Häufig gestellte Fragen über das begehbare Sonnensystem

Um die Aufmerksamkeit der Schülerinnen und Schüler während der „Entdeckungsstunde“ aufrechtzuerhalten, kann eine Zeichnung des begehbaren Sonnensystems zur Verfügung gestellt werden. Die zu identifizierenden Elemente sind unten aufgeführt. Diese Liste kann im Voraus zur Verfügung gestellt werden, muss es aber nicht. Es ist eine gute Idee, die Schülerinnen und Schüler selbst recherchieren zu lassen und nur darauf hinzuweisen, dass es noch viel zu finden gibt.

Die Symbole des begehbaren Sonnensystems stehen in Zusammenhang mit: 

• Objekten des Sonnensystems (Scheibe 0 besteht  pro Bahn aus einem Bild: Planeten, Kometen, manchmal ein Zwergplanet, die Sonne), 
• ihren Bahnen (die Scheiben und die verschiedenen Zahlenfolgen, die verschiedenen Farben)   
• der Entfernungsskala (ein mit 1 A.U. markierter Balken)
• der Dauerskala (ein Satz oder eine Interpretation der Bewegung der Objekte von einer Scheibe zur nächsten; siehe unten für eine Beschreibung dieses Begriffs).

Es ist ratsam, die Begriffe Position/Distanz und Moment/Dauer häufig zu verwenden, wenn Sie wiederholen, was die Schüler gesagt haben, oder in den Momenten der Institutionalisierung (siehe unten für die Beschreibung der Choreographie).

Hingegen ist es ratsam, die Begriffe Geschwindigkeit oder Tempo nicht als erstes zu erwähnen. Kein Zeichen auf der Welt hat einen direkten Bezug zur Geschwindigkeit. Andererseits sind mehrere Formen von „Geschwindigkeit“ mit der Bewegung auf dem Orrery verbunden, was ihr Verständnis komplexer macht (siehe den Begriff der „Geschwindigkeiten“ weiter unten).

Am Ende der Seite finden Sie ein „Wörterbuch“ der „Begehbares-Sonnenystem-Wörter“. http://planetaire.over-blog.com/de

Die einzige Voraussetzung für ein Objekt im Sonnensystem ist eine geschlossene Umlaufbahn um die Sonne, d. h. eine Bahn, die die Sonne „umrundet“. Das Sonnensystem setzt sich aus einer Vielzahl von Objekten zusammen. Je nach ihrer Masse haben sie unterschiedliche Bezeichnungen. 

Um ein „Komet“ oder ein „Asteroid“ zu sein, muss man ein „großer Fels“ sein.

Um ein Zwergplanet zu sein, muss man der größte Felsen in seiner Umlaufbahn sein.

Um ein Gesteinsplanet zu sein, muss er das einzige Gestein in seiner Umlaufbahn sein, d. h. er muss eine große Masse haben und alle anderen Gesteinsbrocken in seiner Umlaufbahn beseitigt haben (sie wurden alle entweder ausgestoßen oder sind zu einem großen Gestein verschmolzen, oder sie wurden als Satelliten um den Planeten verfolgt).

Um ein Gasplanet (wie Jupiter) zu sein, muss er massiv sein, etwa 1000 Mal massiver als ein Gesteinsplanet!

Um der Satellit eines Planeten zu sein, muss er diesen nur umkreisen (und damit auch seiner Umlaufbahn um die Sonne folgen…).

Um ein Stern zu sein, muss er sogar noch massiver sein, etwa 1000-mal massiver als ein Gasplanet, und zwar so massiv, dass in seinem Inneren Kernreaktionen stattfinden können!

Masse und Größe der Objekte sind jedoch nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die einzige verfügbare Information ist das Vorhandensein geschlossener Bahnen um eine zentrale Scheibe, was uns – in Kenntnis des Kontextes – zu der Schlussfolgerung führt, dass es sich wahrscheinlich um Objekte des Sonnensystems in einer heliozentrischen Darstellung handelt, in der die Sonne fixiert ist. Sie müssen dann die wissenschaftlichen Kenntnisse der Schüler heranziehen, um gemeinsam zu entscheiden, dass die Scheibe im „Zentrum“ die Sonne ist; zu wissen, dass die Bahnen der Planeten „ziemlich kreisförmig“ sind, um die ersten „kreisförmigen“ Bahnen mit den vier inneren Planeten in Verbindung zu bringen und zu entscheiden, dass das Objekt mit einer sehr elliptischen Bahn kein Planet ist. Die Lehrkraft muss dann den Namen des Kometen (Encke) nennen, der den Schülerinnen und Schülern nicht bekannt sein darf.

