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MÄDCHEN MACHEN TECHNIK 2008 C2: Mathematische Accessoires Beschreibung des Projekts Mathematische Handtaschen vorbereitet von Agnes Drotleff und Julia Nitschke 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Theorie zu den Platonischen Körpern: Führung im Ix-Quadrat Museum 2.1. Informationen zum Museum 2.2. Erklärung mit Hilfe von Polydronmodellen 2.2.1. Motivation 2.2.2. Flächen-, Ecken- und Kantenanzahl der platonischen Körper 2.3. Veranschaulichung der Dualität anhand von Rautenkaleidoskopen 2.4. Interaktives Element 3. Bastelanleitung für die Handtasche 3.1. Vorbereitung 3.2. Anfertigung des Gerüsts 3.3. Bearbeitung des Bastelkartons 3.3.1. Ausschneiden der Dreiecke 3.3.2. Festkleben der Dreiecke 3.4. Ummantelung der Tasche mit Stoff 3.4.1. Ausschneiden des Stoffs 3.4.2. Ankleben des Stoffs 3.5. Anfertigung eines Griffs und Verschlusses 2 1. Einleitung Wenn man an Accessoires denkt, dürfen Handtaschen auf keinen Fall fehlen. Da wir im Rahmen von “Mädchen machen Technik“ einen mathematischen Bezug herstellen wollten, stellte sich uns die Frage, was eine mathematische Handtasche ist. Während eines Besuchs der ix-quadrat Austellung fiel uns auf, dass die platonischen Körper als Grundgerüst für eine Handtasche geeignet sind. Dies wollten wir mit den MMT-Teilnehmerinnen in der Ausstellung gemeinsam erarbeiten und ihnen dabei auch die Theorie zu den platonischen Körpern in einer schüleraktivierenden Führung im Museum vermitteln. Es folgt ein Überblick über unsere Führung. 3 2. Theorie zu den Platonischen Körpern: Führung im Ix-Quadrat Museum 2.1. Informationen zum Museum Allgemeines • Museumsraum im Rahmen des Umzugs erhalten • ursprüngliche Konzeption des Raumes als Ausstellungsraum für die Modelle (um Modelle zu ”begreifen“); Gründung der TU als königlich bayerisches Polytechnikum im Jahr 1868: Modelle aus den Jahren danach Der Name • • • • x für das Unbekannte i für das Komplexe quadrat für die Grundfläche des Museums ix = römische 9; Museum hat ungefähr die Maße 9 x 9 Meter Das Logo: direkter Bezug zur Architektur des Ausstellungsraumes: • • • quadratischer Raum Im Raum: vier Säulen, die auch nahezu ein Quadrat bilden und gegen die Raumecken leicht verdreht sind. Wenn man weitere vier Säulen hineinbauen würde, die genauso gegen die schon vorhandenen Säulen verdreht sind, wie diese zu den Raumecken, und dann noch mal vier Säulen und so weiter, dann erhält man die Figur des Logos. Das Konzept: 3 Exponatsorten pro Themenschwerpunkt: • • • 4 Exponate zum Anschauen: Vitrine Exponate zum Experimentieren: Auslagen/Tische Virtuelle Exponate: Computer 2.2. Erklärung mit Hilfe von Polydronmodellen 2.2.1. Motivation Griechisches Weltbild: • Thales von Milet (624-546 v. Chr.): Alle Stoffe bestehen aus einem Urstoff nämlich Wasser, denn Wasser war seiner Ansicht nach in größter Menge vorhanden. Er stellte sich vor, dass die Erde als flache Scheibe auf Wasser schwimmen würde und dass auch über dem halbkugeligen Himmelsgewölbe Wasser vorhanden sei. • Später: Vier-Elemente-Lehre: = Weltanschauung, die besagt, dass Erde aus 4 Elementen besteht (neben Wasser auch noch Luft, Feuer und Erde als ewig existierende Grundelemente, durch deren Mischung neue Stoffe entstehen) • Platon (427-347 v. Chr.) (griech. Philosoph) o Weiterentwicklung der Vier-Elemente-Theorie: Zuordnung eines