor	Welches Bauteil erfasst einen Zustand und liefert Messinformationen?
Antagonist	Wie nennt man einen muskulären Gegenspieler?

LearningApps

Lückentext

Eine gedachte Abgrenzung eines Systems von seiner Umgebung nennt man

. Ein funktionaler Teil eines größeren Systems heißt

. Der Übergang zwischen zwei Systemteilen wird als

bezeichnet. Beim Fahrrad überträgt die

mechanische Energie von der Kurbel zum Hinterrad. In einer Windkraftanlage wandelt der

mechanische Energie in elektrische Energie um. Ein Roboter erfasst Zustände mit einem

. Ein Motor wirkt im Robotersystem als

. Im menschlichen Bewegungsapparat überträgt eine

Muskelkraft auf einen Knochen. Die Übertragung von Messwerten und Befehlen gehört zum

. Eine Rückmeldung vom Ausgang eines Systems an seine Steuerung nennt man

.

Offene Aufgaben

Leicht

Fahrrad zerlegen: Fotografiere oder skizziere ein Fahrrad und markiere mindestens fünf Teilsysteme mit ihrer Funktion.
Systemgrenze finden: Wähle einen Alltagsgegenstand und zeichne zwei unterschiedliche mögliche Systemgrenzen ein.
Windkraftanlage beschriften: Erstelle eine eigene beschriftete Skizze mit Rotor, Generator, Sensorik, Turm und Netzanschluss.
Bewegungsapparat beobachten: Filme oder skizziere eine einfache Armbewegung und notiere, welche Strukturen daran beteiligt sind.

Standard

Fahrrad als Energiefluss: Zeichne den Energiefluss vom Menschen über den Antrieb bis zur Bewegung und ergänze Verluste durch Wärme und Reibung.
Roboter als Informationssystem: Entwickle ein Blockdiagramm aus Sensor, Steuerung, Aktor und Rückmeldung für einen Greifroboter.
Windkraftanlage analysieren: Erstelle ein Systemdiagramm mit mindestens sechs Teilsystemen und markiere Energie- und Informationsflüsse unterschiedlich.
Natur und Technik vergleichen: Vergleiche einen Roboterarm mit einem menschlichen Arm und nenne mindestens drei Gemeinsamkeiten und drei Unterschiede.

Schwer

Störungsanalyse Fahrrad: Untersuche einen realen oder gedachten Defekt und beschreibe die Fehlerkette über mindestens drei Teilsysteme.
Regelung Windkraftanlage: Entwickle ein vereinfachtes Regelkonzept für die Ausrichtung einer Windkraftanlage nach der Windrichtung.
Robotersicherheit als System: Entwirf eine sichere Roboterzelle und erkläre, wie Sensoren, Steuerung, Schutzbereich und Aktoren zusammenwirken.
Systemmodell Bewegungsapparat: Entwickle ein vernetztes Modell einer gezielten Greifbewegung mit Nervensystem, Muskeln, Skelett, Sinnesrückmeldung, Energie- und Stoffversorgung.

Lernkontrolle

Systemtransfer E-Scooter: Analysiere einen E-Scooter als System. Lege eine Systemgrenze fest, benenne mindestens fünf Teilsysteme und erkläre zwei Schnittstellen.
Fehlerkette verstehen: Bei einem Roboter liefert ein Positionssensor falsche Werte. Erkläre, wie sich dieser Fehler auf Steuerung, Motor und Endeffektor auswirken kann.
Grenzen vergleichen: Vergleiche für das Fahrrad die Systemgrenzen „nur Fahrrad“ und „Mensch plus Fahrrad“. Zeige, wie sich dadurch Input, Output und Teilsysteme verändern.
Energie und Information trennen: Erstelle für eine Windkraftanlage zwei getrennte Diagramme, eines für Energiefluss und eines für Informationsfluss. Begründe, warum beide nötig sind.
Biologie und Technik: Vergleiche den menschlichen Bewegungsapparat mit einem Industrieroboter. Erkläre Gemeinsamkeiten im Aufbau als System und Grenzen der Analogie.
Optimierung durch Systemdenken: Wähle eines der vier behandelten Systeme und schlage eine Verbesserung vor. Zeige, welches Teilsystem verändert wird und welche Folgen dies für mindestens zwei andere Teilsysteme hat.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du nicht nur Bauteile aufzählen kannst, sondern Zusammenhänge als System erklärst.

Du kannst eine sinnvolle Systemgrenze festlegen und begründen.
Du kannst komplexe Objekte in Teilsysteme zerlegen.
Du kannst jedem Teilsystem eine Funktion zuordnen.
Du kannst wichtige Schnittstellen zwischen Teilsystemen beschreiben.
Du kannst Energie-, Stoff- und Informationsströme unterscheiden und darstellen.
Du kannst ein einfaches Systemdiagramm erstellen.
Du kannst erklären, wie mehrere Teilsysteme zur Gesamtfunktion beitragen.
Du kannst eine Störung analysieren und ihre Folgen über mehrere Teilsysteme verfolgen.
Du kannst natürliche und technische Systeme vergleichen.
Du kannst auf M- und E-Niveau Rückkopplungen, Regelungen und alternative Systemgrenzen begründet untersuchen.

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