Die Schüler versuchen immer, den Mond zu finden. Wenn Ihr Sonnensystem Zeichnungen habt, kann der Mond wie Merkur oder ein Komet aussehen.

Hinweise: Der Mond muss sich in Erdnähe befinden und die Erde in einem Monat umkreisen. Kein Objekt auf dem Sonnensystem erfüllt diese beiden Kriterien.

Schlussfolgerung: Der Mond ist nicht vertreten. Wenn Sie den Abstand zwischen Erde und Mond mit dem für den Sonnensystem verwendeten Maßstab messen, werden Sie feststellen, dass er sich unter der Erdscheibe befindet. 

Ein Hinweis: Die Größen der Objekte sind auf dem Sonnensystem nicht maßstabsgerecht. Sie haben alle den gleichen Durchmesser, was bei natürlichen Objekten nicht der Fall ist. Die Tatsache, dass der Mond klein ist, erklärt also nicht, warum er nicht abgebildet ist.

Meteoriten sind Gesteinsbrocken, die aus dem Weltraum kommen, in die Atmosphäre eines Planeten eindringen (man nennt sie dann Meteore), verglühen (man nennt sie Sternschnuppen, wenn man sie in der Nacht sieht) und auf den Boden des Planeten fallen. Meteoriten sind also Gesteine auf dem Boden eines Planeten, die aus dem Weltraum stammen. Daher gehören sie nicht in das begehbare Sonnensystem.

Eine Reihe von Scheiben (in derselben Farbe oder Form, je nach Planet) repräsentiert die aufeinanderfolgenden Positionen eines Objekts im Sonnensystem in regelmäßigen Zeitabständen. Jede Scheibe entspricht der Position des Objekts zu einem bestimmten Zeitpunkt. Es handelt sich um eine Art Chronofotografie der Bewegung des Objekts entlang seiner Umlaufbahn während eines gesamten Umlaufs um die Sonne. Im Fall von Merkur können die Scheiben manchmal zwei Umläufe von Merkur abbilden (siehe unten für die Berechnung eines Jahres für jede Umlaufbahn des Planeten). Wenn es sich bei dem Objekt um einen Planeten handelt, bewegt sich effektiv nur dieses eine Objekt (und seine Monde) auf dieser Umlaufbahn. 

Ist das Objekt kein Planet, befinden sich andere – kleinere – Objekte in seiner Umlaufbahn. Die gesamte Umlaufbahn eines Kometen ist mit winzigen Staubpartikeln gefüllt. An den Tagen, an denen die Umlaufbahn der Erde und die des Kometen sich kreuzen, kann dieser Staub in die Erdatmosphäre eintreten. Beim Verglühen wird der Staub von der Erdoberfläche aus als „Sternschnuppe“ sichtbar (falls dies nachts geschieht).

Am auf dem begehbaren Sonnensystem angezeigten Datum befanden sich alle dargestellten Objekte an der Position der Scheibe Nummer 0. Diese Angabe ermöglicht es, die Jahreszeiten auf der Umlaufbahn der Erde zu bestimmen und die Positionen aller Objekte an jedem beliebigen Datum zu ermitteln. Beachte, dass sich die tatsächlichen Positionen mit jedem Umlauf verschieben (siehe Konzept des Jahres unten). 

Die Wahl der Farben hat keinen Bezug zu den Eigenschaften der verschiedenen Objekte. Nur die Umlaufbahnen der Erde und des Mars sind in der Regel blau bzw. rot eingefärbt. Diese beiden Farben stehen insbesondere nicht in Zusammenhang mit Temperaturunterschieden (wie Schülerinnen und Schüler manchmal vermuten).

In Schulen erstellte begehbare Sonnensysteme enthalten selten Abbildungen der Planeten an ihrem Ausgangspunkt. Auf gedruckten Planetenmodellen hingegen werden authentische Bilder der verschiedenen Objekte verwendet. So können die gewählten Darstellungen für das Sonnensystem diskutiert werden. Zum Beispiel sollte das Bild der Erde den Nordpol (mit einem leichten Neigungswinkel) zeigen. Der Schatten, der auf Abbildungen von Planeten zu sehen sein kann, sollte mit der Richtung zur Sonne übereinstimmen. Dies ist bei manchen gedruckten Sonnensystemen nicht immer der Fall. 