regelmäßigen geometrischen Körpers zu jedem Element o Diese Körper nennt man platonische Körper: o Definition: Platonische Körper bestehen aus gleichen regelmäßigen Vielecken (Dreiecke, Vierecke,…) und an jeder Ecke stoßen gleich viele Vielecke zusammen (Körper sehen von jeder Ecke aus betrachtet gleich aus) o Platonische Körper sind hochsymmetrisch; Symmetrie war für Griechen sehr wichtig (Schönheitsideal); Deswegen waren diese Körper etwas Heiliges und wurden also je einem Element zugeordnet. o Welches Element passt zu welchem platonischen Körper? Feuer: Tetraeder Luft: Oktaeder Wasser: Ikosaeder Erde: Würfel Dodekaeder bleibt übrig, da er erst später entdeckt wurde. o Da die platonischen Körper und die damit verbundene Weltanschauung den Griechen sehr wichtig war und nicht angezweifelt wurde, weil die platonischen Körper als heilig galten, wurde ein fünftes Element gesucht, das dem Dodekaeder zugeordnet wurde: Äther als fünftes Element Feuer, Wasser, Luft und Erde sollen aus Äther entstanden sein. Äther hat die einzigartige Kraft leblosen Gegenständen Leben einzuhauchen. Warum gibt es nur diese 5 platonischen Körper? Nehmen wir an, der Körper besteht nur aus gleichmäßigen Dreiecken. Dann können sich entweder 3, 4 oder 5 Dreiecke an einer Ecke berühren. Es können aber nicht 6 Dreiecke sein, da diese bereits flach in einer Ebene liegen. Für 3 Dreiecke pro Ecke erhalten wir einen Körper mit 4 Flächen und 4 Ecken, den Tetraeder. Bei 4 Dreiecken pro Ecke ergibt sich ein Körper mit 8 Flächen und 6 Ecken, der Oktaeder. Nehmen wir 5 Dreiecke pro Ecke, so entsteht ein Körper aus 20 Dreiecken und 12 Ecken, der Ikosaeder. Besteht der Körper aus Quadraten, so können sich nur drei an jeder Ecke berühren, da vier schon wieder flach in der Ebene liegen. Man erhält den Würfel mit 6 Flächen und 8 Ecken. Als letzte Möglichkeit erhalten wir das Dodekaeder mit drei 5 Fünfecken pro Eckpunkt. Dieser platonische Körper hat 20 Ecken und 12 Flächen. Aus Sechsecken kann man keinen Körper bauen, da drei reguläre Sechsecke bereits flach in der Ebene liegen, wie man es von den Bienenwaben her kennt. 2.2.2. Flächen-, Ecken- und Kantenanzahl der platonischen Körper Flächenanzahl: • Tetraeder: 4 • Würfel: 6 • Oktaeder: 8 • Dodekaeder: 12 • Ikosaeder: 20 (tetra griech. vier) (auch Hexaeder genannt, hexa, griech. sechs) (okta, griech. Acht, Musik: Oktave) (dodeka, griech. zwölf) (ikosa, griech. zwanzig) Ecken: • Tetraeder: 4 • Würfel: 8 • Oktaeder: 6 • Dodekaeder: 20 • Ikosaeder: 12 Besonderheiten der bisherigen Ergebnisse: • Tetraeder hat 4 Ecken und 4 Flächen • Würfel hat 6 Flächen und 8 Ecken, Oktaeder hat 6 Ecken und 8 Flächen • Dodekaeder hat 12 Flächen und 20 Ecken, Ikosaeder hat 20 Flächen und 12 Ecken Kanten: • Tetraeder: 6 • Würfel: 12 • Oktaeder: 12 • Dodekaeder: 30 • Ikosaeder: 30 Besonderheiten der bisherigen Ergebnisse: • Würfel und Oktaeder haben die gleiche Kantenanzahl. • Dodekaeder und Ikosaeder haben jeweils die gleiche Kantenanzahl. Im Folgenden wird untersucht, ob es einen Zusammenhang zwischen den Körpern gibt. 6 2.3. Veranschaulichung der Dualität anhand von Rautenkaleidoskopen In der Ix-quadrat Ausstellung gibt es drei verschiedene Rautenkaleidoskope. Im Ersten kann durch Hineinlegen einer Stange ein Tetraeder erzeugt werden, im nächsten ein Würfel oder Oktaeder und im Letzten ein Dodekaeder oder Ikosaeder. Vorgehensweise: Linker