Wie holt man Wasser aus dem Fluss? - Die al-Dschazari-Pumpe

Übersicht:
  • Zahnräder übertragen Drehbewegungen.
  • Eine Kurbel-Pleuel-Vorrichtung übersetzt eine Dreh- in eine gradlinige Bewegung.
Material:
  • Wannen
  • Wasser
  • flexible Schläuche und dazu passende Plastik-T-Stücke und Absperrventile
  • Spritzen
  • einen Technikbaukasten (k’nex, Fischer Technik oder Ähnliches)
  • Holzstäbchen oder Holzspieße
  • Kartonscheiben (vom Durchmesser des Spritzenzylinders)

Einführung

Von alters her haben Menschen mit viel Fantasie über die Möglichkeiten der Bewässerung ihrer Felder nachgedacht, zahlreiche Ideen wurden verwirklicht. Eine Möglichkeit ist, das Wasser aus den Flüssen mit Hebewerken anzuheben und durch Kanäle, manchmal über sehr weite Strecken, zu den Feldern zu leiten. Unser Wissen über die Entwicklung von Be­wässerungsvorrichtungen im Mittelalter stammt zu einem großen Teil aus arabischen Tex­ten. Wir wollen in dieser Unterrichtseinheit ein Pumpwerk untersuchen, das in der Überlie­ferung zum ersten Mal in einer berühmten Beschreibung von 50 technischen "Kunststü­cken" auftaucht, in einem kunstvoll illustrierten Kodex (Buch der sinnreichen mechani­schen Vorrichtungen), den Scheich Badi al-Zaman Abu al-Izz ibn Ismail ibn al-Razzaz al-Dschazari (1136–1206) im heutigen Diyarbakir (Türkei) anfertigte (oder anfertigen ließ). Die älteste überlieferte Kopie des Werks wird im Topkapi-Museum in Istanbul aufbewahrt [1, 2]

Abbildung der
al-Dschazari-Pumpe aus dem Kitab fi marifat al-hiyal al-handasiyya

Abb. 1: Von al-Dschazari entworfene Pumpe (aus seinem Buch "Kitab fi ma crifat al-ḥiyal al-handasiyya" ["Buch des Wissens von sinnreichen mechanischen Vorrichtungen"])

Die Unterrichtseinheit gliedert sich in vier Teile. In der ersten Unterrichtsstunde eignen sich die Schüler/innen die Problemstellung an: "Wie kann man Wasser aus einem Fluss hoch­befördern?" In den beiden folgenden Stunden werden zwei entscheidende Komponenten eines "Pumpwerks" untersucht – getrennt voneinander, um die Schüler/innen nicht mit allzu viel Lernstoff auf einmal zu überfrachten. Einerseits wird die Hydrostatik des Ansau­gens/Ausstoßens behandelt, andererseits die Mechanik der Bewegungsübertragung und -übersetzung. (siehe Abb. 2). Im 4. Teil werden die beiden Elemente miteinander in Verbin­dung gebracht und die Funktionsweise des Ganzen untersucht, um den Pumpmechanis­mus zu verstehen.

Darstellung der
Funktionsweise der al-Dschazari-Pumpe

Abb. 2: Funktionsweise der al-Dschazari-Pumpe

Einleitende Aktivität

Wir erfinden eine Geschichte, die sich ausschmücken lässt: Ein Geschwisterpaar, das Mädchen Fadila und der Junge Nabil, muss aus irgendeinem Grund stundenlang durch die Mittagshitze in einem südlichen Land wandern. Sie kommen an einen Fluss. Fadila lässt sich vollkommen erschöpft oben auf der Uferböschung im Schatten eines Baumes nieder, Nabil stürzt sich, auch weil er die fast leere Wasserflasche wieder füllen will, runter zum Fluss, taucht erst einmal kurz unter oder spritzt sich nass. Versucht auch, im Wasser stehend, mit kreisenden Armbewegungen das kühle Nass bis zu seiner Schwester zu befördern, was ihm aber nicht gelingen will. Nachdenklich fragt er sich, wie er es denn anstellen könne, Fadila oben auf der Böschung mit einer ausgiebig kühlenden Dusche aus dem Fluss zu beglücken. Nichts spricht dagegen, dass wir an einen der Flüsse denken, die im türkischen Taurusgebirge entspringen und hunderte, ja tausende von Kilometern durch andere Länder und mancherorts sehr trockene Landstriche fließen. Seit jeher mussten sich Menschen in diesen Ländern darüber Gedanken machen, wie sich Wasser aus dem Fluss "selbsttätig" auf höher gelegenes Land bringen lässt, und das lange bevor es Motorpumpen gab. Zum Beispiel auch in der Gegend von Diyarbakir am oberen Lauf des Tigris.

