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

NWT9 - Technische Systeme analysieren

Einleitung

NWT9 - Technische Systeme analysieren führt Dich in eine zentrale Arbeitsweise der Naturwissenschaft und Technik ein: Du betrachtest ein technisches Produkt nicht nur als fertigen Gegenstand, sondern als System aus zusammenwirkenden Teilsystemen. Du untersuchst, was in das System hineingeht, was im System geschieht und was als Ergebnis herauskommt. Danach kannst Du Schwachstellen erkennen und begründete Optimierungsideen entwickeln.

Ein technisches System ist zweckorientiert aufgebaut. Seine Bauteile und Teilsysteme wirken so zusammen, dass eine bestimmte Funktion erfüllt wird. Bei der Analyse helfen Dir drei Grundfragen:

Analysefrage	Fachbegriff	Beispiel Fahrradschaltung
Was gelangt in das System?	Eingabe	Muskelenergie, Pedalbewegung, Schaltbefehl
Was geschieht im System?	Verarbeitung	Kraft übertragen, Kette führen, Übersetzung verändern
Was verlässt das System?	Ausgabe	Drehbewegung und Drehmoment am Hinterrad

Dabei können Stoff, Energie und Information durch ein technisches System fließen. Welche Eingaben und Ausgaben Du erkennst, hängt immer davon ab, wo Du die Systemgrenze setzt.

Die beschriftete Schlagbohrmaschine zeigt, dass ein technisches Produkt aus vielen funktional verbundenen Bereichen besteht. Für eine Analyse reicht es nicht, nur Bauteile aufzuzählen: Entscheidend ist, welche Aufgabe ein Bauteil oder Teilsystem im Gesamtzusammenhang erfüllt.

Lernziele und Differenzierung G/M/E

Der aiMOOC ist für Klasse 9 aufgebaut. Du kannst auf drei Niveaus arbeiten:

Niveau	Du kannst ...	Typische Leistung
G – Grundniveau	Systemgrenze, Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe erkennen sowie wichtige Teilsysteme benennen.	Eine übersichtliche Funktionskette erstellen und Bauteile passenden Aufgaben zuordnen.
M – Mittleres Niveau	Energie-, Stoff- und Informationsflüsse erklären, Zusammenhänge zwischen Teilsystemen darstellen und einfache Übersetzungen berechnen.	Eine technische Darstellung auswerten, Messwerte nutzen und eine Schwachstelle begründet beschreiben.
E – Erweitertes Niveau	Wechselwirkungen quantifizieren, Wirkungsgrad und Zielkonflikte berücksichtigen und mehrere Optimierungsvarianten kriteriengeleitet bewerten.	Eine begründete Systemoptimierung mit Messdaten, Modell, technischer Zeichnung oder Prototyp vertreten.

Technische Systeme verstehen

System, Systemgrenze und Umgebung

Ein technisches System wird für eine Untersuchung gedanklich abgegrenzt. Diese Grenze heißt Systemgrenze. Alles innerhalb der Grenze gehört zum betrachteten System; alles außerhalb gehört zur Umgebung.

Das ist wichtig, weil sich Eingabe und Ausgabe mit der gewählten Grenze verändern können. Betrachtet man nur die Fahrradschaltung, ist die Drehbewegung der Kurbel eine Eingabe und die Drehbewegung der Hinterradnabe eine Ausgabe. Betrachtet man dagegen Fahrrad plus Fahrerin oder Fahrer als Gesamtsystem, gehört der menschliche Antrieb zum System und die Vorwärtsbewegung des Fahrrads wird zur wichtigen Ausgabe.

Systemgrenze: Lege fest, was zur Untersuchung gehört.
Eingabe: Beschreibe Energie, Stoff oder Information, die das System erreichen.
Verarbeitung: Erkläre, wie Eingaben verändert, übertragen, gespeichert oder verknüpft werden.
Ausgabe: Benenne Nutzwirkung und gegebenenfalls unerwünschte Ausgaben wie Wärme oder Schall.
Teilsystem: Zerlege die Gesamtfunktion in kleinere Funktionsbereiche.
Schnittstelle: Untersuche, wo Teilsysteme Energie, Stoff oder Information austauschen.

Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe

Das Grundmodell lautet:

Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe

Es ist eine vereinfachte Darstellung. Für technische Systeme solltest Du zusätzlich fragen, welche Art von Fluss betrachtet wird.

