Technikwissen - Wissenswertes rund um die Technik

Vorsicht, hart heißt …wie bei Glas auch zerbrechlich. Eine Autokarosserie aus Glas würde sich wohl niemand wünschen, bei einem Unfall soll sich der Stahl verformen und nicht brechen. Das Tolle am Stahl ist, dass wir nahezu beliebig hart oder weich machen können. Beim Messer machen wir ihn hart, damit die Klinge nicht schnell stumpf wird. Aber vielleicht haben Sie es auch schon festgestellt, wenn ein Messer auf den Boden fällt, kann es brechen, das passiert mit einem weichen Kaffeelöffel nicht.

Wir können Stahl fast nach Belieben herstellen
- hart (z. B. Messer), aber auch
- weich (z. B. Bindedraht)
Aber wie misst man die Härte?
Das ist ganz einfach: … Wie würden Sie feststellen, ob die Butter weich oder hart ist? Mit dem Messer drücken Sie auf die Butter uns sehen, wie tief es eindringt.
Fast genauso messen wir bei Metallen die Härte, wir drücken mit einem Gegenstand auf das Werkstück und sehen, wie tief die Eindrucksstelle ist.
… und nun für Experten: Bei Rockwell (HR) und Brinell (HB) wird eine Kugel, bei Vickers (HV) Pyramidenspitze eingedrückt.

Auch hier steckt wieder eine tolle Entdeckung dahinter, die die Welt verändert hat.
Steine sind sehr druckfest, niemals würden wir einen Stein mit unseren Fingern zerdrücken können. Aber als dünner Stab ist er leicht zerbrechlich (Sie kennen es von der Kreide).
Wir bezeichnen dies als extrem druckfest, aber mit geringer Zugfestigkeit.  In den meisten Fällen benötigen wir aber beides. Druck-  und Zugfestigkeit, zum Beispiel bei einer Brücke.  Leicht vorstellbar ist dies bei einem Brötchen, das Sie brechen: Oben wird es auseinandergerissen, unten wird es zusammengedrückt. Beton würde leicht reißen, wenn wir nicht einen Partner hätten, der die Zugkräfte aufnehmen kann.  Sie ahnen es schon, es ist der Stahl. So ist vor 150 Jahren Stahlbeton entdeckt worden.  Eine geniale Erfindung, nicht zuletzt deswegen, weil Stahl und Beton ungefähr die gleiche Wärmeausdehnung haben.  Da haben wir mit unseren Naturgesetzen mal wieder Glück …  andere Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, dehnen sich doppelt so stark aus, der Beton mit Aluminium würden bei Erwärmung platzen.

Lange Zeit war dies nicht berechenbar. Viele Gebäude sind eingestürzt, weil sie die Last nicht tragen konnten. Trial-and-Error, das war die Vorgehensweise.
Heute können wir alles exakt berechnen, sogar die kompliziertesten Teile. So war es möglich, das Flugzeug A380 im Computer zu berechnen, es an die Startbahn zu stellen und es ist geflogen…
Die zugrundeliegende Methode nennt sich Finite Elemente Methode.  Im Computer werden selbst komplizierteste Teile in viele kleinste Einheiten unterteilt.  So können mit einfachen Rechenoperationen (Hebelgesetze), tausendfach durchgeführt, die Kräfte an jeder Stelle berechnet werden. Im Bild sind blau die Druckspannungen und rot die Zugspannungen dargestellt.
Auch Material kann dadurch eingespart werden.  Nahezu alle tragenden Teile im Auto sind so optimiert.

Natürlich oxidiert Aluminium auch, aber diese Schicht dichtet ab, es kann kein Sauerstoff mehr das darunter liegende Aluminium erreichen. Bei Stahl ist dies anderes. Die Oxidation – wir sprechen hier auch von Rost - geht leider immer weiter und weiter bis das ganze Teil nur noch aus brüchigem Eisenoxid besteht.

Reicht es, wenn wir Eisenerz erhitzen, tropft dann Eisen heraus? So einfach ist es leider nicht. Das Eisenatom ist im Eisenoxid mit dem Sauerstoff verbunden und hält ihn fest. Wir benötigen jemanden, der dem Eisenatom den Sauerstoff entführt.  Einen Casanova…?  Es ist tatsächlich ein Stoff mit  „C“ wie Casanova. Denn der Kohlenstoff (C) kann unter Hitze dem Eisenoxid den Sauerstoff entnehmen und so entsteht Eisen. Der Hochofen muss also nicht nur um zu heizen mit Kohle gefüllt werden, sondern auch um dem Eisen den Sauerstoff zu entziehen. Die neueste Entwicklungen, „grünen“ Stahl herzustellen,  kommt ohne Kohle aus.   Weitere interessante Geschichten zum Stahl im Seminar.

