Wieso kann ein Wasserläufer auf dem Wasser laufen?

Die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten tritt an der Grenzfläche zur Gasphase auf. Bei Wasser ist dies der Übergang vom Wasser zur Luft. Die Oberflächenspannung von Wasser ist so groß, dass Wasser in der Luft Tropfen bildet. Wird ein Wasserhahn nur ein wenig aufgedreht, tropft das Wasser heraus und bildet keinen feinen Strahl. Die Oberflächenspannung entsteht durch die Anziehung, bzw. die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Die Bindungskräfte zwischen den Molekülen oder Atomen eines Stoffes nennt man Kohäsion.

Innerhalb einer Flüssigkeit werden die Moleküle alle gleich stark angezogen, da jedes einzelne Molekül an allen Seiten von gleichartigen Molekülen umgeben ist. An der Oberfläche des Wassers werden die Moleküle dagegen nur von den darunterliegenden Wassermolekülen angezogen. Durch die fehlende Zugkraft nach oben sind die Wassermoleküle an der Grenzfläche daher etwas stärker aneinandergebunden als die Moleküle inmitten der Flüssigkeit. Diese Kraft bedingt die Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung ist wie eine dünne unsichtbare Haut, die leichte Objekte wie einen Wasserläufer gut tragen kann. Wenn diese Haut nicht verletzt wird, kann die Oberflächenspannung sogar Gegenstände tragen, die schwerer sind als Wasser, wie eine Stecknadel oder eine Büroklammer.

Um allerdings schwerere Gegenstände wie eine Stecknadel oder eine Büroklammer tragen zu können, muss das Gewicht gut verteilt sein. Würde man das Metall der Büroklammer zu einer Kugel formen, würde diese sofort sinken.  Auch der Wasserläufer kann durch einen Knick in seinen langen Beinen und die dünnen Härchen an den Beinen sein Gewicht gut auf der Wasseroberfläche verteilen.

Wegen der Oberflächenspannung ist Wasser in der Schwerelosigkeit, wenn also keine anderen Kräfte auf das Wasser wirken, rund. Eine Flüssigkeit ist immer bestrebt, möglichst wenig Oberfläche zu haben und eine Kugel ist der Körper mit der geringsten Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Deshalb rollen sich Tiere im Winter auch zusammen, damit sie möglichst wenig Wärme an die Umgebung abgeben. Fällt Wasser aufgrund der Schwerkraft durch die Luft zu Boden, werden Tropfen gebildet. Das Wasser wird von der Luft gebremst und dadurch am unteren Ende gestaucht und bekommt eine Tropfenform. Auf festen Oberflächen sind Wassertropfen unten platt, da die Schwerkraft sie nach unten zieht. Auch die Adhäsion (Anziehungskraft zwischen zwei unterschiedlichen Phasen, beispielsweise flüssig und fest) spielt eine Rolle.

Wird Seife ins Wasser gegeben, verringert sich die Oberflächenspannung deutlich. In dem erweiterten Experiment, das unten beschrieben wird, reicht die Oberflächenspannung des Seifenwassers nicht mehr aus, um eine Stecknadel oder eine Büroklammer zu tragen. Was ist passiert? Seife ist ein sogenanntes Tensid. Tenside sind lange Moleküle mit einem hydrophilen (wasserliebenden) und einem hydrophoben (‚wasserhassenden‘, bzw. wasserabweisenden) Teil. Wird Seife ins Wasser gegeben, lagern sich um die Wassermoleküle herum Seifenmoleküle an. Der hydrophile Teil zeigt dabei zum Wassermolekül, der hydrophobe Teil nach außen. Durch diese großen Tensid-Moleküle zwischen den Wassermolekülen sinkt die Spannung an der Wasseroberfläche. Die Oberflächenspannung reicht nicht mehr aus, um schwerere Materialien zu tragen.