Fluss	Mögliche Eingabe	Mögliche Verarbeitung	Mögliche Ausgabe
Energie	elektrische Energie, Muskelenergie, Lageenergie	wandeln, übertragen, speichern	Bewegung, Wärme, Licht
Stoff	Wasser, Luft, Werkstück, Kraftstoff	fördern, trennen, mischen, formen	bearbeiteter Stoff, Abfallstoff
Information	Tastendruck, Sensorsignal, Schaltbefehl	vergleichen, steuern, regeln, anzeigen	Stellbefehl, Anzeige, Warnsignal

Bei vielen Systemen treten mehrere Flüsse gleichzeitig auf. Ein Akkuschrauber benötigt beispielsweise elektrische Energie und einen Bedienbefehl. Ein automatischer Wasserhahn verarbeitet zusätzlich ein Sensorsignal.

Black Box und White Box

Bei einer Black-Box-Analyse schaust Du zunächst nur auf Eingabe und Ausgabe. Das Innere wird absichtlich ausgeblendet. So kannst Du die Gesamtfunktion beschreiben, ohne Dich sofort in Details zu verlieren.

Bei einer White-Box-Analyse öffnest Du das Denkmodell: Du zerlegst das System in Teilsysteme, ordnest Funktionen zu und untersuchst Schnittstellen.

Betrachtung	Leitfrage	Beispiel Kettenschaltung
Black Box	Was geht hinein und was kommt heraus?	Pedalbewegung und Schaltbefehl hinein; angepasste Hinterraddrehung heraus
White Box	Welche Teilsysteme bewirken die Veränderung?	Kurbeltrieb, Kette, Ritzelpaket, Schaltwerk, Schalthebel und Signalübertragung

Leitbeispiel: Fahrrad-Kettenschaltung

Eine Kettenschaltung eignet sich besonders gut für die Systemanalyse, weil viele Funktionen sichtbar sind. Du kannst Kraftübertragung, Informationsübertragung, Übersetzung, Reibung, Lagerung und Bedienung direkt beobachten.

Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe der Kettenschaltung

Wir setzen die Systemgrenze hier um Kurbeltrieb, Kette, Kassette, Schaltwerk und Hinterradnabe.

Bereich	Analyse
Eingabe Energie	Muskelkraft erzeugt an Kurbel und Pedalen ein Drehmoment und eine Drehbewegung.
Eingabe Information	Mit dem Schalthebel wählst Du einen Gang. Der Befehl wird mechanisch, hydraulisch oder elektronisch übertragen.
Verarbeitung Energie	Kettenblatt, Kette und Ritzel übertragen die Bewegung. Das gewählte Größenverhältnis verändert Drehzahl und Drehmoment.
Verarbeitung Information	Das Schaltwerk positioniert die Kette auf einem bestimmten Ritzel.
Nutz-Ausgabe	Die Hinterradnabe und das Hinterrad drehen sich mit einer zur Übersetzung passenden Drehzahl und einem passenden Drehmoment.
Verlust-Ausgaben	Reibung erzeugt unter anderem Wärme und Schall. Verschmutzung und Fehlstellung können die Verluste erhöhen.

Teilsysteme erkennen

Teilsystem	Typische Bauteile	Teilfunktion	Schnittstelle zum nächsten Teilsystem
Bedienung	Schalthebel	Gangwahl erfassen	Schaltzug oder elektrisches Signal
Informationsübertragung	Bowdenzug, Leitung oder Funkverbindung	Schaltbefehl weitergeben	Bewegung oder Signal am Schaltwerk
Schalteinrichtung	Schaltwerk, Leitrollen	Kette seitlich auf ein anderes Ritzel führen	Kontakt zwischen Kette und Ritzel
Kraftübertragung	Kurbel, Kettenblatt, Kette, Kassette	Drehbewegung und Drehmoment übertragen und übersetzen	Drehmoment an Freilauf und Nabe
Lagerung und Abstützung	Achse, Lager, Rahmenaufnahme	Drehteile führen und Kräfte in den Rahmen ableiten	Kräfte zwischen rotierenden und festen Bauteilen

Funktionskette

Eine Funktionskette beschreibt nicht nur die Reihenfolge von Bauteilen, sondern die Folge von Teilfunktionen:

Gang wählen → Schaltinformation übertragen → Schaltwerk bewegen → Kette auf anderes Ritzel führen → Übersetzungsverhältnis verändern → Drehbewegung übertragen → Hinterrad antreiben

Diese Darstellung ist besonders nützlich, wenn Du eine Störung suchst. Springt die Kette nicht auf das gewünschte Ritzel, kannst Du gezielt prüfen, an welcher Stelle der Funktionskette die erwartete Wirkung ausbleibt.