Wussten Sie, dass Biber Eisen in den Zähnen haben? Ja, die äußere Schicht ist durch das Eisen rot gefärbt und trotzt so besonders der Abnutzung.
In der Industrie sprechen wir (mit kleinen Ausnahmen) immer von Stahl. Reden Sie möglichst nicht von Eisen, das entlarvt Sie als Laien.
Aber was ist Stahl? Ganz einfach eine Legierung… und was ist eine Legierung?  Eine Mischung von Eisen mit anderen Stoffen.  Die Stahlkocher können je nach gewünschter Anforderung Hunderte verschiedene Legierungen herstellen. Wenn es edle Zutaten sind, wird es Edelstahl.

Wie ein Koch einen relativ einfachen Eintopf, oder auch einen Eintopf mit edlen Zutaten kochen kann, so kann der Stahlkocher auch aus vielen Stoffen wählen. Sind es edle Stoffe wie zum Beispiel Chrom und Nickel, sprechen wir von Edelstahl.
Diese Zuschlagstoffe rosten nicht, deshalb rostet Edelstahl kaum… Dadurch ist er auch teurer und aufwändiger zu bearbeiten.
Edelstahl ist aber heute kaum mehr wegzudenken, wie der Blick in die Versuchsküche zeigt. Stellen Sie sich vor, dieses Metall würde rosten.

Es ist brutal, was wir Stahlteilen beim Schmieden antun!  Das Innere im Stahl, auch Gefüge genannt, hat durch die starken Verformungen Schäden bekommen. Wenn wir so weitermachen würden, könnte es brechen.  Deshalb schicken wir das Metallteil nach dem großen „Trauma“ in REHA. Ganz konkret in den Wärmeofen, wir glühen es und so erholt sich das Gefüge wieder.  Das wussten, wie das Foto zeigt, die Schmiede früher schon

Wo wird überall Stahl verwendet? Das Bild zeigt: Fast überall, er ist einer der wichtigsten Werkstoffe.
Für viele Anwendungen ist es das ideale Material. Es ist stabil und belastbar, relativ preisgünstig. Durch Mischungen (Legierungsbestandteile) ist er nach Bedarf an die Anforderungen anpassbar.  … und was kein anderes Metall kann, es ist ein idealer Partner für Beton (Stahlbeton). Der Stahl ist magnetisierbar und was andere Metalle nicht können, wir können ihn nach Belieben härten oder wieder weich machen.

Worin kann heißes Eisen, Stahl gegossen werden? In Holz? - sicherlich nicht. In Glas? - Wohl kaum, das würde durch den heißen Stahl zerbersten. In Steinformen? - Diese herzustellen ist schwierig.
Wie wäre es mit Sand? In der Tat, bei ganz vielen Produkten ist die Herstellung quasi „auf Sand gebaut“. Das berühmte Sandguss-Verfahren. Sie erkennen es an der „Orangenhautstruktur“, dies ist der Abdruck der Sandkörner.
Sand hat noch weitere große Vorteile, so sind auch Hohlräume möglich. Der Sand rieselt – durch ordentliches Rütteln unterstützt - nach dem Gießen einfach wieder aus den Hohlräumen heraus.  Ein geniales Verfahren!

Die Definition von „Drehen“ ist einfach: Das Werkstück dreht sich, das Werkzeug steht. Klar, dass es dann runde Teile gibt – Fachleute sprechen von rotationssymmetrischen Teilen. Daran können Sie übrigens schnell erkennen, ob es ein Drehteil ist.  Mit den heutigen Drehmaschinen können wir neben runden Strukturen auch andere Formen realisieren. In diesem speziellen Fall bleibt die Drehmaschine stehen und ein (sich drehender)  Fräser bringt z. B. eine Fläche an.  Das sind dann kombinierte Fräs- und Drehteile.

Wissen Sie, wie eine Schraube funktioniert? - Eine nur scheinbar banale Frage! Stellen Sie sich vor, wie ein Teil auf einer schiefen Ebene liegt.  Wird das Teil festgedrückt, bleibt es liegen, ansonsten droht es abzurutschen. Eine Schraube ist wie eine lange, wendelförmig angeordnete schiefe Ebene.  Wenn die Schraube nun festgezogen wird, pressen die Gewindegänge aneinander. So wird verhindert, dass die Schraube sich löst. Im professionellen Umfeld verwenden wir sogenannte Drehmomentschlüssel. Nun ist auch klar wozu – wir wollen sicher sein, dass die notwendige Kraft im Schraubengewinde entstanden ist. Im Automobilbau wird bei jeder Schraubverbindung die Kraft gemessen und für den Nachweis digital abgespeichert.  Bei Schraubverbindung möchten wir also beides, dass sie festhält, aber auch wieder zu lösen ist.