Spiegel: • Lege 1 Stange vertikal hinein Tetraeder entsteht • Lege 1 Stange horizontal hinein Tetraeder entsteht wieder Mittlerer Spiegel: • Lege 1 Stange vertikal hinein Oktaeder entsteht • Lege 1 Stange horizontal hinein Würfel entsteht Rechter Spiegel: • Lege 1 Stange vertikal hinein Ikosaeder entsteht • Lege 1 Stange horizontal hinein Dodekaeder entsteht Ergebnis: • im linken Spiegel entsteht bei beiden Stangenrichtungen der Tetraeder • im mittleren Spiegel entstehen Würfel und Oktaeder • im rechten Spiegel entstehen Dodekaeder und Ikosaeder Zusammenhang zwischen Würfel und Oktaeder und zwischen Dodekaeder und Ikosaeder Erinnerung an Zusammenhang zwischen Ecken-, Flächen- und Kantenanzahlen: • Tetraeder: genauso viele Ecken wie Flächen • Würfel: 6 Flächen Oktaeder: 6 Ecken • Würfel: 8 Ecken Oktaeder: 8 Flächen • Dodekaeder: 12 Flächen Ikosaeder: 12 Ecken • Dodekaeder: 20 Ecken Ikosaeder: 20 Flächen Zusammenhang zwischen Würfel und Oktaeder und zwischen Dodekaeder und Ikosaeder Diesen Zusammenhang, dass ein Körper genauso viele Ecken wie ein anderer Flächen hat und andersherum nennt man Dualität. Die Dualität kann man noch anders sehen: Durch den Zusammenhang zwischen Ecken und Flächen können zueinander duale Körper so ineinander geschachtelt werden, dass die Ecken des einen Körpers auf den Flächenmitten des anderen liegen. 7 2.4. Stabilität und Dualität von Platonischen Körpern Aufteilung der Teilnehmerinnen in zwei Gruppen: 1. Gruppe: testet die Dualität der Platonischen Körper am PC 2. Gruppe: baut mit Geomag Platonische Körper um eine weitere Eigenschaft der Platonischen Körper herauszufinden Nach einer Viertelstunde werden die Stationen getauscht. 1. Gruppe: Schachtelung von Platonischen Körpern Arbeitsauftrag: Teste die Dualität der Körper indem du sie am PC mit dem Programm „Platonische Körper schachteln“ ineinander schachtelst: Erklärung des Programms „Platonische Körper schachteln“ • • • • • 8 zu Beginn: man sieht einen Würfel o Drehen des Würfels zeigen (rechte Seite, 3.Button von oben: Drehstopp) Baue andere Körper in Würfel ein o Klicke auf rechter Seite auf gewünschten Körper Zuerst: Tetraeder einbauen in Würfel o wir sehen: Tetraeder nicht zu Würfel dual, da Ecken des Tetraeders sich nicht in den Seitenmitten des Würfels befinden vorher festgestellt: Würfel zu Oktaeder dual wir wollen Oktaeder statt Tetraeder einbauen wir wollen inneren Tetraeder erst einmal wieder ausbauen o Klicke dazu auf rechter Seite auf 2.Button von oben (im Button ist innerer Körper gestrichelt durch Klicken auf diesen Button wird innerer Körper entfernt) o Baue Oktaeder ein Man sieht die Dualität geht es auch andersherum, also sieht man die Dualität auch, wenn man den Würfel in den Oktaeder schachtelt? o Baue noch einen Würfel durch Klicken auf den Würfelbutton rechts ein o sieht kompliziert aus wollen äußeren Würfel entfernen Klicke dazu auf 1.Button von oben auf rechter Seite (im Button ist äußerer Körper gestrichelt durch Klicken auf diesen Button wird äußerer Körper entfernt) o man kann auch so die Dualität der beiden Körper erkennen 2. Gruppe: Konstruktion der Platonischen Körper mit Geomag Arbeitsauftrag: Nachbauen der Platonischen Körper mit Geomag und Testen der Stabilität der einzelnen Körper Im Vergleich zur theoretischen Einführung ist der nächste Teil des Projekts „Mathematische Handtaschen“ sehr praxisbezogen. Dabei wird beim Basteln die Theorie in die Praxis umgesetzt. Die Bastelanleitung ist in mehrere Module eingeteilt, die wir flexibel nach den Bedürfnissen der Mädchen auf die Kurstage aufgeteilt haben. Es folgt die Vorgehensweise, nach der wir die Teilnehmerinnen beim Basteln angeleitet haben. 