Warum schwimmt ein Schiff

Versuchsaufbau

Schüssel für Wasser und Knete,

  • 2 gleich große Klumpen Knete,
  • 1 Schüssel mit Wasser,
  • evtl. Papiertaschentücher zum Trocknen der Knete,

Versuchsdurchführung

Versuchsbeobachtung

Erläuterungen für die Lehrerin / den Lehrer

Ziel des Versuchs ist, zu zeigen, dass Knete, die als Klumpen untergeht, in spezielle Form gebracht schwimmen kann. Dies entspricht dem Phänomen, das ein tonnenschweres Schiff schwimmt, obwohl das Eisen als Klumpen untergehen würde.

Was fachlich hinter dem Versuch steckt

Ob Gegenstände schwimmen können, oder nicht, hängt vom Verhältnis zwischen Auftrieb und Gewichtskraft ab. Taucht man einen Gegenstand in Wasser ein, können verschiedene Fälle auftreten:

Auftrieb < Gewichtskraft = Der Körper sinkt.

Auftrieb = Gewichtskraft = Der Körper schwebt.

Auftrieb > Gewichtskraft = Der Körper steigt hoch und schwimmt.

Bei massiv ausgefüllten Körpern (wie Holzkugel, Vollgummi-Ball, Korken etc.) bestimmt allein die Dichte der Gegenstände (d.h. wie viel Gramm ein Kubikzentimeter eines Körpers wiegt) im Vergleich zur Dichte der Flüssigkeit, ob der Gegenstand in der Flüssigkeit schwimmt oder untergeht. Ist die Dichte des Materials geringer als die Dichte der Flüssigkeit, schwimmt der Körper. Bei vielen schwimmenden Körpern (wie Schiffen, Bällen, leeren Flaschen, etc) kommt zusätzlich die Form ins Spiel. Entscheidend dabei ist, dass die Körper viel Wasser beim Eintauchen verdrängen, ohne dass Wasser in sie eindringt. So auch beim obigen Versuch: Das Knetgummi-Boot verdrängt deutlich mehr Wasser als ein aus demselben Material geformter Knetgummi-Ball. Je nachdem, wie viel Wasser von einem Körper verdrängt wird, „wehrt“ sich das Wasser unterschiedlich stark. Das „archimedische Prinzip“ besagt: Die Auftriebskraft, die ein Körper in einer Flüssigkeit erfährt, ist genau so groß, wie die Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Die Auftriebskraft wirkt der Gewichtskraft entgegen. Auch der untergetauchte Knetgummiklumpen erfährt eine Auftriebskraft. Sie ist aber nicht groß genug, um die Gewichtskraft zu kompensieren. Die Kraft des Wassers auf einen eingetauchten Körper kann man sehr deutlich spüren, wenn man einen Gegenstand unter Wasser anhebt: Im Wasser ist er scheinbar leichter. Dieser Effekt ist besonders deutlich bei einer mit Wasser gefüllten Wasserflasche zu erfahren. Unter Wasser scheint sie nichts mehr zu wiegen, weil die Auftriebskraft die Gewichtskraft fast völlig ausgleicht. Beim schwimmenden Knetgummiboot stellt sich die Eintauchtiefe genau so ein, dass sich Auftrieb und Gewichtskraft das Gleichgewicht halten. Belädt man das Boot, steigt die Gewichtskraft. Gleichzeitig sinkt das Boot weiter ein, und zwar genau so weit, dass die Gewichtskraft der zusätzlich verdrängten Flüssigkeit die Gewichtskraft der Zuladung wieder ausgleicht.

Unterrichtspraktische Hinweise

In einigen Materialien für die Grundschule wird argumentiert, dass das Knetgummi-Boot der Flüssigkeit eine größere Angriffsfläche bietet als der Klumpen und deshalb vom Wasser gehalten wird. Diese Erklärung ist falsch. Nach der Erklärung müsste eine flache Platte am besten schwimmen. Das ist aber sicher nicht der Fall. Man stellt schon beim Knetgummi-Boot schnell fest, dass auch die Höhe der Seitenwände geeignet gewählt werden muss. Es kommt nicht nur auf die Angriffsfläche für das Wasser an, sondern gleichzeitig auch auf die Eintauchtiefe: Je tiefer ein Gegenstand eintaucht, desto stärker drückt das Wasser von unten dagegen. Das kann man gut spüren, wenn man einen Eimer (oder Becher) mit dem Boden voran auf eine Wasseroberfläche setzt und nach unten drückt. Multipliziert man Angriffsfläche und Eintauchtiefe, entspricht dies genau dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit! Lässt man einen Körper ganz langsam eintauchen, nimmt die Kraft, die das Wasser auf den Körper ausübt, mit jedem eingetauchten Zentimeter zu. Wenn die Kraft des Wassers genau der Gewichtskraft des Körpers entspricht, dringt der Körper nicht mehr weiter in das Wasser ein. Sobald Wasser von oben auf den Körper kommt, drückt dieses Wasser den Körper nach unten.

Carolin Schneider & Bastian Fleck