Die Schüler/innen nehmen Nabils Fragestellung auf, verstehen auch bereits, dass sie die folgenden Stunden bestimmen wird, werden jedoch als Erstes mit der Frage konfrontiert: "Was würdet ihr Nabil raten, der seine müde Schwester Fadila oben auf der Uferböschung mit einer Dusche erfrischen möchte?"

Diese einleitende Aktivität soll die Neugier der Schüler/innen und die Lust am Fragenstel­len wecken. Sie sollen sich (jede/r für sich) ein geeignetes Verfahren ausdenken, mit dem man Wasser aus dem Fluss schöpfen kann, um höher gelegene Felder zu bewässern.

In der weiter ausgeschmückten "Erzählung" können Hinweise vorkommen, die die Kinder auf Ideen bringen, die Erwähnung von Nabils kreisenden Armbewegungen mag als ein solcher gelten. Manche Schüler/innen haben vermutlich Bilder von Wasserrädern im Kopf. Sie wissen, dass man mit dem Mühlenrad Wasser aus dem Fluss aufnehmen kann, aber sie haben Schwierigkeiten sich vorzustellen, wie man das Wasser, bevor es wieder in den Fluss zurückfällt, auffangen könnte. Es gilt also herauszufinden, wie man das Wasser am oberen Ende vom Rad "wegstoßen" kann.

Nachdem alle ihre Ideen vorgebracht haben, kristallisiert sich heraus, dass die gesuchte Maschine einer doppelten Anforderung genügen muss: Sie muss das Wasser heben und sie muss es wegstoßen können und zwar selbsttätig und kontinuierlich.

Aktivität 1: Wasser heben durch Ansaugen und Ausstoßen

Die Schüler/innen verfügen über wassergefüllte Wannen, eine Spritze, Schläuche, T-Stü­cke und Absperrventile. Sie sollen herausfinden, wie man Wasser aus einem Gefäß, das auf dem Boden steht, in ein anderes Gefäß, das auf dem Tisch steht, pumpen kann. Ihnen ist klar, dass man Wasser ansaugen kann, aber nicht, wie man das angesaugte Wasser in das andere Gefäß bringen kann. Das Problem, das sich ihnen stellt, ist folgendes: Wie kann man bewerkstelligen, dass das auf eine bestimmte Höhe angesaugte Wasser oben bleibt? Anders ausgedrückt: Das Wasser ist oben, aber wie kriegt man es ins Gefäß? Man braucht eine weitere Vorrichtung. Die technische Fragestellung ist ihnen klar, und die Schüler/innen überlegen sich Lösungen. Vielleicht hilft ja ein "Zwischenreservoir", ein Gefäß (das sich oben befindet), in das das Wasser angesaugt wird und aus dem es anschließend nicht wieder zurückfließen kann.

Schülerzeichnung: wie
könnte eine Wasserpumpe funktionieren?

Abb. 3: Zeichnungen von Benjamin und Myriam (3. Klasse)

Eine von den Schüler/inne/n entworfene Vorrichtung kann zum Beispiel so aussehen: Ein Schlauch mit einem Absperrventil V1, ein T-Stück, an das die Spritze angeschlossen ist und ein zweiter Schlauch mit einem zweiten Absperrventil V2 (siehe Abb. 3).

Foto und Schema
einer möglichen Pumpvorrichtung

Abb. 4: Mögliche Pumpvorrichtung

Die Vorrichtung arbeitet in zwei Arbeitsgängen: Zunächst wird das Wasser durch den ersten Schlauch in den Spritzenzylinder hochgezogen (1 und 2 in Abb. 4): Das Ventil V1 ist offen, V2 ist geschlossen. Dann wird V1 geschlossen und V2 geöffnet, und der Kolben der Spritze (3) heruntergedrückt, so dass das Wasser dahin gelangt, wo es hin soll (4).

Die Schüler/innen erkennen: Je häufiger der Kolben der Spritze vor und zurück bewegt wird, umso mehr Wasser wird befördert. Nun muss nur noch ein Weg gefunden werden, wie sich diese Bewegung ohne menschliches Zutun ausführen lässt.

