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Warum schwimmen Schiffe und wann tun sie das nicht mehr und gehen unter?

Ein Bericht von Dr. Jean-Loup Ringot

In dieser Werkstatt wollen wir durch Experimente die physikalischen Regeln verstehen, die die Schwimmfähigkeiten von unterschiedlichen Materialien ermöglichen

1-Fühlen...
Wie fühlt sich ein Objekt im Wasser im Vergleich zur „normalen“ Lage in der Luft an?

Man nehme einen an einem Seil befestigten Stein, und mit geschlossenen Augen lässt das Kind den Stein langsam in den Eimer absinken und ohne hinzusehen soll es sagen, wann der Stein sich vollständig im Wasser befindet. Das klappt problemlos. Das Gleiche geht auch anders herum, wenn der Stein aus dem Wasser heraus genommen wird. Wieso? „Wenn der Stein im Wasser ist, fühlt er sich leichter an“ ist die Antwort, die die Kinder geben.

Was ist hier passiert? Der Stein ist immer derselbe, nichts ist entfernt worden, wie kann er leichter erscheinen?

2-Messen...
Wir wollen mehr über diese unsichtbare Kraft wissen, woher kommt sie, wie groß ist sie. Wir benutzen dazu zwei gleich große Würfel, einen aus Stahl, einen aus Holz:

- Welcher schwimmt und welcher wird sinken?
- wie erwartet: der Würfel aus Stahl sinkt und der aus Holz schwimmt!
- Gut aber wieso?
- “Der aus Stahl ist schwerer!” wissen die Kinder
Wir wiegen die beide Würfel und tatsächlich der Würfel aus stahl ist schwerer.

Na gut dann nehmen wir einen Würfel aus Fichtenholz, der ein wenig schwerer ist als der aus Stahl.
- “Welcher wird schwimmen?”
- “Der aus Holz!”
- “Wieso, er ist aber schwerer als der aus Stahl!”
- “Ja, er ist aber größer.”
- “Was ist denn nun wichtig, die Größe oder das Gewicht?”
- “Vielleicht beide?”
Wir wollen weiter forschen; wir betrachten acht Würfel von 3 cm Kantenlänge aus

Fichtenholz
Tropenholz
Speckstein
Sandstein
Marmor
Ziegelstein
Edelstahl
Blei.

Ein Kind versucht ohne Waage, die Würfel in der Reinfolge des Gewichtes einzuordnen, was ziemlich gut funktioniert.
Dann werden die Würfel gewogen (und dabei das Gewicht Gt für “gewicht trocken“ ermittelt) und dann ihr Gewicht, wenn sie in Wasser getaucht sind (Gewicht Gn „Gewicht nass“).
Wir stellen fest, dass der Unterschied immer um 27 g liegt d.h. die Würfel sind im Wasser 27g leichter als in der Luft.
Wieso immer 27 g.? Woher kommen diese 27 g?

Wie groß sind die Würfel? 3x3x3 cm ergibt 27 cm³, komisch, wieder diese Zahl 27!
Wir kommen auf die Idee 27 cm³ Wasser zu wiegen; wieder 27 g.!
Hier haben wir die Lösung, der Gewichtverlust und die Kraft nach oben entspricht dem Gewicht des verdrängten Wassers und ist unabhängig vom Material.

Wir wollen aber bestimmen wie wir voraussagen könnten, ob einen Objekt schwimmt oder nicht. Was ist schwerer als Wasser, was nicht und um wie viel ist es schwerer.
Durch Teilen des Gewichts durch das Gewicht der gleichen Menge Wasser errechnen wir ein Wert, der typisch für das jeweilige Material ist. Wir nennen diesen Wert Dichte!

Was eine Dichte unter 1 hat schwimmt, was eine Dicht größer als 1 hat, sinkt. Wasser hat natürlich eine Dichte von 1.

Woher kommt diese Kraft? Gibt es eine einfachere Methode um diesen Auftrieb zu kennen?
Newton hat das Gesetzt von Aktion und Reaktion formuliert; wo eine Aktion ist muss es auch eine Reaktion geben.
Können wir diese Reaktion einfach messen?
Wir stellen ein Glas voll Wasser auf die Wage und stelle sie auf „Null“, dann tauchen wir einen unseren Würfel ins Wasser ohne dass er den Boden berührt. Die Wage zeigt „27g“!

So können wir das Volumen unregelmäßig geformter Objekte messen. So haben wir gemessen, dass ein Ei ca. 65 cm³ groß ist.

Archimedes verdrängt BadewasserDieses Gesetz hat ein alter Grieche namens Archimedes entdeckt der in Syrakus im jetzigem Sizilien im Jahre 287 v. Chr. geboren wurde: als er in seine Badewanne stie und sah, wie der Wasserspiegel sich veränderte, rannte er auf der Straße “Eureka” schreiend, was so viel wie “Ich hab's gefunden” bedeutet.

“Wenn ein Objekt in eine Flüssigkeit getaucht wird, erfährt es eine nach oben gerichtete Kraft , die dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht.” Dies gilt übrigens auch für Gas.

 

Dieses Gesetzt hat der Regisseur vom Kinofilm “Fluch der Karibik” ignoriert, als er Jack Sparrow und seinen Kumpel in einem umgedrehten Kahn auf dem Meeresboden laufen lässt...

Männer mit Auftrieb

Nehmen wir an, dass sich im Boot ca. 2 m³ Luft befinden, und dass Meereswasser eine Dichte vom 1,035 hat, gibt es einen Auftrieb von 2070 kg und die beide Menschen müssten jeweils über eine Tonne wiegen, um so auf dem Boden laufen zu können!