Die Astronomische Einheit ist eine Maßeinheit für Entfernungen im Sonnensystem.

In einem anfänglich kreisförmigen Modell entspricht sie der Entfernung zwischen Erde und Sonne. Bei der Entdeckung des Sonnensystems können Schülerinnen und Schüler mit Armen, Beinen, einem Seil oder einem Lineal die Länge des Maßstabs abschätzen und auf dem Sonnensystem ermitteln. Sie werden dann feststellen, dass die Länge des Maßstabs der Entfernung zwischen Sonne und einem Punkt auf der Erde entspricht.

In einem fortschrittlicheren nicht-kreisförmigen oder elliptischen Modell entspricht die Astronomische Einheit der durchschnittlichen Entfernung zwischen Erde und Sonne. Dies können Schülerinnen und Schüler in einer Einheit über die Form von Umlaufbahnen anhand genauerer Messungen entdecken.

Wir wissen heute, dass die Erdumlaufbahn nicht vollkommen stabil ist. Sie verändert sich leicht, hauptsächlich aufgrund des Einflusses von Jupiter und Saturn. Die Internationale Astronomische Union legte 2012 die Umrechnung zwischen der Astronomischen Einheit und der Maßeinheit Meter fest: 1 AE = 149.597.870.700 Meter.

Auf allen Planeten entspricht die Zeiteinheit der Zeit, die für einen Schritt benötigt wird.
Auf einigen Planeten ist die Zeiteinheit angegeben (Fall 1). Sie beträgt üblicherweise 16 Erdentage.
Ist sie nicht angegeben, entspricht sie der Dauer eines Erdenjahres, geteilt durch die Anzahl der Scheiben auf der Erdumlaufbahn (Fall 2). Wenn es 24 Scheiben gibt, beträgt die Zeiteinheit 15,2 Erdentage.

Die Beschreibung des Sonnensystems basiert auf Beobachtungen und ist ein Modell. Die ersten Modelle – sowohl historisch als auch im Schulunterricht – beschrieben kreisförmige Umlaufbahnen mit der Sonne im Zentrum. Später ermöglichten präzisere Messungen und bessere Interpretationen, dass J. Kepler erkannte, dass die Umlaufbahnen Ellipsen sind, wobei die Sonne in einem der beiden Brennpunkte liegt.

Die Unterrichtseinheit über die Form der Umlaufbahnen erlaubt es, das erste kreisförmige Modell – basierend auf einer anfänglichen Wahrnehmung – mit einem Modell zu verbinden, bei dem die Sonne nicht das Zentrum jeder Umlaufbahn ist. Dennoch kann die Sonne weiterhin als Zentrum des Sonnensystems betrachtet werden. Das Modell der Ellipse kann durch die Anwendung der „Gärtner-Konstruktion“ eingeführt werden.

Theoretisch ist jede Planetenbahn im begehbaren Sonnensystem eine Ellipse. Aufgrund der Darstellungsdimensionen und der Ungenauigkeiten der Repräsentation (Scheibengröße, Linienbreite usw.) können jedoch einige Bahnen, wie die von Mars, Erde und Merkur, als kreisförmig betrachtet werden. Zudem kann die Position der Sonne das Verständnis der Schüler beeinflussen. So kann beispielsweise Merkur als nicht kreisförmig wahrgenommen werden, da die Sonne nicht im Zentrum seiner Bahn liegt.

Die Dauer eines Schritts ist für alle gleich, unabhängig von der Position auf der Umlaufbahn. Die Dauer eines Planetenjahres ergibt sich daher aus der Zeit pro Schritt multipliziert mit der Anzahl der Schritte. Für die Umlaufbahnen von Venus, Erde und Mars entspricht die Anzahl der Schritte der Anzahl der Scheiben.

Auf der Bahn von Merkur muss der Schüler bei einer Zeiteinheit von 16 Tagen (Fall 1) die Bahn zweimal umrunden, um zum Ausgangspunkt zurückzukehren. Beträgt die Zeiteinheit jedoch 15,2 Tage (Fall 2), tritt dieses Problem nicht auf.