Aktivität 2:Eine Bewegung übertragen und umwandeln

In der vorherigen Aktivität sollte das Wasser aus einer Wanne in eine höher gelegene Wanne befördert werden. In der Erzählung ist jedoch die Rede von einem Fluss. Im Gegensatz zum Wasser im Becken gibt es im Fluss Strömung, die ein Rad antreiben kann. Von Wasserrädern war vorher schon einmal die Rede. Der Gedanke wird im Folgenden aufgegriffen.

Schritt 1: Umwandlung eine Rotationsbewegung in eine (lineare) Hin-und-her-Bewegung

Der/die Lehrerin erinnert an die in der letzten Stunde offen gebliebene Frage: Wie kann die Hin-und-her-Bewegung des Kolbens ohne menschliches Zutun bewerkstelligt werden? Er/sie kommt auf das von manchen schon angesprochene Wasserrad zurück. Sie/er erklärt, wie sich mit einem rotierenden Rad eine lineare Bewegung erzeugen lässt. Nur wie soll das praktisch aussehen?

Die Schüler/innen bekommen ein Holzstäbchen, an dessen Ende eine kreisrunde Karton­scheibe vom Durchmesser des Spritzenkolbens befestigt ist. Diese Anordnung soll den Spritzenkolben ersetzen, der zu schwer zu bewegen ist. Außerdem liegen ein Zahnrad und etwas Patafix bereit. An dieser Stelle sollte der/die Lehrer/in helfend eingreifen. Das Stäb­chen muss am Rad befestigt werden (siehe Abb. 5 unten links), so dass daraus ein Pleuel wird (siehe Abb. 5 unten rechts). Der Pleuel wandelt die Drehbewegung des Rades in die lineare Bewegung des Stäbchens um. Wenn man das Rad dreht (Rotation), bewegt sich das Holzstäbchen hin und her (Translation).

Foto und Schema: Verbindung
zwischen Pleuel und Rad

Abb. 5: Verbindung zwischen Pleuel und Rad

Schritt 2: Die Rotationsebene wechseln

Wir wissen jetzt, wie man die Hin-und-her-Bewegung des Kolbens ohne Muskelkraft, dank eines rotierenden Rades, bewerkstelligen kann. Aber da gibt es ein neues Problem. Das Rad, das die Pleuelstange (das Holzstäbchen) bewegt, ist natürlich in der Nähe der Pleuel­stange und der Spritze (des Zwischenreservoirs), also "oben" (auf dem Tisch/auf der Böschung) und nicht "unten" (in der unteren Wanne/am Fluss). Es kann also nicht direkt vom Wasser des Flusses angetrieben werden. Praktischer ist es auch, wenn sich das obere Rad in der horizontalen Ebene dreht. Dann kann die Spritze (das Zwischenreservoir) dicht über dem Boden (der Tischplatte) gelagert werden. Bei einem in der vertikalen Ebene drehenden Rad müsste die Spritze, entsprechend dem Durchmesser des Rades, höher angebracht werden. Das Ganze ist in Abb. 6 schematisch wiedergegeben.

Schema: Oberer Teil des
Pumpmechanismus

Abb. 6: Oberer Teil der Pumpe

Das Rad dreht sich jetzt also nicht mehr in einer vertikalen Ebene (wie in den beiden voran­gegangenen Abbildungen), sondern in einer horizontalen. Die Bewegung des Kolbens bleibt dieselbe wie vorher. Jetzt brauchen wir eine zweites Rad, eins das sich in einer verti­kalen Ebene dreht und das von der Strömung im Fluss angetrieben wird. Dieses zweite Rad bewegt seinerseits das horizontale "Kurbelrad".

Das "vertikal drehende" Rad muss hinreichend groß sein, damit es in die Strömung eintau­chen – und gleichzeitig das Kurbelrad drehen – kann. Wir bezeichnen es als Antriebsrad. Die Schüler/innen erkunden nun, wie zwei Zahnräder sich gegenseitig drehen können, auch wenn sie nicht in der gleichen Ebene, sondern senkrecht zu einander rotieren (siehe Abb. 7). Dazu brauchen sie das Getriebe und die Zahnräder eines Technik-Baukastens (k’nex, Fischer-Technik oder Ähnliches). Ein erstes vertikal drehendes Rad wird von der Strömung bewegt und treibt ein zweites, horizontal drehendes Rad an. Das zweite Rad, das "Kurbelrad", zieht das Holzstäbchen hin und her, so dass abwechselnd Wasser ange­saugt und ausgestoßen wird.

