Class Set Statics

Der Begriff Statik leitet sich vom griechischen Wort Statikos ab, welches ins Deutsche übersetzt für „zum Stillstand bringen“, Verweilen und Ruhe steht. Unter Statik versteht man heute die Lehre vom Gleichgewicht der Kräfte. Sowohl in der Physik, in den Ingenieurswissenschaften, dem Bauingenieurswesen und in der Elektrotechnik spielt die Statik eine grundlegende Rolle. 
Die Einordnung der Statik als Teilgebiet der Physik (Mechanik) lässt sich durch die Klassifikation nach Art der Beschreibung der Bewegung veranschaulichen:

1. Kinematik: (geometrische) Beschreibung der Bewegung ohne Berücksichtigung der Kräfte.
2. Dynamik: Beschreibung der Bewegung und ihrer Veränderung unter wirkenden Kräften.
3. Kinetik: Beschreibung der Kräfte bei einer Bewegung.
4. Statik: Beschreibung der Kräfte bei ruhendem System (oder gleichförmiger Bewegung)

Die Statik wird daher überall dort angewendet, wo technische Konstruktionen Kräfteeinwirkungen ausgesetzt sind. Solche Kräfte sind zum Beispiel Gewichtskräfte, Naturkräfte (Wasser, Erdbeben, Wind), mechanische Kräfte (Dampfkraft, Explosionsgefahr) und Muskelkräfte. Neben diesen von außen wirkenden Kräften gibt es auch sogenannte innere Kräfte. Die Statik einer Konstruktion ergibt sich aus dem Verhältnis der inneren Kräfte. Diese treten immer paarweise auf, z.B. als Zug- oder Druckkraft in den Bauteilen eines Hängewerks.

Es bedarf daher keiner weiteren Erklärung, dass Häuser, Brücken, Türme, Kräne, Masten oder andere Konstruktionen so gebaut sein müssen, dass sie nicht unter ihrer eigenen Last oder unter fremder Last (Nutzlast) zusammenbrechen. Bei allen Bauvorhaben müssen daher alle denkbaren Kräfte bedacht werden, die jemals an einem Bauwerk auftreten können. Während die Statik als Lehre vom Gleichgewicht der inneren und äußeren Kräfte sich um die Darstellung materialunabhängiger Gesetzmäßigkeiten bemüht, kann der Konstrukteur mit Hilfe der Festigkeitslehre beurteilen, ob die Bauteile oder verwendeten Baustoffe die Ihnen zugedachte Beanspruchung aushalten werden.
Der Begriff Statik wird mehrdeutig verwendet und betrifft oft die theoretisch-mathematisch-physikalische Seite (Statik als Teilgebiet der Technischen Mechanik), während die Baustatik die Anwendung dieser Statik im Bauwesen zum Ziel hat. Die Baustatik oder die Statik der Baukonstruktionen ist die Lehre von der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Tragwerken im Bauwesen. In der Baustatik werden die Kräfte und deren gegenseitige Auswirkungen in einem Bauwerk sowie in jedem dazugehörigen Bauteil berechnet. 

Die komplexe Geschichte der Baustatik ist eng mit den Forschungen und Veröffentlichungen von so vielen Gelehrten und Wissenschaftlern verknüpft, sodass an dieser Stelle nur Autoren gelistet sind, die unmittelbar die thematischen Inhalte und Fachbegriffe der Statik-Lernbaukästen betreffen.

• Archimedes (287–212 v. Chr.) Hebelgesetz
• Leonardo da Vinci (1452–1519) erste anschauliche Überlegungen zur Gewölbewirkung und Balkenbiegung, qualitative Aussagen zur Tragfähigkeit
• Simon Stevin (1548–1620) flämischer Mathematiker, Physiker und Ingenieur. Parallelogramm der Kräfte, Statik fester Körper und der Flüssigkeiten; Einführung der Dezimalstellen
• Galileo Galilei (1564–1642) Prinzipien der Mechanik, Festigkeitslehre und Fallgesetze
• Edme Mariotte (1620–1684) – Spannungsverteilung – „Achse des Gleichgewichts“
• Robert Hooke (1635–1703) Proportionalitätsgesetz
• Sir Isaac Newton (1643–1727) Begründer der klassischen theoretischen Physik und damit der exakten Naturwissenschaften, mathematische Grundlagen der Naturwissenschaften, Formulierung der drei Bewegungssätze, Gleichgewicht der Kräfte, Infinitesimalrechnung
• Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) – Widerstandsmomente, Infinitesimalrechnung
• Jakob I Bernoulli (1655–1705) Krümmung des elastischen Balkens, Zusammenhang zwischen Belastung und Biegung; Ebenbleiben der Querschnitte
• Pierre de Varignon (1654–1722) französischer Mathematiker. Zusammensetzung der Kräfte, Gesetz vom Kräfteparallelogramm (Varignon-Parallelogramm), Begriff des Kraftmoments, Seilpolygon
• Antoine Parent (1666–1716) – Dreieckige Verteilung der Zugspannung
• Jakob Leupold (1674–1727) – Durchbiegung und Tragfähigkeit
• Pierre Couplet Starrkörper-Theorie des Gewölbes 1730
• Thomas Le Seur (1703–1770), französischer Mathematiker und Physiker; erstes erhaltenes statisches Gutachten 1742 (für die Kuppel des Petersdoms), mit François Jacquier (1711–1788) und Rugjer Josip Bošković (1711–1787)
• Louis Poinsot (1777–1859) Kräftepaar 1803
• Claude Henri Navier (1785–1836) Theorie der Hängebrücke 1823; erste umfassende Baustatik, Technische Biegelehre 1826; Untersuchung statisch unbestimmter
• Karl Culmann (1821–1881) Fachwerktheorie 1851; grafische Statik 1866
• August Ritter (1826–1908) Ritter'sches Schnittverfahren für statisch bestimmte Fachwerke 1861
• Luigi Cremona (1830–1903) Zeichnerische Bestimmung der Stabkräfte in statisch bestimmten Fachwerken ("Cremonaplan“)

