Mit freundlicher Genehmigung des Verlags.Wer im Sommer auf Reisen war, ist vielleicht mit dem Schiff durch eine Schleuse gefahren und hat sich gefragt, was da genau passiert. ZHAW-Dozent Frank Huber war auch unterwegs. Er hat sich in London die berühmte Tower Bridge ganz genau angeschaut

Huber, Frank

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32 aktuelletechnik.ch 9 | 2015Wie funktioniert die  Tower Bridge?Wer im Sommer auf Reisen war, ist vielleicht mit dem Schiff durch eine Schleuse gefahren und hat sich gefragt, was da genau pas-siert. ZHAW-Dozent Frank Huber war auch unterwegs. Er hat sich in London die berühmte Tower Bridge ganz genau angeschaut.Die «at»-Bande (v.l.): Liv, Maxi, Seon, Willi, Ben, Luz, Valerie, Julius, Christiaan. Der Experte: Frank Huber ist Dozent für Produktent-wicklung an der ZHAW School of Engineering.INTERDISZIPLINÄRKINDER FRAGEN EXPERTEN1 Wie funktioniert die Tower Bridge?Wer kennt sie nicht, die wohl berühm-teste Klappbrücke der Welt: die Tower Bridge in London? Die Errichtung dieser Brücke be-anspruchte acht Jahre Bauzeit, 30 000 Tonnen Stein, 11 000 Tonnen Stahl sowie 2 000 000 Nieten und Baukosten in der Höhe von um-gerechnet rund 1,8 Millionen Franken. Nicht nur diese eindrücklichen Zahlen lassen er-staunen, sondern auch die Funktionsweise des Klappmechanismus. Wie ist es den Inge-nieuren gelungen, die Brückenklappen mit einem Gewicht von je über 1000 Tonnen in weniger als zwei Minuten auf einen maxima-len Neigungswinkel von 86° hochzuklappen? Für diese technische Meisterleistung war ein ausgeklügeltes hydraulisches System verant-wortlich, das ursprünglich auf Wasserdruck basierte. Ja richtig, zum Betrieb der Brücke nutzte man die Wasserkraft! Die so erzeugte Energie wurde für das Öffnen und Schliessen der beiden Brückenteile, die Aufzüge zu den Fussgängerübergängen und selbst für das Signalsystem eingesetzt und war mehr als ausreichend.Vier mit Kohle geheizte Dampfkessel unter dem Südteil der Brücke erzeugten einen Dampfdruck von 5 bis 5,5 bar. Dieser Dampf-druck setzte zwei riesige Kolbendampfma-schinen in Bewegung, die Wasser unter einem Druck von 52 bar in das Hydrauliksystem Die Tower Bridge ist insgesamt 244 m lang. Die Höhe der Fussgängerbrücke beträgt 43 m.Funktionsweise des Klappmechanismus.339 | 2015 aktuelletechnik.chStarke Laser können sogar Metalle schneiden.Kinderuniversität WinterthurAm 21. Oktober 2015 öffnen sich an der Kinderuniversität erneut die Türen zur Welt der Wissenschaft. Alle vierzehn Tage können Kinder der 4. bis 6. Klasse an sechs Mittwoch-nachmittagen an der ZHAW School of Engineering in ein neues Thema eintauchen.Informationen zum Programm und Anmeldung: www.kinderuniversitaet-winterthur.chpumpten. Damit ausreichend Energie für ein rasches Hochschwingen der Brückenklappen vorhanden war, brauchte es also genügend Wasser. Deshalb wurde das Wasser in grossen, mit Gewichten belasteten Druck behältern gespeichert – den sogenannten Akkumulato-ren. Sobald der Mechanismus ausgelöst wurde, entluden sich die Akkumulatoren durch die Gewichtskraft und trieben mit dem darin gespeicherten Wasser acht hydraulische Mo-toren an, die über Zahnräder und Zahnseg-mente die Brückenklappen anhoben. Damit das Hochschwingen über die 50 cm grossen Hauptdrehzapfenlager möglichst energieeffi-zient geschehen konnte, waren die Brücken-klappen mit Gegengewichten ausgestattet. 