Foto: Zwei Zahnräder greifen vertikal ineinander

Abb. 7: Das Kurbelrad wird vom Antriebsrad bewegt.

Nach diesen beiden Aktivitäten haben die Schüler/innen nun eine Lösung für die Bewässe­rung der Felder gefunden. Wie sieht denn im Vergleich die Lösung aus, die sich al-Dscha­zari ausgedacht hat?

Aktivität 3: Die al-Dschazari-Pumpe

Auf der französischen Internetplattform des Projektes ist eine kurze Video-Animation zu sehen, in der das Wasserschöpfwerk von al-Dschazari erklärt wird. Auch wenn man nur wenig oder kein Französisch versteht, wird einem das Prinzip des Wasserpumpe klar. Insbesondere wird die Rolle der Absperrklappen deutlich und wie das wechselseitige Ansaugen und Ausstoßen funktioniert. Die Schüler/innen sollen die verschiedenen Mecha­nismen der Pumpe und ihren jeweiligen Beitrag zum Transport des Flusswassers beschrei­ben können.

Schritt 1: Die Rolle der Absperrklappen

In der im al-Dschazari-Kodex beschriebenen Wasserpumpe bewegen sich zwei Kolben in zwei Zylindern, und Absperrklappen regeln den Ein- und Austritt des Wassers – sie treten an die Stelle der Absperrventile im Versuch der Schüler/innen.

Auszug aus der (französischen)
Videoanimation

Abb. 8: In diesem Ausschnitt der Videoanimation sieht man, wie der Kolben von der Pleuelstange bewegt wird. Bewegt sich der Kolben nach rechts, öffnet sich die erste Ventilklappe und lässt das Flusswasser passieren. Das Flusswasser wird auf diese Weise angesaugt. Dreht sich die Pleuel­stange weiter, wird der Kolben zurückgeschoben (nach links in der Abbildung) und die Absperr­klappe wieder geschlossen. Gleichzeitig wird das Wasser aus dem Kolbenzylinder ausgestoßen (nach oben in der Abbildung) und dadurch die zweite Absperrklappe geöffnet. Das von dem Kolben verdrängte Wasser kann nun in dem Rohr (Schlauch) nach oben steigen.

Wenn der Kolben sich nach rechts bewegt (linkes Teilbild von Abb. 8), entsteht im Kolben­zylinder ein Unterdruck, der bewirkt, dass sich die Absperrklappe unter dem Druck des Wassers öffnet. Das Wasser wird angesaugt und füllt den Kolbenzylinder. Wenn sich der Kolben anschließend wieder nach links bewegt (rechtes Teilbild von Abb. 8), übt dieser auf das Wasser im Zylinder Druck aus, was dazu führt, dass sich die untere Absperrklappe wieder schließt. Infolgedessen kann das Wasser nicht wieder in Richtung Fluss (nach unten) fließen. Nun öffnet sich unter dem Druck des vom Kolben verdrängten Wassers die obere Absperrklappe und lässt das Wasser in das nach oben führende "Abflussrohr" abfließen.

Ein Zahnrad (das Kurbelrad) ist für die Rotation des Kolbens verantwortlich. Dieses Zahn­rad wird wiederum von weiteren Zahnrädern angetrieben, wobei das letzte im Flusswasser eintaucht, und durch die Wasserströmung in Drehbewegung versetzt wird.

Schritt 2: Das zweifache Ansaugen

Die al-Dschazari-Pumpe besteht aus zwei identischen Ansaugsystemen. Während auf der einen Seite des Kurbelrads ein Kolben das Wasser ansaugt, stößt ein zweiter Kolben, der sich auf der anderen Seite des Kurbelrads befindet, das Wasser im Zylinder wieder aus. Der Vorteil dieser Konstruktion wird in der Klasse diskutiert.