Funktionsmodell bauen und untersuchen

Ein Funktionsmodell bildet ein technisches Prinzip vereinfacht nach. Es muss nicht wie das Original aussehen. Entscheidend ist, dass die zu untersuchende Funktion erkennbar bleibt.

Ein einfaches Getriebemodell aus Baukastenmaterial, Kartonrädern oder Zahnrädern kann zeigen:

wie Bewegung von einem Rad auf ein anderes übertragen wird,
wie sich Drehrichtung und Drehzahl verändern,
wie die Zahnzahl das Übersetzungsverhältnis beeinflusst,
wie Reibung oder schlechte Ausrichtung die Funktion verschlechtern.

Das folgende Unterrichtsexperiment zeigt Modelle zur Kraft- und Bewegungsübertragung an einer Gangschaltung:

Interaktive Simulation: Zahnradgetriebe

Mit einer Simulation kannst Du gezielt einzelne Größen verändern, ohne zuerst ein reales Getriebe umzubauen. Beobachte besonders Zahnzahl, Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment.

iFrame blockiert

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G-Auftrag: Beschreibe qualitativ, was sich ändert, wenn das Abtriebsrad größer wird.

M-Auftrag: Vergleiche zwei Einstellungen und begründe die Änderung der Drehzahl mit den Zahnzahlen.

E-Auftrag: Entwickle eine Getriebekombination für eine Anwendung, bei der geringe Drehzahl, aber großes Drehmoment benötigt wird. Begründe Deine Wahl und nenne einen Nachteil.

Übersetzung analysieren

Übersetzungsverhältnis bei Zahnrädern

Bei einem einfachen Zahnradpaar kann das Übersetzungsverhältnis mit den Zahnzahlen beschrieben werden:

i = z_Abtrieb / z_Antrieb = n_Antrieb / n_Abtrieb

Dabei steht z für die Zahnzahl und n für die Drehzahl.

Beispiel: Das Antriebsrad besitzt 20 Zähne, das Abtriebsrad 40 Zähne.

i = 40 / 20 = 2

Idealisiert dreht sich der Abtrieb damit halb so schnell wie der Antrieb. Dafür kann ein größeres Drehmoment zur Verfügung stehen. In einem realen Getriebe treten jedoch Verluste auf.

Übersetzung an der Fahrradkette

Bei einem Kettengetriebe kannst Du die Zahnzahlen von Kettenblatt und Ritzel vergleichen. Hat das vordere Kettenblatt 42 Zähne und das hintere Ritzel 21 Zähne, bewegt eine Kurbelumdrehung die Kette um 42 Zähne. Das hintere Ritzel muss sich daher zweimal drehen.

Drehungen Hinterrad pro Kurbelumdrehung = z_Kettenblatt / z_Ritzel = 42 / 21 = 2

Ein großes hinteres Ritzel führt bei gleicher vorderer Zahnzahl zu einer kleineren Hinterraddrehzahl pro Kurbelumdrehung, dafür ist das Treten bei großer Fahrbelastung günstiger.

G: Entscheide anhand der Zahnradgrößen, welche Kombination leichter zu treten ist.

M: Berechne die Hinterraddrehungen pro Kurbelumdrehung für 36 Zähne vorne und 18 Zähne hinten.

E: Beurteile, warum eine rein rechnerisch sehr große oder sehr kleine Übersetzung nicht automatisch die beste Konstruktion für jedes Fahrrad ist.

Wirkungsgrad und Verluste

Ein reales technisches System gibt nicht die gesamte zugeführte Energie als gewünschte Nutzenergie ab. Ein Teil wird durch Reibung, Verformung, elektrische Verluste oder Schall in andere Energieformen umgewandelt.

Der Wirkungsgrad wird idealisiert beschrieben durch:

η = Nutzleistung / zugeführte Leistung

Ein Wirkungsgrad von 1 beziehungsweise 100 Prozent wäre verlustfrei. Reale technische Systeme liegen darunter.

Für die Kettenschaltung können folgende Einflüsse den Wirkungsgrad verschlechtern: schlechte Schmierung, starke Verschmutzung, schräger Kettenlauf, verschlissene Zähne, zu hohe Lagerreibung oder eine fehlerhafte Einstellung.