Bei der Umlaufbahn des Kometen müssen drei Schritte zwischen zwei Scheiben gezählt werden.

Bitte beachten Sie, dass das berechnete Jahr im begehbaren Sonnensystem nicht dem tatsächlichen Jahr entspricht. Dies liegt nicht an einem „Fehler“ im Modell, sondern daran, dass die Dauer des letzten Schritts, um zum Ausgangspunkt zurückzukehren, nicht zwangsläufig der Zeiteinheit entspricht. Daraus ergibt sich eine Zeitabweichung pro Umlauf. Diese Abweichung ist gleich dem Rest der euklidischen Division zwischen der tatsächlichen Dauer eines Jahres und der Anzahl der Schritte für einen vollständigen Umlauf.

Unsere Kalender verwenden den Tag als Zeiteinheit. Nach 365 Tagen hat die Erde ihren Ausgangspunkt noch nicht ganz erreicht; es fehlen etwa ein Viertel eines Tages. Trotzdem beginnen wir am 1. Januar erneut. So entsteht eine Abweichung zwischen Kalender und Realität. Alle vier Jahre summiert sich diese Abweichung zu einem Tag. Wir fügen daher einen Tag hinzu (den 29. Februar), um den Kalender wieder anzupassen.

Die Umlaufbahnen sind nicht alle koplanar. Selbst wenn der Komet die Umlaufbahn der Erde genau dann kreuzt, wenn die Erde diese ebenfalls kreuzt, kommt es zu keiner Kollision, da der Komet vermutlich ober- oder unterhalb der Erdumlaufbahn liegt.

Alle Planeten rotieren um ihre eigene Achse, während sie die Sonne umkreisen.

Die Dauer einer Umlaufbewegung entspricht einem Jahr für jeden Planeten (siehe die Einheit über Alter).

Die Dauer einer Rotation und die einer Umlaufbewegung sind unabhängig voneinander. Zum Beispiel rotiert Merkur während eines Umlaufs etwa zwei Mal, während die Erde 365 Mal rotiert.

Ist die Rotationsdauer wesentlich kürzer als ein Jahr, so entspricht sie dem Wechsel von Tag und Nacht (wie bei der Erde!). Wenn die Rotationsdauer gleich der Umlaufdauer ist, zeigt immer dieselbe Hälfte der Oberfläche zur Sonne, während die andere Hälfte sie nie sieht. Dies ist der Fall bei der Umlaufbahn des Mondes um die Erde: Von der Erde aus sehen wir immer dieselbe Mondhälfte.

Merkur, Erde und Mars rotieren in dieselbe Richtung, in der sie auch die Sonne umkreisen, während Venus in die entgegengesetzte Richtung rotiert.

Wenn der Schüler oder die Schülerin, der/die die Erde spielt, die Rotation der Erde darstellen möchte, müsste er/sie sich 16 Mal zwischen zwei Scheiben drehen. Das wird schnell entmutigen! Im Gegensatz dazu kann Merkur versuchen, sich während eines Umlaufs nur zweimal zu drehen (aber nur wenige Schüler*innen schlagen dies vor).

You may find a „dictionary“ of „Human Orrery words„  at the bottom of the page http://planetaire.over-blog.com/en.

Am Ende der Seite http://planetaire.over-blog.com/en findet sich ein „Wörterbuch“ der Begriffe aus dem Bereich „begehbares Sonnensystem“. 

Länge wird als die Distanz zwischen zwei Scheiben wahrgenommen, d. h. von einer Position zur nächsten (siehe die Buchstaben im Bild unten). Momente werden durch die erzeugten Geräusche wahrgenommen. 

Bei jedem Moment landet ein Fuß auf einer Scheibe (Bilder 1, 3 und 5 unten). Dies erzeugt den Eindruck von Diskontinuität, der durch die Betonung auf die Dauer des Schritts – also der Zeitspanne zwischen zwei Momenten – reduziert werden sollte (Bilder 2 und 4 unten). Diese Schrittdauer entspricht der Stille zwischen zwei Geräuschen.

Die Scheiben sind in Dreiergruppen nummeriert. Ein Schüler oder eine Schülerin könnte darauf kommen, drei Geräusche abzuwarten, bevor er/sie zur nächsten Scheibe geht. Aber der Komet kann nicht warten…

Entweder macht der Schüler/die Schülerin einen Schritt, der die Dauer von drei Geräuschen umfasst (d. h., er/sie braucht dreimal so lange für einen Schritt), oder er/sie macht drei Schritte, um zur nächsten Scheibe zu gelangen (dabei hat jeder Schritt dieselbe Dauer wie alle anderen, aber zwei Schritte sind kürzer, bevor die nächste Scheibe erreicht wird).