Auch die Waschwirkung von Tensiden beruht auf diesem Effekt. Die Tensid-Moleküle wenden sich mit ihrem hydrophoben Teil (auch lipophil, ‚fettliebend‘ genannt) beispielsweise dem Fett auf dreckigem Geschirr zu und umhüllen die Fettpartikel. Dabei bleibt der hydrophile Teil (auch lipophob, ‚fetthassend‘ genannt) des Tensids außen und kann so als Einheit im Wasser schwimmen. Bestimmt haben die SchülerInnen schon mal erlebt, dass die Waschwirkung von Spülwasser nachlässt, wenn schon einiges fettiges Geschirr darin gewaschen wurde. Dann ist die Seife ‚aufgebraucht‘ – alle Seifenmoleküle haben sich um Fett und Schmutz angelagert – und es muss mehr Seife zugegeben werden. Für die Waschwirkung ist es meistens aber sinnvoller, neues Seifenwasser zu nehmen, da sonst die Fett-Seife-Partikel überall herumschwimmen.

Wenn du die Oberflächenspannung des Wassers weiter veranschaulichen möchtest, bieten sich folgende Experimente an: 

Seifenexperiment „Zauberfinger“:

Wiederholt das obige Experiment und legt die Stecknadel/Büroklammer mit der Pinzette vorsichtig auf die Wasseroberfläche. Lasst nun einen Tropfen Spülmittel in das Glas fallen. Seife (Spülmittel) zerstört die Oberflächenspannung. Sobald die Seife in Kontakt mit dem Wasser kommt, geht die Stecknadel/Büroklammer sofort unter.

Münzenexperiment 1: 

Füllt ein Glas randvoll mit Wasser. Dann lasst vorsichtig einige Münzen nacheinander in das Wasser fallen und beobachtet, wann das Wasser überläuft. Es passen mehr Geldstücke ins Glas, als man erwartet. Durch die Oberflächenspannung wölbt sich das Wasser über dem Glas.

Münzenexperiment 2: 

Lasst aus einer Pipette vorsichtig tropfenweise Wasser auf die Oberfläche einer Münze fallen. Beobachtet, wie das Wasser sich ansammelt. Von der Seite sieht man eine klare und beeindruckende Wölbung. Wer kann die meisten Tropfen auf einer Münze sammeln, bevor das Wasser überläuft?

Die Rubrik „Ideen für naturwissenschaftlichen Unterricht in der Grundschule“ wurde in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l’innovation pédagogiques et technologiques) ausgearbeitet und wendet sich hauptsächlich an Lehrkräfte der Grundschule. Das Ziel der Rubrik ist es, dich als Lehrperson mit kurzen Beiträgen dabei zu unterstützen, die naturwissenschaftliche Methode zu vermitteln. Hierzu ist es nicht nötig, dass du bereits alles über das jeweilige Naturwissenschafts-Thema weißt. Sondern vielmehr, dass du ein Umfeld schaffst, in dem die Kinder experimentieren und beobachten können. Ein Umfeld, in dem die Kinder lernen Fragen und Hypothesen zu formulieren, Ideen zu entwickeln und durch Beobachtung Antworten zu finden.

Wir strukturieren unsere Beiträge daher auch immer nach demselben Schema (Frage, Hypothese, Experiment, Beobachtung/Fazit), * wobei das Experiment entweder selbständig in der Klasse durchgeführt wird oder durch Abspielen eines Videos vorgezeigt wird. Dieses Schema kann eigentlich für alle wissenschaftlichen Themen angewendet werden.

Mit dem Hintergrundwissen liefern wir weiterführende Erklärungen, damit sich interessierte Lehrkräfte informieren können und aufkommende Fragen beantworten können. Außerdem besteht so die Möglichkeit, dass die Kinder selbständig auf science.lu die Erklärung recherchieren.

Wir hoffen, dass unsere Beiträge behilflich sind und von dir in der Schule genutzt werden können. Wir freuen uns über Feedback und Anregungen und sind gerne bereit, unsere Beiträge stetig zu optimieren. Hier kannst du uns kontaktieren.