Explosionsdarstellungen analysieren

Eine Explosionsdarstellung zeigt Bauteile räumlich voneinander getrennt, aber in ihrer Lagebeziehung. Sie ist besonders nützlich, um Aufbau, Montagefolge, Bauteilgruppen und Schnittstellen zu erkennen.

Wichtig: Eine Explosionsdarstellung zeigt die Funktion nicht automatisch. Du musst aus Form, Lage und Verbindung der Teile erschließen, wie die Funktion im zusammengebauten Zustand entsteht.

Die Explosionsdarstellung einer Dreigang-Nabe zeigt, dass eine kompakte Nabe aus vielen Zahnrädern, Sperrklinken, Lagern, Achsen und Verbindungsteilen besteht. Für eine Systemanalyse kannst Du die Teile zu funktionalen Gruppen zusammenfassen, statt jedes Einzelteil getrennt zu behandeln.

Vom Einzelteil zum Teilsystem

Bei einer Nabenschaltung kannst Du beispielsweise folgende Gruppen bilden:

Bauteilgruppe	Funktion
Planetengetriebe	Übersetzungsverhältnis verändern
Schaltmechanismus	Gewünschten Kraftfluss auswählen
Lager	Drehbewegung mit möglichst kleiner Reibung führen
Achse und Gehäuse	Bauteile abstützen, Kräfte aufnehmen und schützen
Freilauf	Kraftübertragung in der vorgesehenen Richtung ermöglichen und Rollen ohne Pedalantrieb zulassen

Kugellager als Teilsystem

Ein Wälzlager ist selbst wieder ein technisches Teilsystem. Innenring, Außenring, Wälzkörper und Käfig wirken zusammen. Die Eingabe ist eine Belastung plus relative Drehbewegung, die Verarbeitung besteht in der geführten Rollbewegung, und die Ausgabe ist eine möglichst reibungsarme, abgestützte Drehbewegung.

Die Explosionsansicht eines Fahrrad-Steuersatzes eignet sich für eine weitere Analyse: Welche Teile führen die Drehbewegung? Welche Teile übertragen Kräfte? Welche Teile sichern die Baugruppe axial?

Technische Zeichnungen lesen

Warum technische Zeichnungen?

Eine technische Zeichnung soll technische Informationen eindeutig kommunizieren. Je nach Aufgabe werden unterschiedliche Darstellungen verwendet:

Ansicht: zeigt ein Bauteil aus einer festgelegten Richtung.
Schnittdarstellung: macht innenliegende Strukturen sichtbar.
Explosionszeichnung: zeigt Lagebeziehungen und Montage.
Schema: reduziert auf funktionale Zusammenhänge.
Funktionsmodell: macht ein Wirkprinzip experimentell erfahrbar.

Schnittdarstellung einer Fahrradnabe

In einer Schnittdarstellung werden verdeckte innere Strukturen sichtbar. Du kannst beispielsweise Achse, Lager, Nabenhülse und Freilaufbereich erkennen. Eine gute Analyse verbindet die Darstellung mit Funktionsfragen:

Wo wird das Bauteil abgestützt?
Welche Teile drehen sich gegeneinander?
Wo werden Kräfte übertragen?
Welche Kontaktstellen verursachen Reibung?
Welche Bauteile müssen für Wartung zugänglich sein?

Zweites Beispiel: Akkuschrauber

Ein Akkuschrauber ist ein besonders anschauliches Beispiel für ein System, in dem Energiefluss und Informationsfluss gleichzeitig stattfinden.

Die zerlegte Darstellung hilft Dir, Gehäuse, Motor, Getriebe, Bohrfutter, Akkuaufnahme und Bedienelemente als zusammenwirkende Bereiche zu erkennen.

Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe beim Akkuschrauber

Bereich	Beispiel
Energie-Eingabe	elektrische Energie aus dem Akku
Informations-Eingabe	Betätigung des Schalters, gewünschte Drehrichtung, gewählte Drehzahlstufe
Energie-Verarbeitung	Elektromotor wandelt elektrische Energie in Drehbewegung; Getriebe passt Drehzahl und Drehmoment an
Informations-Verarbeitung	Elektronik steuert Motorleistung, Drehrichtung und gegebenenfalls Schutzfunktionen
Nutz-Ausgabe	Drehbewegung und Drehmoment am Werkzeug
Verlust-Ausgaben	Wärme, Schall, Vibration