1974 wurde das hydraulische System von Wasser- auf Ölhydraulik umgestellt. Anstelle der Dampfmaschinen erzeugen nun elektrisch betriebene Kolbenpumpen den erforderlichen Öldruck, der direkt über Hydraulikmotoren und Zahnräder die Klappen antreibt. Das Maschinenhaus mit den Dampfmaschinen wurde ausser Betrieb genommen und kann heute besichtigt werden.2 Wie funktioniert eine Schleuse?Eine Fahrt mit dem Schiff ist immer eine aufregende Sache. Besonders spannend wird es, wenn das Schiff in eine Schleuse fährt. Schleusen sind wichtig für die Schifffahrt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, die zwischen schiff-baren Flüssen oder Kanälen liegenden Land-strecken oder andere Hindernisse, wie zum Beispiel einen Wasserfall, zu überbrücken. Aber wie funktioniert eigentlich eine Schleuse? Durch Füllen oder Entleeren der Schleusen-kammer steigt der Wasserstand, oder er fällt. Dadurch wird das Schiff in der Schleuse ent-weder gehoben oder abgesenkt. Und das geht so: Um zu Tal, also abwärts, zu schleusen, läuft das Schiff vom Oberwasser durch das offene Obertor in die Schleusenkammer ein. Hinter dem Schiff schliesst sich das Obertor wasserdicht. Dann werden die Schieber unter dem Untertor geöffnet, sodass das Wasser aus der Schleusenkammer in das Unterwasser abfliesst. Der Wasserstand in der Schleusen-kammer sinkt nun langsam abwärts, und mit ihm sinkt auch das Schiff nach unten – so lange, bis der Wasserstand in der Schleusen-kammer das Niveau des Unterwassers erreicht hat. Schliesslich öffnet sich das Untertor und das Schiff kann aus der Schleusenkammer in das Unterwasser laufen.Angenommen, ein Schiff will zu Berg, also aufwärts geschleust werden: Vom Unterwas-ser kommend läuft es durch das geöffnete Untertor in die Schleusenkammer ein. Das Obertor ist wasserdicht geschlossen. Hinter dem Schiff schliesst sich jetzt auch das Un-tertor. Dann werden die Schieber unter dem Obertor geöffnet. Dadurch strömt Oberwas-ser von unten in die Schleuse ein. So steigt der Wasserstand in der Schleusenkammer an. Mit dem steigenden Wasserstand wird auch das Schiff angehoben – ohne Einsatz von Energie, allein durch den Druck des Ober-wassers – so lange, bis der Wasserstand in der Schleusenkammer das Niveau des Ober-wassers erreicht hat. Dann öffnet sich das Obertor. Das Schiff hat das Hindernis über-wunden und kann die Schleuse verlassen. Das ist natürlich nur eine ganz einfache Darstel-lung. So eine Schleuse ist technisch sehr aufwendig. Es gibt ganz verschiedene Sorten von Schleusen, und bis ein Schiff da durch ist, kann es je nach Grösse von Schiff und Schleuse auch ein paar Stunden dauern. Be-dient werden die Schleusen entweder von Schleusenwärtern oder manchmal auch von Ein Schiff wird aufwärts geschleust.der Bootsbesatzung selber. Dies geschieht meist elektrisch. Bei kleineren Schleusen kann es durchaus vorkommen, dass man die Tore und Schieber von Hand aufdrehen muss. Das ist dann ein ganz schönes Stück Arbeit.3 Wie funktioniert ein Laser?Laser begegnen uns überall im Alltag. Beim Einkaufen zum Beispiel liest ein Laser den Strichcode auf den Produkten und erfasst so den richtigen Preis. Auch im CD-Player ist es ein Laser, der die Musik von der Scheibe liest. Laser können aber auch in der Medizin eingesetzt werden, um Krankheiten zu erken-nen. Und in der