Schritt 3: Die Anzahl der Räder

Auch in der Anzahl der Räder unterscheidet sich die al-Dschazari-Pumpe von dem Modell im Schülerversuch. Das vertikal rotierende Rad treibt nicht direkt das horizontale Kurbelrad an. Beide Räder sind relativ weit voneinander entfernt. Bei al-Dschazari wird die Verbindung durch eine Stange (eine sogenannte Welle) und ein weiteres kleines Rad hergestellt. Die­ses zusätzliche kleine Rad greift in das horizontale Kurbelrad und ist mit dem Antriebsrad über die in ihrer Mitte gelagerte Welle verbunden. Das große Rad wird von der Strömung des Flusses bewegt, zieht über die Welle das kleine Rad mit, das schließlich das horizon­tale Kurbelrad in Rotation versetzt. Wie die Zeichnungen aus Abb. 9 zeigen, fällt es den Schüler/innen im Allgemeinen nicht schwer, die verschiedenen Bestandteile der Pumpe und ihre jeweilige Funktion beim Wassertransport richtig darzustellen.

Zeichnung: die fertige
Pumpe

Abb. 9: Zeichnungen der fertigen Pumpe

Die Klasse setzt die Untersuchungsreihe mit Unterstützung der/des Lehrenden fort und baut ein Wasserschöpfwerk nach al-Dschazari, mit zweifacher Ansaugvorrichtung, einem vertikal rotierenden Rad (das von der Strömung angetrieben wird) und mehreren horizon­talen Rädern. Statt der Absperrklappen werden die Absperrventile aus der ersten Aktivität eingesetzt, und statt der Spritzenkolben, die Holzstäbchen samt Kartonscheibe aus der zweiten Aktivität. Das so konstruierte Wasserschöpfwerk ist nur ein Modell mit wesentli­chen Einschränkungen:

  • Das Antriebsrad wird nicht von strömendem Wasser bewegt, sondern von Hand gedreht;
  • Die runden Kartonscheibchen schließen im Spritzenzylinder nicht gaz dicht, das Ansaugen funktioniert nicht besonders gut und die transportierte Wassermenge bleibt gering;
  • Da Absperrventile und nicht Absperrklappen eingesetzt werden, kann eine einzelne Person die Pumpe nicht bedienen – weil jemand gleichzeitig das Drehen des Antriebsrades übernehmen muss.

Diese Einschränkungen und ihre Ursachen (kein fließender Bach im Klassenzimmer, keine Absperrklappen verfügbar usw.) werden besprochen, die Schüler/innen können sie in der Regel gut nachvollziehen. Der Aufbau nützt in jedem Fall als konkrete Diskussionsgrund­lage und die Schüler/innen erkennen, wie "hydrostatische" und "mechanische" Komponen­ten der Wasserpumpe zusammenwirken.

Mit diesen "Grundlagen" im Hinterkopf können die Schüler/innen nun auf Literaturrecherche gehen und andere Wasserhebesysteme erkunden. Sie können diese mit der al-Dscha­zari-Pumpe vergleichen: archimedische Schraube, Schöpfrad, Göpel (im Bergbau auch Heinzenkunst oder Bulgenkunst genannt) usw.

Foto: die fertige Pumpe

Abb. 10: In der Klasse gebasteltes Modell der al-Dschazari-Pumpe

Die Schüler/innen können für Nabil, der die oben auf der Uferböschung stehenden Fadila gern mit einer kühlenden Dusche beglückt hätte, jetzt einen Brief schreiben, in dem sie ihm minutiös beschreiben, was er machen müsste. Und sie haben sich in den letzten Stunden konkret mit einer der schönsten, in mittelalterlichen arabischen Schriften zum ersten Mal beschriebenen technischen Erfindungen beschäftigen können.

Anmerkung

Man kann Wasser mit einer Spritze oder über einen Schlauch (zum Beispiel einem Strohhalm) ansaugen. Doch das ist nur bis zu einer bestimmten Höhe möglich: Die Grenze ist erreicht, wenn die vom Gewicht der Luft auf die Wasseroberfläche ausgeübte Druckkraft nicht mehr größer ist als die Kraft vom Gewicht der Wassersäule (auf Meeres­höhe ist dies bei einer Wassersäule von etwa 10 Metern der Fall).


Fußnoten

1: al-Jazari, Ibn al-Razzaz: The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices (Kitab fi marifat al-hiyal al-handasiyya), übersetzt und mit Anmerkungen von Donald R. Hill, Dord­recht, 1974

2: Der Artikel "Die sagenhafte (Wieder-) Aufnahme naturkundlichen Denkens in den mittel­alterlichen islamischen Reichen" stellt einige Autoren arabischer Schriften des Mittelalters im historischen/naturwissenschaftshistorischen Kontext vor.

Projektpartner

La main à la pâte Stiftung Sonnentaler