Auf dem Jahrmarkt möchten wir die Nieten vermeiden. Aber in der Technik haben wir sie gern, denn so preisgünstig ist kaum eine andere Verbindungstechnik. Schrauben verwenden wir, wenn etwas wieder auseinanderzubauen ist. Nieten, wenn etwas zusammenbleiben soll. So kennen wir sie bei Flugzeugen, aber auch bei Jeanshosen…  
Was Blindnieten sind und wie sie montiert werden, erfahren Sie im Seminar

Was tauschen wir beim Getriebe? Geschwindigkeit gegen Kraft – genau genommen Drehmoment. Solange wir mit dem Fahrrad den Berg hoch fahren bevorzugen wir die Kraft. Gleichzeitig schnell zu sein, das geht leider nicht.
Wenn wir auf der ebenen Strecke wieder weniger Kraft brauchen, darf es wieder schneller sein.  Wir schalten das Getriebe um, pro Umdrehung des Pedals legen wir dann wieder eine größere Strecke zurück, wir sind schneller.  
In der Technik haben wir oft Getriebe für unterschiedlichste Funktionen verbaut. Wie diese funktionieren, erfahren Sie im Seminar

Kennen Sie den Scherz unter Schreinern? Sehr hinterlistig, aber auch verhängnisvoll, wenn am Meterstab einfach 1 cm abgeschnitten wird.
Aber die Frage stellt sich auch in der Industrie. Ist der Millimeter, den wir messen, wirklich ein Millimeter?
Damit dies sichergestellt ist, müssen die Messmittel immer wieder in speziellen Kallibrierlaboren überprüft werden.  Und diese Kallibrierlabore werden wieder überprüft. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig weiß für Deutschland, was ein Meter ist. Früher lag das Urmeter noch in Paris. Heute haben die Physiker eine Möglichkeit gefunden, über die Lichtgeschwindigkeit das Meter exakt und überall gleich nachzuvollziehen festzulegen  Damit sichergestellt ist, dass alle weltweit gleich messen.  
Ein Blick in die Geschichte zeigt, dass dies früher auf den Märkten auch schon ein Thema war. Wie lange ist eine Elle? An der Wand eingelassen, konnte die Länge immer wieder überprüft werden. Damit der eingekaufte Stoff nicht zu kurz wird.

Wie genau muss das Maß sein, wenn in der Zeichnung keine Toleranz dabeisteht? Muss das Maß 40 wirklich genau 40,0000 mm lang sein? Das kann nicht sein!
- So genau können die Teile kaum hergestellt und gemessen werden.
- Sie wären sehr kostenintensiv, das ist sicher nicht gewünscht.
Aber ein zentrales Prinzip bei technischen Zeichnungen ist, dass sie eindeutig sind, dass jeder weltweit das Maß gleich interpretiert. So darf es keine Toleranz geben, die nicht klar definiert ist.
Wenn also beim Maß keine Toleranz steht, sind es die in den Normen definierten Allgemeintoleranzen.  Klar, jedes Maß hat eine Toleranz, auch wenn sie nicht dabeisteht.

Die meisten Kunststoffe – wir nennen sie Thermoplaste – werden beim Erhitzen wieder flüssig. Hart, flüssig, wieder hart, das können wir bei Kunststoffen beliebig wiederholen. (Wobei die Experten wissen, dass es Qualitätseinbußen gibt)   Kunststoffe bestehen aus langen Makromolekülen. Wir können sie uns wie lange Spaghetti vorstellen: Sie kleben aneinander, wenn sie abtrocknen oder „flutschen“ weg, wenn wieder Wasser dazukommt.
Auch dies könnten wir nahezu beliebig wiederholen.  Und so gibt es Parallelitäten zu Kunststoffen.
Bei Kunststoffen brauchen wir durch die Wärme die Fähigkeit, weich zu werden, damit wir sie in die Form pressen können. Danach sollen sie wieder fest werden, das verdanken wir den langen Makromolekülen.
Mehr zu Kunststoffen im Seminar

Die Mechanik ist überwiegend einfach zu erklären, denn die Funktion ist sichtbar, notfalls mit der Lupe. Selbst bei einer Orgel mit über 5000 Pfeifen kann jede Funktion über viele Seile und Umlenkrollen nachvollzogen werden.
Beim elektrischen Strom ist dies leider anders, den können wir nicht sehen und wollen wir ihn auf keinen Fall spüren.
Die Elektrotechnik zu verstehen, gelingt nur, wenn wir die Funktionen in spannende Geschichten verpacken. So nehme ich Sie gerne mit auf eine Tour voller spannende Storys rund um Strom und Spannung. Sie werden sehen, dies ist eine faszinierende Welt, die zudem unser Leben an vielen Stellen vereinfacht.
Im Seminar verstehen Sie, was Strom und Spannung bedeutet.