3- Raten

Wir haben drei mit Flüssigkeit gefüllte Gläser in denen Eier schwimmen: ein Ei schwimmt ganz oben im Glas, das zweite schwimmt mittendrin und das dritte liegt ganz am Boden. Was ist hier los? Woran liegt es, daß sich die Eier nicht einheitlich verhalten?

- “Vielleicht an der Wassertemperatur?”
- “Nein, die Temperatur ist in allen Gläsern gleich.”
- “Vielleicht ist ein Ei gekocht und das andere nicht?”
- “Nein sie sind alle gleich.”
Ratlosigkeit macht sich breit.
Ich lasse einige Tropfen Tinte in das mittlere Glas fallen, die Tinte breitet sich aus bis zu einer klaren Grenze, genau dort, wo das Ei schwebt.
Langsam wird klar, dass hier etwas manipuliert wurde!
- “Haben wir vielleicht unterschiedliche Wasser benutzt?”
- “Wie können Wasser unterschielich sein?”
- “Salzwasser vielleicht?”
- “Gut geraten! In dem Glas, in dem das Ei unten liegt, haben wir Süßwasser, im mittleren Glas haben wir unten Salzwasser und oben Süßwasser und in dem drittem Glas, in dem das Ei oben schwimmt, ist nur Salzwasser.”

Mit dieser Erkenntnis überlegen wir, wie die Einwohner von Inseln wie Nordeney ihr Trinkwasser erhalten. Da Salzwasser schwerer als Süßwasser ist, bildet sich oberhalb des salzigen Grundwassers eine “Süsswasserlinse” die vom Regen gespeist wird und sich nicht mit dem unten liegenden Salzwasser vermischt.

Mit der Dichte können wir sowohl Eigenschaften von darin untergetauchten Materialien untersuchen als auch die von den Flüssigkeiten in die sie getaucht sind.
Dies ermöglicht z.B. den Alkoholgehalt von Wein oder anderen Getränken zu bestimmen.

4- Wir bauen ein U-Boot

In einem anderen mit einer Membrane verschlossenen Glas schwimmt ganz oben auf dem Wasser ein Ei. Ich lege meine Hand auf die Membrane und befehle dem Ei unterzutauchen, was es brav macht. Nach Anweisungen der Kinder steigt, sinkt oder steht das Ei unbeweglich... Ein Wunder!
Es wird wild gerätselt wie dies geht. Schnell wird klar, dass ich durch drücken auf die Membrane das Ei sinken lasse; aber wie ist das Ei manipuliert?
Nun nach einigen Momenten intensiver Überlegung ist das Rätsel gelöst; das Ei ist hohl, hat unten ein Loch und ist mit Blei so beschwert, dass es gerade schwimmen kann. Durch drücken steigt der Wasserpegel im Ei und es sinkt, durch verringern des Drucks dehnt sich die Luft im Ei uns es steigt.
So funktionieren U-Boote, und wir wollen so etwas auch bauen.

Wir füllen eine Plastikflasche mit Wasser und basteln ein “U-Boot” indem wir eine Einwegspritze halb mit Wasser füllen und sie anschließend mit Bleikugeln so beschweren, daß sie gerade oben schwimmen kann. Die Spritze kommt in die bis oben hin gefüllte Flasche und diese wird verschlossen. Durch mehr oder weniger starkes Pressen der Flasche sinkt und steigt unser Taucher/unser U-Boot.

Da wir über Taucher sprechen, betrachten wir den Taucher im Museum und überlegen, wie dies alles funktioniert. Wie bekommt er Luft zum Atmen, wieso ist es nicht möglich den Taucher einfach mit einen Schlauch zwischen ihm und der Oberfläche zu verbinden, damit er die Luft atmen kann ? Und wieso braucht er eine solche schwere Ausrüstung mit Bleischuhen um auf dem Boden laufen zu können. Alles dies hat mit dem Prinzip von Archimedes und Druckverhältnisse zu tun.

5-Von Königen, Genies und Betrügern…

Zum Schluss wurde mit Hilfe von Gold (Hier Knetgummi) und Blei ein geschichtliches Ereignis nachgestellt:
König Hieron II. von Syrakus ließ sich ein Diadem aus purem Gold anfertigen, hegte jedoch nach Erhalt Zweifel an der Ehrlichkeit der beauftragten Goldschmiede.
Hatte er wirklich ein Diadem aus reinem Gold in den Händen oder hatte der Goldschmied eine unreine Legierung verwendet und diese als reines Gold angegeben?
Ohne das Meisterstück zu beschädigen bestimmte Archimedes dessen Goldgehalt indem er die Dichte des Diadems bestimmte und diese Dichte mit der von reinem Gold verglich.
So konnte er nachweisen, dass in dem Diadem nicht nur Gold verarbeitet und der König somit betrogen worden war.
Für die Nachahmung wurden bei der museumspädagogischen Projektwoche zwei Schülergruppen beauftragt je eine Figur aus Knete zu formen und sich untereinander abzusprechen, wer den Betrüger spielen sollte. Dieser unehrliche Goldschmied baut ein ein Stück Blei in seine Figur ein.
Der Betrug konnte anschließend anhand des von Archimedes entwickelten Prinzips und der Messung der Dichte nachgewiesen werden und die ertappten Betrüger wurden zur Strafe ordentlich nass gespritzt!
 

Jean-Loup Ringot