Industrie können extra starke Laser sogar Metalle schneiden. Die Funktio-nen von Lasern sind also sehr vielfältig. Aber wie sieht die Technik dahinter eigentlich aus? Ein Laser funktioniert mit einem Behälter wie etwa einer Glasröhre. Darin ist links und rechts ein Spiegel angebracht. Zwischen den Spiegeln befindet sich ein aktives Medium, beispiels-weise ein Gas wie Kohlendioxid (CO). Nun muss diesem Medium noch Energie zugeführt werden. Das passiert in der Regel elektrisch, also mit Strom aus der Steckdose. Die gesamte Einheit nennt man dann Laserresonator. La-serresonatoren bestehen meist nicht nur aus Spiegeln, sondern besitzen zusätzliche Linsen und andere optische Bauteile, die den Reso-nator noch verbessern. Das Gas im Behälter besteht aus Gasatomen. Durch die Energie-zufuhr werden diese Gasatome angeregt. Das bedeutet, dass sich die Elektronen der Atome zu bewegen beginnen. Bei ihrer Bewegung geben die Elektronen Energie in Form von Licht ab. Im Gas gibt es auch Photonen. Das sind Lichtteilchen, die von den Gasatomen ausgesendet werden und wiederum weitere Photonen anstecken. Zwischen den Spiegeln werden diese Photonen x-mal reflektiert, und regen dadurch immer weitere an. Das kannst du dir vorstellen wie die Kugel in einem Flipperkasten, die zwischen zwei Wänden hin und her geschleudert wird. Aber die Lichtteilchen werden natürlich viel schneller reflektiert. Dadurch entsteht immer mehr Licht, welches nach und nach verstärkt und gebündelt wird. Einer der beiden Spiegel ist leicht transparent und kann etwas Licht durch-lassen. Ist das Licht hell genug, tritt ein Teil davon durch diesen Spiegel aus. Das ist dann das gebündelte Laserlicht.  Funktionsweise eines Laserresonators.

Wie funktioniert die Tower Bridge?

32 aktuelletechnik.ch 9 | 2015
Wie funktioniert die 
 Tower Bridge?
Wer im Sommer auf Reisen war, 
ist vielleicht mit dem Schiff durch 
eine Schleuse gefahren und hat 
sich gefragt, was da genau pas-
siert. ZHAW-Dozent Frank Huber 
war auch unterwegs. Er hat sich 
in London die berühmte Tower 
Bridge ganz genau angeschaut.
Die «at»-Bande (v.l.): Liv, Maxi, Seon, Willi, Ben, Luz, Valerie, Julius, Christiaan. 
Der Experte: Frank Huber 
ist Dozent für Produktent-
wicklung an der ZHAW 
School of Engineering.
INTERDISZIPLINÄR
KINDER FRAGEN EXPERTEN
1 Wie funktioniert die Tower Bridge?
Wer kennt sie nicht, die wohl berühm-
teste Klappbrücke der Welt: die Tower Bridge 
in London? Die Errichtung dieser Brücke be-
anspruchte acht Jahre Bauzeit, 30 000 Tonnen 
Stein, 11 000 Tonnen Stahl sowie 2 000 000 
Nieten und Baukosten in der Höhe von um-
gerechnet rund 1,8 Millionen Franken. Nicht 
nur diese eindrücklichen Zahlen lassen er-
staunen, sondern auch die Funktionsweise 
des Klappmechanismus. Wie ist es den Inge-
nieuren gelungen, die Brückenklappen mit 
einem Gewicht von je über 1000 Tonnen in 
weniger als zwei Minuten auf einen maxima-
len Neigungswinkel von 86° hochzuklappen? 
Für diese technische Meisterleistung war ein 
ausgeklügeltes hydraulisches System verant-
wortlich, das ursprünglich auf Wasserdruck 
basierte. Ja richtig, zum Betrieb der Brücke 
nutzte man die Wasserkraft! Die so erzeugte 
Energie wurde für das Öffnen und Schliessen 
der beiden Brückenteile, die Aufzüge zu den 
Fussgängerübergängen und selbst für das 
Signalsystem eingesetzt und war mehr als 
ausreichend.