9 3. Bastelanleitung für die Handtasche 3.1. Vorbereitung Da Thema des Seminars „mathematische Accessoires“ schließt auf jeden Fall Handtaschen mit ein. Um eine mathematische Handtasche anzufertigen, könnte man sie in Form eines platonischen Körpers basteln. Aufgrund der Stabilitätseigenschaften platonischer Körper eignen sich nur Tetraeder, Ikosaeder und Oktaeder. Die Anfertigung wird in Zweiergruppen durchgeführt. Deswegen beziehen sich die Materialangaben im Folgenden immer auf zwei Handtaschen. 3.2. Anfertigung des Gerüsts Die Handtasche wird in Tetraederform gebaut, da von den drei stabilen Platonischen Körpern dieser die wenigsten Kanten hat. Material: • • • • • • 3 Bowdenzugrohre (90cm, Durchmesser: 3mm, innen hohl, leicht elastisch) (im Modellbaugeschäft (z.B. hier erhältlich: http://www.der-schweighofer.at/artikel/10143/bowdenzugrohr_3_mm_ssm) 2 Schnüre (250cm pro Schnur (je nach Fädelungsart), reißfest, Dicke so gewählt, dass 3 Schnüre durch einen Stab passen) 2 Bleistifte (gespitzt) Konzeptpapier (DinA4, ca. 1 Blatt pro Person) 2 Scheren (evtl. auch Linkshänderscheren) Berechnung der Kantenlänge: • 6 Kanten pro Handtasche, also 12 Kanten pro Gruppe • 3 Stäbe pro Gruppe 1 Stab muss viergeteilt werden • 1 Stab ist 90 cm lang 90cm:4=22,5cm 1 Stab wird also in 4 Stücke der Länge 22,5cm zerschnitten. Verwendung der Schnur: Die unzerschnittene Schnur wird durch die Stäbe durchgefädelt, so dass ein Tetraeder entsteht. An jeder Ecke des Tetraeders sollen je zwei Stäbe durch eine Schnur miteinander verbunden sein, wie es in der Skizze veranschaulicht wird. 10 3.3. Bearbeitung des Bastelkartons Material: • • • • • Modellpappe (1 Bogen, Maße: 70 x 50 cm, Dicke: 5mm) 8 Papiermodelldreiecke (gleichseitige Dreiecke, Seitenlänge: 22,1 cm, aus Tonpapier oder anderem dickerem Papier) 2 Teppichmesser/Cutter Schneideunterlagen (z.B. alte Pappkartons) 1 Rolle Paketklebeband (durchsichtig) 3.3.1. Ausschneiden der Dreiecke Es sollen vier Dreiecke pro Handtasche (acht pro Gruppe) aus dem Bastelkarton ausgeschnitten werden. Die möglichen Anordnungsvarianten der 8 Papiermodelldreiecke auf einem Bastelkarton werden ausprobiert. Bei der Anordnung zweier benachbarter Dreiecke soll beachtet werden, dass sie ohne Zwischenraum auf dem Bastelkarton gelegt werden. So entstehen weniger Schnittkanten. Nachdem eine platzsparende Anordnung gefunden wurde, werden die Dreiecke mit Hilfe der Papiermodelldreiecke mit Bleistift auf den Bastelkarton aufgezeichnet. Danach werden die Dreiecke mit dem Cutter ausgeschnitten. Dabei sollten die Schneideunterlagen unbedingt zur Tischschonung untergelegt werden. 