Teilsysteme des Akkuschraubers

Teilsystem	Aufgabe
Energiespeicher	elektrische Energie bereitstellen
Bedieneinheit	Benutzerwunsch erfassen
Leistungselektronik	Energiefluss zum Motor steuern
Motor	elektrische Energie in mechanische Rotation wandeln
Getriebe	Drehzahl reduzieren und Drehmoment anpassen
Werkzeugaufnahme	Drehmoment auf Bit oder Bohrer übertragen
Gehäuse und Lagerung	Bauteile positionieren, Kräfte aufnehmen und Benutzer schützen

Systematisch analysieren: die 10-Schritt-Methode

Zweck klären: Formuliere in einem Satz, welche Hauptfunktion das System erfüllen soll.
Systemgrenze setzen: Entscheide, was zum System und was zur Umgebung gehört.
Eingaben erfassen: Notiere Stoff-, Energie- und Informations-Eingaben.
Ausgaben erfassen: Unterscheide Nutz-Ausgaben von Verlusten oder Nebenwirkungen.
Gesamtfunktion formulieren: Beschreibe die Veränderung zwischen Eingabe und Ausgabe.
Teilsysteme bilden: Fasse Bauteile nach ihren Teilfunktionen zusammen.
Schnittstellen untersuchen: Zeige, wo Energie, Stoff oder Information zwischen Teilsystemen übertragen werden.
Darstellung wählen: Nutze Funktionsschema, technische Zeichnung, Schnitt, Explosionsdarstellung oder Funktionsmodell.
Messbare Kriterien festlegen: Bestimme zum Beispiel Drehzahl, Kraft, Zeit, Temperatur, Geräusch, Masse oder Energiebedarf.
Optimierung bewerten: Entwickle Varianten und vergleiche Wirkung, Aufwand, Sicherheit, Nachhaltigkeit und mögliche Nachteile.

Analyse-Canvas für ein beliebiges technisches System

Analysefeld	Leitfrage	Dein Eintrag
Zweck	Was soll das System erreichen?
Systemgrenze	Was gehört hinein, was bleibt außerhalb?
Eingabe	Welche Energie, Stoffe und Informationen treten ein?
Verarbeitung	Was wird gewandelt, übertragen, gespeichert oder gesteuert?
Ausgabe	Welche Nutzwirkung und welche Nebenwirkungen entstehen?
Teilsysteme	Welche Funktionsgruppen kannst Du bilden?
Schnittstellen	Was wird zwischen den Teilsystemen übertragen?
Messgrößen	Woran erkennst Du gute oder schlechte Funktion?
Schwachstelle	Wo entstehen Verluste, Fehler oder unnötiger Aufwand?
Optimierung	Welche Änderung verbessert welches Kriterium?

Optimieren statt nur verändern

Eine technische Änderung ist nur dann eine sinnvolle Optimierung, wenn sie ein festgelegtes Ziel besser erfüllt. Dabei entstehen häufig Zielkonflikte. Eine leichtere Konstruktion kann teurer sein; eine vollständig gekapselte Baugruppe kann besser gegen Schmutz geschützt, aber schwieriger zu reparieren sein.

Kriterien für Optimierungsideen

Kriterium	Leitfrage
Funktion	Erfüllt das System seine Aufgabe zuverlässiger?
Wirkungsgrad	Wird weniger Energie unnötig in Wärme, Schall oder Reibung umgewandelt?
Sicherheit	Werden Gefährdungen reduziert?
Bedienbarkeit	Ist das System einfacher oder eindeutiger zu benutzen?
Haltbarkeit	Werden Verschleiß und Ausfallwahrscheinlichkeit verringert?
Reparierbarkeit	Lassen sich Verschleißteile gut prüfen und ersetzen?
Nachhaltigkeit	Werden Material, Energie und Lebensdauer sinnvoll berücksichtigt?
Kosten	Steht der Nutzen in einem angemessenen Verhältnis zum Aufwand?

Beispiel: Optimierung der Fahrradschaltung

Idee	Erwarteter Vorteil	Möglicher Nachteil oder Zielkonflikt	Begründete Bewertung
Reibungsarme und korrekt geschmierte Kette	weniger Reibungsverlust und Verschleiß	regelmäßige Wartung nötig	sinnvoll, wenn Wartung zuverlässig durchgeführt wird
Größere Bandbreite der Ritzel	bessere Anpassung an Steigung und Geschwindigkeit	größere Spreizung kann größere Gangsprünge oder komplexere Bauteile verursachen	sinnvoll für stark wechselndes Gelände
Besserer Schutz vor Schmutz	geringerer Verschleiß und stabilere Funktion	zusätzliches Material und schlechtere Zugänglichkeit möglich	besonders sinnvoll bei Alltags- oder Geländeeinsatz
Elektronische Schaltung	präzise, reproduzierbare Schaltbefehle	Energiebedarf, Kosten und zusätzliche Elektronik	nur dann überlegen, wenn Präzision und Bedienkomfort höher gewichtet werden