Vier mit Kohle geheizte Dampfkessel unter 
dem Südteil der Brücke erzeugten einen 
Dampfdruck von 5 bis 5,5 bar. Dieser Dampf-
druck setzte zwei riesige Kolbendampfma-
schinen in Bewegung, die Wasser unter einem 
Druck von 52 bar in das Hydrauliksystem 
Die Tower Bridge ist insgesamt 244 m lang. 
Die Höhe der Fussgängerbrücke beträgt 43 m.
Funktionsweise des Klappmechanismus.
339 | 2015 aktuelletechnik.ch
Starke Laser können sogar Metalle schneiden.
Kinderuniversität Winterthur
Am 21. Oktober 2015 öffnen sich an 
der Kinderuniversität erneut die Türen 
zur Welt der Wissenschaft. Alle 
vierzehn Tage können Kinder der 
4. bis 6. Klasse an sechs Mittwoch-
nachmittagen an der ZHAW School 
of Engineering in ein neues Thema 
eintauchen.
Informationen zum Programm 
und Anmeldung: 
www.kinderuniversitaet-winterthur.ch
pumpten. Damit ausreichend Energie für ein 
rasches Hochschwingen der Brückenklappen 
vorhanden war, brauchte es also genügend 
Wasser. Deshalb wurde das Wasser in grossen, 
mit Gewichten belasteten Druck behältern 
gespeichert – den sogenannten Akkumulato-
ren. Sobald der Mechanismus ausgelöst wurde, 
entluden sich die Akkumulatoren durch die 
Gewichtskraft und trieben mit dem darin 
gespeicherten Wasser acht hydraulische Mo-
toren an, die über Zahnräder und Zahnseg-
mente die Brückenklappen anhoben. Damit 
das Hochschwingen über die 50 cm grossen 
Hauptdrehzapfenlager möglichst energieeffi-
zient geschehen konnte, waren die Brücken-
klappen mit Gegengewichten ausgestattet. 
1974 wurde das hydraulische System von 
Wasser- auf Ölhydraulik umgestellt. Anstelle 
der Dampfmaschinen erzeugen nun elektrisch 
betriebene Kolbenpumpen den erforderlichen 
Öldruck, der direkt über Hydraulikmotoren 
und Zahnräder die Klappen antreibt. Das 
Maschinenhaus mit den Dampfmaschinen 
wurde ausser Betrieb genommen und kann 
heute besichtigt werden.
2 Wie funktioniert eine Schleuse?
Eine Fahrt mit dem Schiff ist immer 
eine aufregende Sache. Besonders spannend 
wird es, wenn das Schiff in eine Schleuse fährt. 
Schleusen sind wichtig für die Schifffahrt. Mit 
ihrer Hilfe ist es möglich, die zwischen schiff-
baren Flüssen oder Kanälen liegenden Land-
strecken oder andere Hindernisse, wie zum 
Beispiel einen Wasserfall, zu überbrücken. 
Aber wie funktioniert eigentlich eine Schleuse? 
Durch Füllen oder Entleeren der Schleusen-
kammer steigt der Wasserstand, oder er fällt. 
Dadurch wird das Schiff in der Schleuse ent-
weder gehoben oder abgesenkt. Und das 
geht so: Um zu Tal, also abwärts, zu schleusen, 
läuft das Schiff vom Oberwasser durch das 
offene Obertor in die Schleusenkammer ein. 
Hinter dem Schiff schliesst sich das Obertor 
wasserdicht. Dann werden die Schieber unter 
dem Untertor geöffnet, sodass das Wasser 
aus der Schleusenkammer in das Unterwasser 
abfliesst. Der Wasserstand in der Schleusen-
kammer sinkt nun langsam abwärts, und mit 
ihm sinkt auch das Schiff nach unten – so 
lange, bis der Wasserstand in der Schleusen-
kammer das Niveau des Unterwassers erreicht 
hat. Schliesslich öffnet sich das Untertor und 
das Schiff kann aus der Schleusenkammer in 
das Unterwasser laufen.