3.3.2. Festkleben der Dreiecke Die aus Bastelkarton ausgeschnittenen Dreiecke werden nun mit Klebeband am Gerüst festgeklebt. Zu beachten ist dabei, dass aus Stabilitätsgründen die Klebestreifen der Länge nach festgeklebt werden, wie in der Skizze zu sehen ist. Das erste Bastelkartondreieck wird an allen Seiten am Gerüst festgeklebt, wobei die Klebestreifen um den Stab umschlagen werden. Das 11 zweite Bastelkartondreieck wird an zwei Kanten analog festgeklebt. An der gemeinsamen Kanter der beiden Bastelkartondreiecke werden sie von außen mit einem Klebeband aneinander festgeklebt. Das dritte Bastelkartondreieck wird nur an einer Kante festgeklebt und zwar an einem Stab, an dem noch nichts festgeklebt wurde. Dieses dritte Bastelkartondreieck wird der Deckel. Das verbleibende Bastelkartondreieck wird nicht an dem Stab, an dem bereits der Deckel klebt, festgeklebt, d.h. dieses Bastelkartondreieck ist nur an zwei Kanten befestigt. 3.4. Ummantelung der Tasche mit Stoff Material: • • • • • 2 Stoffe (100cmx60cm, nach Wahl, strapazierfähig, z.B. von Ikea) 2 Netze + 2 Deckelnetze (aus Pappkarton ausgeschnitten nach der Vorlage) 2 Stoffscheren/Scheren 1 Tube Bastelkleber (z.B. von UHU) + 2 Prittstifte 2 Lineale (30cm) weitere Angaben zum Netz und Deckelnetz: • Das Netz und das Deckelnetz bestehen aus gleichseitigen Dreiecken mit Seitenlängen von 23,7 cm. • Alle Klebelaschen sind 2,5 cm breit. • Erklärung der bei der Netzbeschriftung verwendeten Abkürzungen: o A: außen o I: innen o R: rechts o L: links o B: Boden o D: Deckel Die eingeklebten Bastelkartondreiecke werden leicht mit Bleistift entsprechend der Netzbeschriftung gekennzeichnet. 12 13 3.4.1. Ausschneiden des Stoffs Das Netz und das Deckelnetz werden mit Bleistift auf die Rückseite des Stoffes aufgetragen. Dabei muss beachtet werden, dass Netz und Deckelnetz gleichzeitig auf den Stoff passen. Alle auf dem Netz zu sehenden Linien und Beschriftungen werden auch auf den Stoff übertragen. Hierzu wird das Lineal verwendet. Anschließend wird der Stoff entlang der äußersten Linie des Netzes ausgeschnitten. Der Stoff darf sich nicht verziehen. Außerdem sollte langsam geschnitten werden, damit der Stoff nicht ausfranst. 3.4.2. Ankleben des Stoffs Deckel mit Stoff bekleben Die Klebelaschen 3 angrenzend an die Fläche DI werden nach innen auf den Stoff mit Bastelkleber geklebt. Danach legt man die halbfertige Tasche mit offenem Deckel vor sich, so dass die Spitze des Deckels zu einem zeigt. Der mit Hilfe des Deckelnetzes ausgeschnittene Stoff (Stoffdeckel) wird mit der Stoffinnenseite nach oben aufgeklappt auf den 14 Tisch gelegt. Nun wir der Stoffdeckel (DI voran) von unten durch den Schlitz am Deckel geschoben bis DI durchgefädelt ist. Anschließend wird der Deckel mit Prittstift auf die mit DA beschriftete Fläche auf dem Stoff festgeklebt. Jetzt streicht man die Klebelasche 1 mit Bastelkleber ein. Dann wird die Klebelasche 1 über den Deckel geklappt, sodass der Deckel eingewickelt wird. Dabei muss beachtet werden, dass der Stoff an Spitze von DA angehoben werden muss, um die Lasche darunter festzukleben. Anschließend wird die Klebelasche 2 auf die Innenseite des Deckels mit Bastelkleber festgeklebt. Dann wird DI mit Prittstift festgeklebt. Netz mit Stoff bekleben Klebelaschen, die mit rotem Kreuz versehen sind, werden direkt umgeschlagen und auf Innenseite des Stoffs festgeklebt. Zu Beginn legt man das Netz so vor sich aus, dass DA von einem wegzeigt. Die Klebelaschen von BI werden mit Bastelkleber auf den Stoff aufgeklebt. Danach stellt man den äußeren Boden der Tasche auf BA, wobei der Deckel der Tasche aufgeklappt auf DI zeigen soll. BI wird nun genauso wie DI durch den Deckelschlitz durchgefädelt. Jetzt wird BA mit Prittstift festgeklebt. Ebenso wird RA mit Prittstift festgeklebt, wobei die Klebelasche von RA auf das benachbarte