Beispiel: Optimierung des Akkuschraubers

Idee	Vorteil	Zielkonflikt
effizienterer Motor	längere Laufzeit bei gleicher Akkuladung	höhere Bauteilkosten möglich
besser zugängliches Bohrfutter	leichterer Austausch bei Verschleiß	konstruktiv größerer Aufwand
austauschbarer Akku	längere Produktlebensdauer und flexible Nutzung	zusätzliche Steckverbindung und Gehäuseschnittstelle
Überlastschutz	schützt Motor, Akku und Benutzer	zusätzliche Sensorik und Elektronik

E-Niveau: Eine Optimierung ist besonders überzeugend, wenn Du nicht nur den Vorteil nennst, sondern auch einen Zielkonflikt erkennst und Deine Entscheidung mit Messwerten oder nachvollziehbaren Kriterien begründest.

Sicherheit und Nachhaltigkeit

Technische Analyse bedeutet nicht, jedes Gerät selbst zu öffnen. Netzbetriebene Geräte, Akkus, unter Spannung stehende Baugruppen, Druckbehälter und sicherheitskritische Komponenten dürfen nur unter geeigneter fachlicher Aufsicht untersucht werden. Für Schulversuche sind ungefährliche Funktionsmodelle, ausgemusterte mechanische Baugruppen und freigegebene Demonstrationsobjekte geeignet.

Bei einer nachhaltigen Systemanalyse fragst Du zusätzlich:

Wie lange kann das Produkt sinnvoll genutzt werden?
Welche Teile verschleißen zuerst?
Können Verschleißteile ausgetauscht werden?
Lassen sich Materialien trennen und wiederverwenden?
Wie hoch sind Energiebedarf und Materialaufwand während Herstellung und Nutzung?
Führt eine Optimierung zu längerer Lebensdauer oder nur zu mehr Bauteilen?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was kennzeichnet ein technisches System am besten? (Eine zweckorientierte Anordnung zusammenwirkender Bauteile und Teilsysteme) (!Eine ungeordnete Sammlung beliebiger Gegenstände) (!Nur ein einzelnes Bauteil ohne Zusammenhang) (!Ausschließlich ein elektrisch betriebenes Gerät)

Welche Aufgabe hat die Systemgrenze bei einer technischen Analyse? (Sie legt fest, was zum betrachteten System und was zur Umgebung gehört) (!Sie zeigt ausschließlich die äußere Form eines Gehäuses) (!Sie gibt immer die Größe eines Bauteils an) (!Sie ersetzt die Untersuchung von Eingabe und Ausgabe)

Welche Reihenfolge beschreibt das Grundmodell einer Systemanalyse? (Eingabe Verarbeitung Ausgabe) (!Ausgabe Eingabe Verarbeitung) (!Verarbeitung Ausgabe Eingabe) (!Bauteil Zeichnung Werkstoff)

Welche drei Flussarten sind bei technischen Systemen besonders wichtig? (Stoff Energie Information) (!Farbe Preis Werbung) (!Länge Breite Höhe) (!Schule Betrieb Freizeit)

Was ist bei der Kettenschaltung ein Beispiel für eine Informationseingabe? (Der Schaltbefehl am Schalthebel) (!Die Masse des Fahrradrahmens) (!Die Farbe des Kettenblatts) (!Die Luft im Fahrradreifen)

Welche Aufgabe erfüllt das Schaltwerk einer Kettenschaltung? (Es führt die Kette gezielt auf ein anderes Ritzel) (!Es speichert die Muskelenergie dauerhaft) (!Es pumpt Luft in den Reifen) (!Es bremst das Vorderrad automatisch)

Wofür eignet sich eine Explosionsdarstellung besonders? (Zum Erkennen von Bauteilgruppen Lagebeziehungen und Montage) (!Zum direkten Messen der elektrischen Stromstärke) (!Zum Anzeigen der aktuellen Fahrgeschwindigkeit) (!Zum Ersetzen aller Funktionsmodelle)

Ein Antriebsrad besitzt 20 Zähne und ein Abtriebsrad 40 Zähne. Wie groß ist das Übersetzungsverhältnis i? (2) (!0,25) (!20) (!60)