Angenommen, ein Schiff will zu Berg, also 
aufwärts geschleust werden: Vom Unterwas-
ser kommend läuft es durch das geöffnete 
Untertor in die Schleusenkammer ein. Das 
Obertor ist wasserdicht geschlossen. Hinter 
dem Schiff schliesst sich jetzt auch das Un-
tertor. Dann werden die Schieber unter dem 
Obertor geöffnet. Dadurch strömt Oberwas-
ser von unten in die Schleuse ein. So steigt 
der Wasserstand in der Schleusenkammer an. 
Mit dem steigenden Wasserstand wird auch 
das Schiff angehoben – ohne Einsatz von 
Energie, allein durch den Druck des Ober-
wassers – so lange, bis der Wasserstand in 
der Schleusenkammer das Niveau des Ober-
wassers erreicht hat. Dann öffnet sich das 
Obertor. Das Schiff hat das Hindernis über-
wunden und kann die Schleuse verlassen. Das 
ist natürlich nur eine ganz einfache Darstel-
lung. So eine Schleuse ist technisch sehr 
aufwendig. Es gibt ganz verschiedene Sorten 
von Schleusen, und bis ein Schiff da durch 
ist, kann es je nach Grösse von Schiff und 
Schleuse auch ein paar Stunden dauern. Be-
dient werden die Schleusen entweder von 
Schleusenwärtern oder manchmal auch von 
Ein Schiff wird aufwärts geschleust.
der Bootsbesatzung selber. Dies geschieht 
meist elektrisch. Bei kleineren Schleusen 
kann es durchaus vorkommen, dass man die 
Tore und Schieber von Hand aufdrehen muss. 
Das ist dann ein ganz schönes Stück Arbeit.
3 Wie funktioniert ein Laser?
Laser begegnen uns überall im Alltag. 
Beim Einkaufen zum Beispiel liest ein Laser 
den Strichcode auf den Produkten und erfasst 
so den richtigen Preis. Auch im CD-Player ist 
es ein Laser, der die Musik von der Scheibe 
liest. Laser können aber auch in der Medizin 
eingesetzt werden, um Krankheiten zu erken-
nen. Und in der Industrie können extra starke 
Laser sogar Metalle schneiden. Die Funktio-
nen von Lasern sind also sehr vielfältig. Aber 
wie sieht die Technik dahinter eigentlich aus? 
Ein Laser funktioniert mit einem Behälter wie 
etwa einer Glasröhre. Darin ist links und rechts 
ein Spiegel angebracht. Zwischen den Spiegeln 
befindet sich ein aktives Medium, beispiels-
weise ein Gas wie Kohlendioxid (CO). Nun 
muss diesem Medium noch Energie zugeführt 
werden. Das passiert in der Regel elektrisch, 
also mit Strom aus der Steckdose. Die gesamte 
Einheit nennt man dann Laserresonator. La-
serresonatoren bestehen meist nicht nur aus 
Spiegeln, sondern besitzen zusätzliche Linsen 
und andere optische Bauteile, die den Reso-
nator noch verbessern. Das Gas im Behälter 
besteht aus Gasatomen. Durch die Energie-
zufuhr werden diese Gasatome angeregt. Das 
bedeutet, dass sich die Elektronen der Atome 
zu bewegen beginnen. Bei ihrer Bewegung 
geben die Elektronen Energie in Form von 
Licht ab. Im Gas gibt es auch Photonen. Das 
sind Lichtteilchen, die von den Gasatomen 
ausgesendet werden und wiederum weitere 
Photonen anstecken. Zwischen den Spiegeln 
werden diese Photonen x-mal reflektiert, und 
regen dadurch immer weitere an. Das kannst 
du dir vorstellen wie die Kugel in einem 
Flipperkasten, die zwischen zwei Wänden 
hin und her geschleudert wird. Aber die 
Lichtteilchen werden natürlich viel schneller 
reflektiert. Dadurch entsteht immer mehr 
Licht, welches nach und nach verstärkt und 
gebündelt wird. Einer der beiden Spiegel ist 
leicht transparent und kann etwas Licht durch-
lassen. Ist das Licht hell genug, tritt ein Teil 
davon durch diesen Spiegel aus. Das ist dann 
das gebündelte Laserlicht.  
Funktionsweise eines Laserresonators.


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