Manche Elektronen leben sehr „monogam“. Niemals würde ein Elektron das Atom verlassen. Bei Metallen ist das anders. Deren Neigung zu „Seitensprüngen“ verdanken wir dem elektrischen Strom. Elektrischer Strom ist also nichts anderes als Elektronen, die sich vagabundierend von Atom zu Atom bewegen.
Isolatoren dagegen bestehen aus sehr „keusch“ lebenden Atomen. Gut, denn die leiten den Strom nicht.  Auch eine wichtige Funktion, denn sonst könnten wir die Elektroden nicht in “Schach halten“.  Aber, auch das soll noch kurz erwähnt werden, wenn die Spannung sehr groß ist, springen sie doch. Zum Beispiel durch die ansonsten isolierende Luft bei Gewitter.
Mehr Geschichten rund um die vagabundierende Elektronen im Seminar.

In Stuttgart gibt es eine Straßenbahnstrecke, von Degerloch nach Stuttgart, bei der Sie mit Ihrem Gewicht dazu beitragen, dass Strom erzeugt wird. Dahinter steckt die faszinierende Technik der Umrichter, die die erzeugte Energie in das Netz zurückspeist. Der Stuttgarter Verkehrsverbund profitiert also davon, wenn Sie nach Stuttgart hinunterfahren. Das war nicht immer so. Als ich vor 45 Jahren an der Technischen Oberschule das Abitur gemacht habe, konnte ich beobachten, wie die überschüssige Energie oben auf dem Straßenbahndach durch große Heizungen buchstäblich verheizt wurde.
Übrigens, mit dem Elektroauto verhält es sich ähnlich. Bergab wird mit Ihrem Gewicht Energie erzeugt und in Akkus gespeichert.  Dabei darf es gerne etwas mehr Gewicht sein

Bei der elektrischen Spannung ist es wie bei der Gewichtskraft – man muss sie nicht wirklich verstehen, es reicht, wenn wir damit umgehen können: Gehen Sie einfach von einer ominösen Kraft aus, die wir zwar genau berechnen, uns aber kaum vorstellen können. Selbst Physiker kommen ins Straucheln, wenn Sie mehrmals nach dem Warum und Wie fragen …  Sie können es aber perfekt berechnen und vorhersagen.
Oder fragen Sie nach der Gewichtskraft. Warum ein Gegenstand nach unten gezogen wird. Nach dem zweiten „Warum“ wird es auch hier kompliziert. Wichtig ist, dass wir es berechnen und messen können, die elektrische Spannung und die Flugbahn eines Balls, ohne dass wir genau wissen, warum der Ball von der Erde angezogen wird.

Jeder weiß, wir benötigen Kabel und keine Eimer, um den elektrischen Strom zu transportieren. Kabel sind allerdings viel interessanter als viele denken. Manche haben einzelne feste Drähte, andere viele dünne Drähte, Fachleute sprechen in diesem Fall von Litze.  Warum Drähte so aufgebaut sind und viele andere Geschichten rund um die Kabel hören Sie im Seminar

Auch wenn wir die physikalischen Hintergründe im Detail nicht verstehen müssen, wissen wir, dass ein elektrisch durchflossener Leiter (Draht) ein kleines Magnetfeld abgibt. Toll ist, dass dies auch umgekehrt funktioniert. Ein (sich veränderndes) Magnetfeld erzeugt (induziert) im Draht einen elektrischen Strom.
Und hier gilt wieder das Prinzip: Viel hilft viel.  
An einem einzelnen Draht ist die Wirkung gering. Aber wenn wir den Draht zur Spule wickeln, vergrößert sich der Effekt mit jeder Windung.
Das ist der Grund, warum eine Spule aus vielen Windungen besteht.
Weitere Informationen zu den elektromagnetischen Effekten und wie wir sie nutzen können im Seminar.