Was beschreibt der Wirkungsgrad eines technischen Systems? (Das Verhältnis von Nutzleistung zu zugeführter Leistung) (!Die Zahl aller eingebauten Schrauben) (!Die äußere Größe eines Systems) (!Die Reihenfolge der Montageschritte)

Wann ist eine technische Optimierung besonders gut begründet? (Wenn Kriterien Messwerte Vorteile und mögliche Zielkonflikte berücksichtigt werden) (!Wenn nur die teuerste Lösung gewählt wird) (!Wenn möglichst viele Bauteile hinzugefügt werden) (!Wenn eine Änderung ohne Vergleich sofort übernommen wird)

Memory

Systemgrenze	trennt Betrachtungsgegenstand und Umgebung
Eingabe	gelangt von außen in das System
Verarbeitung	verändert oder überträgt Stoff Energie oder Information
Ausgabe	verlässt das System als Wirkung oder Ergebnis
Teilsystem	erfüllt eine Teilfunktion im Gesamtsystem
Explosionszeichnung	zeigt Bauteile räumlich getrennt in ihrer Lagebeziehung
Wirkungsgrad	vergleicht Nutzleistung mit zugeführter Leistung
Schnittstelle	verbindet zwei funktionale Bereiche miteinander

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beispiel an der Fahrrad-Kettenschaltung
Eingabe	Muskelkraft an der Kurbel
Informationsübertragung	Schaltbefehl gelangt zum Schaltwerk
Verarbeitung	Kette wird auf ein anderes Ritzel geführt
Kraftübertragung	Kette überträgt die Drehbewegung
Ausgabe	Hinterrad dreht sich mit angepasster Übersetzung
Verlust	Reibung erzeugt Wärme und Schall

Kreuzworträtsel

Systemgrenze	Wie heißt die gedachte Trennung zwischen technischem System und Umgebung?
Teilsystem	Wie nennt man einen funktionalen Teil eines größeren Systems?
Getriebe	Welche Baugruppe verändert typischerweise Drehzahl und Drehmoment?
Eingabe	Wie heißt das was von außen in ein System gelangt?
Ausgabe	Wie heißt das Ergebnis das ein System nach außen abgibt?
Wirkungsgrad	Welcher Begriff vergleicht Nutzleistung und zugeführte Leistung?

LearningApps

Lückentext

Ein technisches System erfüllt eine bestimmte

.

Die gedachte Trennung zwischen System und Umgebung heißt

.

Was von außen in das betrachtete System gelangt, wird als

bezeichnet.

Die Veränderung innerhalb des Systems heißt

.

Das Ergebnis nach außen wird als

beschrieben.

Ein komplexes System lässt sich in funktionale

zerlegen.

Der Übergang zwischen zwei Teilsystemen wird als

untersucht.

Eine räumlich auseinandergezogene Darstellung einer Baugruppe heißt

.

Das Verhältnis von Nutzleistung zu zugeführter Leistung heißt

.

Eine technische Verbesserung sollte anhand nachvollziehbarer

bewertet werden.

Offene Aufgaben

Leicht – G

Systemfoto analysieren: Fotografiere ein ungefährliches technisches System aus Deinem Alltag und markiere in einer Kopie Systemgrenze, Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
Funktionskette erstellen: Erstelle für einen Fahrrad-Dynamo, einen Handtacker oder einen mechanischen Spitzer eine Funktionskette aus mindestens fünf Teilfunktionen.
Funktionsmodell bauen: Baue mit Kartonrädern, Baukastenteilen oder Zahnrädern ein einfaches Modell, das eine Drehbewegung überträgt, und dokumentiere seine Funktion mit Fotos.
Explosionsdarstellung untersuchen: Wähle eine ungefährliche mechanische Baugruppe und ordne sichtbare Einzelteile zu mindestens drei funktionalen Gruppen.

Standard – M

Fahrradschaltung analysieren: Untersuche eine Kettenschaltung am stehenden Fahrrad. Dokumentiere Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe, Teilsysteme und mindestens drei Schnittstellen.
Übersetzung messen: Markiere Kurbel und Hinterrad eines Fahrrads oder Funktionsmodells. Ermittle experimentell die Anzahl der Abtriebsumdrehungen pro Antriebsumdrehung für zwei Einstellungen und vergleiche mit einer Rechnung.
Technische Zeichnung erstellen: Zeichne von einer einfachen mechanischen Baugruppe Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht und ergänze eine schematische Funktionsdarstellung.
Optimierungsmatrix entwickeln: Finde für ein technisches System zwei Schwachstellen und bewerte mindestens drei Verbesserungsvarianten nach Funktion, Sicherheit, Kosten, Reparierbarkeit und Nachhaltigkeit.