Da von instabilen Gebäuden viele Gefahren ausgehen können, ist die Baustatik seit mehreren tausend Jahren auch Gegenstand von Gesetzgebung und Rechtsprechung. Schon in den frühen Kulturen Mesopotamiens gab es spezielle Strafvorschriften für Baumeister, deren Gebäude durch Einsturz Menschen töteten, so im Codex Hammurapi, einer Rechtssammlung des Königs Hammurapis von Babylon (* 1810 v. Chr.; † 1750 v. Chr.).

Statische Vorschriften im engeren Sinn, die eine bestimmte Qualität vorgeben, sind geschichtlich jünger. Im Jahr 27 n. Chr. z. B. brach in Fidenae nördlich von Rom ein zu billig gebautes hölzernes Amphitheater zusammen, wobei es nach der Beschreibung des römischen Geschichtsschreibers Publius Cornelius Tacitus (* um 58 n. Chr.; † um 120) Tausende von Todesopfern gab. [3] Daraufhin erließ der Senat von Rom statische Vorschriften.

Das Statik Class Set für die Primarstufe und STEM Statics für die Sekundarstufe kann nur als eine Einführung in ausgewählte statische Sachverhalte verstanden werden. Das Anspruchsniveau ist bewusst an den aktuellen Lehrplananforderungen des jeweiligen Adressatenkreises ausgerichtet und die Aufgabenblätter kompetenzorientiert formuliert. Ziel ist es, das eigene Denken beim Problemlösen zu kontrollieren, reflektieren und zu bewerten und so neues Wissen aufzubauen. Selbständig oder im Team bauen Schüler*innen einfache und anspruchsvollere Modelle. Prozessbezogene Kompetenzen werden durch das Lösen von Problemstellungen, dem vertieften Erforschen und Anregungen für kreative Änderungen der Modelle gefördert.

Primäres Lernziel in der Primarstufe ist das Statisch-konstruktive Bauen und den Blick der Kinder für die Sie umgebenden statischen und konstruktiven Sachverhalte zu schärfen.
Weitere Themen und Lernziele der Primarstufe, die das Class SET Statics abbildet, sind unter anderem:

• Stabilität und Festigkeit bei technischen Konstruktionen
• Zusammenhänge zwischen Tragfähigkeit und Verbindung der Bauelemente entdecken
• Gebäude, Tragwerke experimentell bauen
• Funktionsmerkmale von Tragwerken
• Fachwerke
• System von Träger und Stütze kennen lernen
• Die Skelettbauweise in verschiedenen Bauwerken ihrer Umwelt wieder erkennen
• Druck- und Zugkräfte, das System des Dreiecksverbands begreifen
• Merkmale einer stabilen Konstruktion auf eine bewegliche übertragen
• Standsicherheit/Gleichgewicht
• Zweiseitiger Hebelarm
• Das Erlernen von Fachbegriffen

In der Sekundarstufe behandelt STEM Statics neben der Umsetzung statischer Prinzipien am Beispiel von Modellen unter anderem:

• das Anwenden physikalischer Denk- und Arbeitsweisen
• Grundgesetze der Statik
• die zweidimensionale Bestimmung von Zug- und Druckkräften
• Kräfte im Gleichgewicht ruhender Körper
• Hookesches Gesetz
• Kraftkomponenten, schiefe Ebene, Gleichgewicht, Drehmoment, Hebelgesetz, Schwerpunkt, Gleichgewichtsarten
• Das Erlernen von Fachbegriffen

Der Spaß am Konstruieren und Tüfteln sind ebenso wichtige Elemente wie die spielerische Erarbeitung relevanter Fachbegriffe anhand einer Vielzahl von Aufgaben und deren Lösungsbeispielen.