Bewegung im begehbaren Sonnensystem kann in Bezug auf verschiedene „Formen“ von Geschwindigkeit beschrieben oder wahrgenommen werden:

• Die durchschnittliche lineare Geschwindigkeit wird über eine Strecke berechnet, indem die zurückgelegte Distanz zwischen einer Anfangsposition zum Zeitpunkt des Starts und einer Endposition zum Zeitpunkt der Ankunft durch die dafür benötigte Dauer geteilt wird. Im begehbaren Sonnensystem kann jede beliebige Paarung von Scheiben auf einer Umlaufbahn genutzt werden, um diese Geschwindigkeit zu berechnen. Die Zeitdauer ist dabei bekannt. Das Messen der Distanz kann jedoch problematisch sein, da der genaue Pfad zwischen zwei Scheiben unbekannt ist (es ist keine gerade Linie), und die Position sollte eigentlich das Zentrum der Scheiben sein, was jedoch immer dargestellt werden müsste. Daraus ergibt sich eine Unsicherheit bei der Messung der Distanz und der Berechnung der Geschwindigkeit. Im Fall einer Umlaufbahn wird die durchschnittliche lineare Geschwindigkeit oft berechnet, indem der Umfang der Umlaufbahn durch die Umlaufzeit geteilt wird.
• Die momentane lineare Geschwindigkeit ist die mathematische Interpretation der Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie wird als Grenzwert der durchschnittlichen Geschwindigkeit berechnet, wenn Zeit (oder Distanz) gegen Null strebt. Auf dem begehbaren Sonnensystem kann sie auf diese Weise nicht berechnet werden. Wenn man annimmt, dass die linearen Geschwindigkeiten der Planeten konstant sind (was bei kreisförmigen Umlaufbahnen der Fall wäre), entspricht die momentane lineare Geschwindigkeit der Steigung des Graphen, der die Distanz und die Zeit miteinander verknüpft. Ein solcher Graph kann auf dem begehbaren Sonnensystem erstellt werden, indem mehrere Paare von Scheiben derselben Umlaufbahn genutzt werden (wie in der Sitzung über Geschwindigkeit vorgeschlagen).
• Winkelgeschwindigkeit: Um diese Geschwindigkeit zu definieren, muss ein zentraler Punkt festgelegt werden, um einen Winkel zu beschreiben. Logischerweise ist dies die Sonne. Die beobachtete Größe ist dann der Winkel, der durch die beiden Halbgeraden [Sonne, Startposition] und [Sonne, Endposition] definiert wird. Die Winkelgeschwindigkeit entspricht dem Verhältnis zwischen diesem Winkel und der Dauer zwischen Abfahrts- und Ankunftszeit. Im Fall einer Umlaufbahn wird die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit oft berechnet, indem 360° durch die Umlaufzeit geteilt wird.

Schließlich ist die vom Körper empfundene Geschwindigkeit wahrscheinlich momentane Geschwindigkeit, jedoch ist nicht eindeutig, ob es sich um lineare oder Winkelgeschwindigkeit handelt oder um einen Vergleich der Geschwindigkeiten zwischen zwei Personen oder zwischen einer Person und ihrer Umgebung.

Das Trio (Geschwindigkeit, Strecke, Zeit) kann daher mit (linearer Geschwindigkeit, Umfang, Umlaufzeit) oder auch mit (Winkelgeschwindigkeit, vollständige Drehung von 360°, Umlaufzeit) assoziiert werden. Das Denken der Schülerinnen und Schüler wird sich auf eines dieser Konzepte von Geschwindigkeit beziehen, und sie werden Vergleiche anstellen, indem sie einen der drei Parameter festlegen (dies wird als kausal-lineares Denken bezeichnet).

All diese Schwierigkeiten deuten darauf hin, dass die Geschwindigkeiten nicht zu früh bei der Nutzung des begehbaren Sonnensystems thematisiert werden sollten. Eine separate Sitzung mit einigen vorbereitenden oder „Aufwärm“-Übungen sollte hierfür vorgesehen werden!