Schwer – E

Systemgrenzen vergleichen: Analysiere dasselbe Produkt mit zwei verschiedenen Systemgrenzen und zeige, wie sich dadurch Eingaben, Ausgaben und Teilsysteme verändern.
Wirkungsgrad experimentell untersuchen: Entwickle für ein ungefährliches Getriebe- oder Rollenmodell einen Versuchsplan, mit dem Verluste qualitativ oder quantitativ verglichen werden können.
Optimierten Prototyp entwickeln: Konstruiere eine verbesserte Version eines Funktionsmodells. Formuliere vorher messbare Anforderungen, teste beide Versionen und begründe die gewählte Lösung mit Daten.
Technisches System bewerten: Vergleiche zwei Lösungen für dieselbe technische Aufgabe und verfasse eine begründete Empfehlung, die Leistung, Sicherheit, Ressourcenverbrauch, Lebensdauer, Reparierbarkeit und Kosten gegeneinander abwägt.

Lernkontrolle

Transfer Systemgrenze G: Ein automatisches Schultor soll analysiert werden. Setze eine sinnvolle Systemgrenze und erkläre, wie sich Eingabe und Ausgabe verändern, wenn Du zusätzlich die Fernbedienung in das System einbeziehst.
Fehlersuche M: Bei einer Fahrradschaltung bewegt sich der Schalthebel, aber die Kette bleibt auf demselben Ritzel. Nutze eine Funktionskette, um mindestens drei mögliche Fehlerstellen zu begründen und eine sinnvolle Prüfreihenfolge festzulegen.
Getriebeentscheidung M: Eine kleine Hebevorrichtung benötigt geringe Drehzahl und großes Drehmoment. Entscheide zwischen zwei Zahnradpaaren mit unterschiedlichen Zahnzahlen und begründe Deine Auswahl mit Übersetzung und Ziel der Anwendung.
Darstellungen verknüpfen M: Du erhältst eine Explosionszeichnung und eine Schnittdarstellung derselben Baugruppe. Erkläre, welche Informationen Du aus jeder Darstellung besonders gut gewinnen kannst und warum beide zusammen hilfreicher sind.
Optimierung E: Ein Akkuschrauber soll leichter, langlebiger und reparierbarer werden. Entwickle zwei Varianten, zeige mindestens einen Zielkonflikt und begründe mit Kriterien, welche Variante Du bevorzugst.
Nachhaltigkeit E: Ein Hersteller möchte ein vollständig gekapseltes Getriebe bauen. Bewerte diese Entscheidung hinsichtlich Schutz vor Schmutz, Wirkungsgrad, Wartung, Reparierbarkeit, Materialeinsatz und Lebensdauer.
Messplan E: Entwickle einen Versuch, mit dem Du zwei Funktionsmodelle desselben technischen Prinzips vergleichst. Lege unabhängige Variable, Messgrößen, gleiche Randbedingungen und ein Bewertungskriterium fest.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis zu NWT9 - Technische Systeme analysieren solltest Du zeigen, dass Du nicht nur Fachbegriffe kennst, sondern ein unbekanntes System selbstständig untersuchen kannst.

Systemfunktion: Du formulierst Zweck und Gesamtfunktion präzise.
Systemgrenze: Du begründest, was Du zum System zählst.
EVA-Modell: Du ordnest Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe korrekt zu.
Flüsse: Du unterscheidest Stoff-, Energie- und Informationsflüsse.
Teilsysteme: Du bildest sinnvolle Funktionsgruppen und erläuterst ihre Schnittstellen.
Technische Darstellung: Du wertest Funktionsschema, technische Zeichnung, Schnitt- oder Explosionsdarstellung fachgerecht aus.
Übersetzung: Du erklärst bei einem einfachen Getriebe den Zusammenhang zwischen Zahnzahl, Drehzahl und Drehmoment.
Wirkungsgrad: Du erkennst Nutzwirkung und Verluste.
Optimierung: Du entwickelst mindestens eine begründete Verbesserung und berücksichtigst Zielkonflikte.
Dokumentation: Du belegst Deine Aussagen durch Skizzen, Messwerte, Fotos, Modellversuche oder nachvollziehbare Berechnungen.

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