*In der Praxis läuft der wissenschaftliche Prozess nicht immer so linear ab. Der Einfachheit halber gehen wir in dieser Rubrik jedoch meisten linear vor.

Mögliche Ausflugsziele sind ein Schulteich oder ein anderer Teich in der Umgebung, evtl. auch ein Gartenteich eines Schülers/einer Schülerin.

Ansonsten bietet sich das Naturschutzzentrum Biodiversum in Remerschen als Ausflugsziel an.  (Baggerweiher)

Tel: (00352) 23 60 90 61-24

Email: biodiversum@anf.etat.lu

Webseite: https://environnement.public.lu/fr/natur-erliewen/centres d_accueil/biodiversum.html

Im SciTeach Center können sich Lehrkräfte Info-, Experimentier- und Expositionsmaterial ausleihen und mit dem kinderzentrierten „forschend- entdeckenden“ Lernen vertraut machen. Das Zentrum bietet auch Weiterbildungen an.

Während unsere Rubrik darauf abzielt, den Kindern die naturwissenschaftliche Methode anhand einer Anleitung näher zu bringen, geht es beim Konzept vom kinderzentrierten forschend-entdeckenden Lernen darum, den Kindern selbst mehr Gestaltungsmöglichkeiten zu geben. Du gibst als Lehrperson nur ein paar Materialien oder Fragen vor. Die Kinder entscheiden dann selbst, wofür sie sich interessieren oder was sie ausprobieren wollen. Als Lehrperson begleitest und unterstützt du sie dabei.

Im SciTeach Center soll das Kompetenzlernen im naturwissenschaftlichen Unterricht gefördert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, bietet das SciTeach Center Lehrkräften die Möglichkeit, gemeinsam mit anderen Lehrkräften und dem wissenschaftlichen Personal des SciTeach Centers neue Ideen und Aktivitäten für ihren naturwissenschaftlichen Unterricht zu entwickeln. Durch diese Zusammenarbeit soll auch das Vertrauen in den eigenen Unterricht gestärkt und mögliche Ängste gegenüber freiem Experimentieren abgebaut werden. Betreut werden die Veranstaltungen von wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Universität Luxemburg sowie von Lehrkräften.

Lernorte an den Schulen sichtbar machen & Lehrpersonen beim (Draußen-)Unterricht zu unterstützen mit konkreten Ideen, das war 2020 ausgewiesenes Ziel des FuDo Pilotprojektes. Dabei soll der Forschergeist der Kinder im Mittelpunkt stehen. Aus dem innovativen SCRIPT-Projekt, hat sich ein landesweite FuDo-Bewegung entwickelt. Eine Internetplattform bietet Ideen und Unterrichtsmaterial in Form von Fragen (FuDo-Fro), Wanderwegen (FuDo-Wee) und fächerübergreifenden Ideen (FuDo-Thema), sowie eine interaktive Karte mit Lernorten in der Nähe deiner Schule. Das Unterrichtsmaterial wurde von Lehrkräften in Zusammenarbeit mit dem SCRIPT ausgearbeitet. 

FuDo verfolgt beim Fuerschen dobaussen ebenfalls das Konzept des forschend entdeckenden Lernens (Inquiry-based Science Education) mit der Differenzierung nach MacKenzie (2016). So startet eine FuDo-Fro in der Regel mit einer Forschungsfrage für die gesamte Klasse und hat einen strukturierten Ablauf (structured inquiry). Dies unterstützt die Kinder, sich mit dem Forschungsprozess vertraut zu machen.  Alle FuDo-Froen sind von den Kindern eigenständig erforschbar und altersgerecht aufgebaut. Im Bereich FuDo-Thema wird der Forschungsprozess zusehends offener bis hin zum selbst gestalten eines Forschungsprozesses (free inquiry). Als Lehrpersonen bist du in der Rolle der Lernbegleitung und der Weggefährten auf der Suche nach den Antworten.