Bastelkartondreieck LA geklebt wird. Danach wird RI auf der rechten Innenseite des Bastelkartondreiecks festgeklebt mit Prittstift. Auch die an die Fläche RI angrenzenden Klebelaschen werden auf die benachbarten Bastelkartondreiecksseiten BI und LI mit Bastelkleber festgeklebt. Genauso werden die Klebelaschen von LA und LI auf der Innenseite des Stoffs mit Bastelkleber 15 festgeklebt. Nun klebt man LA auf der linken Außenseite des Bastelkartondreiecks mit Prittstift fest. Anschließend wird LI auf der linken Innenseite des Bastelkartondreiecks mit Prittstift festgeklebt. Die noch nicht festgeklebte Klebelasche muss auf der Innenseite des Bodens festgeklebt werden. Danach klebt man BI auf der Innenseite des Bodens mit Prittstift fest. 16 17 3.5. Anfertigung des Griffs und Verschlusses Material: für Griff: • 2 x 3 gleiche Stoffbahnen, jeweils passend zu oben gewählten Stoff (Länge: 100cm, evtl. auch länger, je nach gewünschter Grifflänge, Breite: 8cm) • 2 Nylonfäden (in passender Länge zugeschnitten) • 1 Bügeleisen für Verschluss: • 4 Knöpfe (nach Wahl) • 2 Garn (zum Annähen der Knöpfe) • 2 Nadeln (zum Annähen der Knöpfe) • 2 x 3 gleiche Stoffbahnen, passend zu oben gewählten Stoff (Länge: 30cm, evtl. auch länger, je nach gewünschter Grifflänge, Breite: 4cm) • 2 Gummibänder in passender Länge (etwas 10 cm länger als geflochtener Verschluss) zugeschnitten Vorbereitung der einfach abgeschnittenen, noch nicht umsäumten Stoffbahnen: Es wird jeweils eine Stoffbahn der Länge nach mit der schönen Seite nach unten auf den Tisch gelegt. Ein Längsstreifen der Breite 2cm (bei Griff) bzw. 1cm (bei Verschluss) entlang der Unterkante wird nach innen geklappt. Die Faltkante wird mit einem Bügeleisen festgebügelt. Ebenso wird mit der Oberkante verfahren. Danach wird der Streifen entlang der mittleren Längslinie zusammen gefaltet und wieder festgebügelt. So werden alle Stoffbahnen bearbeitet. Griff: Man legt drei Stoffbahnen und einen Nylonfaden übereinander und verknotet diese möglichst weit am Rand an einem Ende. Dann werden die Stoffbahnen geflochten, wobei der Nylonfaden mit einer Stoffbahn zusammen eingeflochten wird. Am noch nicht verknoteten Ende werden danach die Stoffbahnen und der Nylonfaden verknotet. Die über die Knoten hinausstehenden Stoffbahnen werden nach Belieben gekürzt, wobei der Nylonfaden nicht abgeschnitten werden darf. Dieser wird an der gewünschten Ecke der Tasche festgenäht. Bei der Wahl dieser Ecken sollte man die Lage des Deckels beachten. Die noch lose Deckelspitze sollte möglichst nach oben zeigen. Verschluss: Vor dem Annähen der Knöpfe sollten deren gewünschte Positionen geklärt werden. Dabei sollte bedacht werden, dass die Knöpfe an den angrenzenden Seiten zum Deckel befestigt werden sollten. Die noch übrigen für den Verschluss bestimmten Stoffbahnen werden genauso wie die Stoffbahnen des Griffs zusammen mit dem Gummiband (statt dem Nylonfaden) geflochten. Dabei sollte das Gummiband zu beiden Seiten über den Rand der Stoffbahnen hinausragen. Wenn das Flechtwerk die passende Länge erreicht hat, wird das Ende verknotet und eventuell werden die überstehenden Stoffbahnen, nicht das Gummiband, abgeschnitten. Ein Ende des Gummibands wird zum Abschluss an einem Knopf angeknotet. Das anderer wird zu einer Schlaufe geknotet um es am anderen Knopf befestigen zu können. So kann man die Tasche öffnen und wieder verschließen. 18