Warum liefert unser Energieversorger Strom, der nicht nur in eine Richtung fließt, sondern ständig hin und her?  Den sogenannten Wechselstrom.
- Die Transformatoren benötigen Wechselstrom
- Transformatoren benötigen wir, um daraus Hochspannung zu erzeugen
- Hochspannung benötigen wir um den Strom über weite Strecken zu transportieren.  
Noch nicht ganz klar, warum Transformatoren nur mit Wechselstrom funktionieren? Dies und warum wir ihn gleich dreifach, in drei Leitungen geliefert bekommen, zeige ich Ihnen im Seminar

Halbleiter, das wissen Sie, haben die Welt verändert. Ich möchte Sie zum Staunen bringen, in dem ich erkläre, wie Halbleiter aufgebaut sind und wozu Reinräume notwendig sind.  Auch hier gilt wieder:  Details müssen wir nicht verstehen. Es ist vielleicht ähnlich wie beim Auto, dort müssen wir auch nicht genau verstehen, wie der Motor funktioniert. Wir drücken einfach den Knopf – und wenn es brummt, legen wir den Gang ein. Viele Ingenieure wissen das auch nicht so ganz genau, wie die Halbleiter im Innersten funktionieren, setzen sie aber gern ein ;-)

LED sind kleine Halbleiter, die im Gegensatz zu den Glühlampen viel weniger Energie benötigen.   Aber sie sind nicht in weiß, sondern nun in spezifischen Farben herstellbar.
Nun wissen Sie, dass die weiße Farbe sich aus verschieden bunten Farben zusammensetzt. So gehen wir auch bei LEDs vor, die weiße Farbe entsteht durch eine Kombination von roten, grünen und blauen kleinen LEDs.  So ist es übrigens – je nach Bauart – auch möglich, im Betrieb die Farben zu wechseln, sie werden dazu einzeln angesteuert.   
Auch das Weiß Ihres Handys besteht aus verschiedenen Farben, wie auf dem Bild zu sehen ist. Ein Wassertropfen wirkt dabei wie eine Lupe.
Aus größerer Entfernung erscheint die Fläche dann weiß.
Spannend, dies alles zu entdecken.

Die Funktionen eines Mikroprozessors sind leicht verständlich, wenn wir sie mit der Drehorgel vergleichen: So wie eine Drehorgel als „Universal-Musikgerät verschiedene Musikstücke abspielen kann, die zuvor auf einem Papierstreifen programmiert wurden, so kann auch der Mikroprozessor als  „Universalbaustein“, sehr unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Von der Waschmaschinensteuerung bis zum Geldautomaten.
Das Programm sieht beim Mikroprozessor natürlich etwas anders aus, das zeige ich Ihnen im Seminar

Den Unterschied zwischen Steuern und Regeln können wir leicht erklären: nicht nur in der Technik, sondern zum Beispiel auch in der Wirtschaft. Beim Steuern sind es manuelle Eingriffe. Wie z. B.  die Steuerungsmaßnahmen der EZB, um eine gewünschte Inflationsrate zu erreichen. Ein Regelmechanismus funktioniert weitgehend automatisch, wie zum Beispiel das Angebot und die Nachfrage in der Ökonomie oder die Heizungsregelung mit unserem Thermostat.
In der Technik wird sehr viel mit Sensoren geregelt und gesteuert.

Die Verarbeitung von Bildern ist die Grundlage für viele Innovationen: nicht nur beim autonomen Fahren, sondern immer mehr auch in der Fertigung. Denn Teile aussortieren, das können Computer zuverlässiger als der Mensch. Aber nicht nur mechanische Teile, sondern auch Äpfel werden via Bildverarbeitung sortiert.
Wie die Grundlagen der Bildverarbeitung funktionieren kann einfach erläutert werden. Klar ist, dass die Farben der einzelnen Bildpunkte als Zahlen im Computer gespeichert werden. Indem wir nun durch Rechenoperationen diese Zahlen verändern, können wir unter anderem den Kontrast eines Bildes verändern.

Sich verstehen, das ist auch unter Menschen nicht einfach. Die Kommunikationspsychologie und die Telekommunikation haben manche Parallelen, sie werden aber auch ergänzt durch pfiffige Lösungen in der IT. Wichtig ist, dass verstanden wird, was gesendet wurde. Stellen Sie sich vor, eine Kommastelle würde beim Online-Banking nicht richtig übertragen. Prüfziffern sind eine einfache Möglichkeit zu erkennen, ob das Gesendete korrekt ist. Falls die gesendeten Daten Fehler enthalten, bittet Ihr Rechner – ohne dass Sie dies bemerken – die Informationen nochmals zu senden.
Spannend, was im Hintergrund abläuft.