Welche Materialien schwimmen auf Wasser?

Wasser hat eine Dichte von 1g pro cm3. Das bedeutet, dass 1ml Wasser 1g wiegt. Materialien, die eine höhere Dichte haben, also schwerer sind als Wasser, sinken. Das ist beispielsweise bei Metallen so, oder bei Stein und Glas. Auch normale Speisekartoffeln sind schwerer als Wasser und sinken. Materialien, die eine geringere Dichte als Wasser haben, also leichter sind, schwimmen. Die meisten Plastiksorten schwimmen, auch Holz (aber kein Tropenholz). Anders als Speisekartoffeln sind Süßkartoffeln leichter als Wasser und schwimmen. Auch Öl hat eine geringere Dichte als Wasser. Das kannst Du sehen, wenn Du die beiden Flüssigkeiten miteinander vermischt und dann stehen lässt. Nach einer Weile sammelt sich das Öl auf dem Wasser. Wachs hat eine ähnliche Dichte wie Wasser (0,9-0,98g pro cm3). Deshalb sinkt die Kerze nicht, sie schwimmt aber auch nicht auf dem Wasser, sondern ‚schwebt‘ an der Wasseroberfläche.

Materialien, die nicht selbst schwimmen können, können in Booten transportiert werden. Oder sie schwimmen, weil sie eine spezielle Form haben. Ein Gegenstand aus massivem Metall, wie eine Münze, sinkt. Boote, die aus Metall gefertigt sind, sinken aber nicht. Das liegt an der sogenannten Auftriebskraft. Im Wasser zieht das Gewicht eines Gegenstandes diesen nach unten. Die Auftriebskraft drückt ihn nach oben. Da jeder Gegenstand im Wasser eine Auftriebskraft hat, wirken Gegenstände unter Wasser leichter. Das merkst Du auch beim Schwimmen, oder wenn Du aus dem Wasser steigst. Dein Körper fühlt sich im Wasser viel leichter an. Wenn Du aus dem Wasser kommst, oder das Wasser aus der Badewanne lässt, während Du noch drin liegst, fühlst Du wieder die volle Gewichtskraft. Wenn die Gewichtskraft größer ist als die Auftriebskraft, sinkt ein Gegenstand. Wenn die Auftriebskraft größer ist als die Gewichtskraft, schwimmt ein Gegenstand.

Anders als das Gewicht eines Gegenstandes ist die Auftriebskraft auch von der Form des Gegenstandes abhängig. Gegenstände, die nicht vollständig ausgefüllt sind und einen Hohlkörper haben, wie eine Nuss oder ein kleines Glas, haben eine andere Auftriebskraft als massive Gegenstände, also Gegenstände, die vollständig aus einem Material sind. Im Wasser verhalten sich alle Gegenstände mit einem Hohlkörper wie Boote (z. B. eine leere aber geschlossene Glasflasche, oder ein Eimer, der noch nicht voll Wasser gelaufen ist). Entscheidend für das Sinkverhalten ist, wieviel Wasser das ‚Boot‘ verdrängen kann. Die Auftriebskraft eines bootsartigen Gegenstandes entspricht der Gewichtskraft der Menge des Wassers, das er verdrängt. Diese Regel wird ‚Archimedisches Prinzip‘ genannt und wurde vor über 2000 Jahren von dem griechischen Mathematiker Archimedes von Syrakus formuliert.

Nach Archimedes ist der statische Auftrieb eines Körpers in einem Medium (z. B. Wasser) genauso groß wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums. Ein leere Glasflasche hat durch die Luft in ihrem Inneren eine größere Auftriebskraft als Gewichtskraft – sie schwimmt. Eine volle Glasflasche hat eine größere Gewichtskraft als Auftriebskraft und sinkt. Man kann auch versuchen, eine Glasflasche so weit mit Wasser zu befüllen, dass sie genau an der Oberfläche ‚schwebt‘ – dann ist ihre Auftriebskraft genauso groß wie ihre Gewichtskraft.

Der menschliche Körper hat eine etwas größere Dichte als reines Wasser. Deshalb kann man in Süßwasser nur mithilfe von Schwimmbewegungen an der Oberfläche bleiben. In Salzwasser ist das anders. Durch den Salzgehalt hat das Wasser eine größere Dichte als 1g pro cm3. In manchen Thermalbädern oder im Toten Meer ist der Salzgehalt des Wassers so hoch, dass die Dichte des Wassers über der des menschlichen Körpers liegt (Totes Meer Salzgehalt ca. 30%). Daher kann man in solchem Wasser auch ohne Schwimmbewegungen schwimmen.

Selbstverständlich können weitere Materialien oder Vorschläge der SchülerInnen auf ihre Schwimmfähigkeit getestet werden.

Gibt es Materialien (wie z. B. Stoff), die unter Wasser gedrückt werden können und die dann langsam wieder an die Oberfläche steigen?

Wieso sinkt eine Glasscherbe, während eine Glashohlkugel oder eine geschlossene hohle/leere Glasflasche schwimmt?

Du kannst die SchülerInnen auch zwei gleichgroße Klumpen Knete in unterschiedliche Formen kneten lassen. Nimm dafür herkömmliche Knete (kein PlayDoh). Wenn ihr aus dem einen Klumpen eine Kugel knetet und aus dem anderen Klumpen eine kleine Schale, sinkt die Kugel in Wasser zu Boden, aber die Schale schwimmt. Die Auftriebskraft der Kugel ist kleiner als ihre Gewichtskraft – sie sinkt. Die Auftriebskraft der Schale ist höher als die Gewichtskraft – sie schwimmt. Die SchülerInnen haben im ersten Experiment gesehen, dass die Münze gesunken ist. Wenn ihr der Münze ein Schiff aus Knete oder Alufolie baut, geht sie nicht mehr unter.

Du kannst das Experiment auch mir Öl anstelle vom Wasser wiederholen. Was denken die SchülerInnen nun, welche Objekte schwimmen auf Wasser, jedoch nicht auf Öl?

Das Science Center in Differdingen bietet pädagogische Aktivitäten zum Thema Fluide an, die als Erweiterung zu diesem Experiment dienen können. Hier findest Du die Kontaktdaten, um Dich über die Angebote zu informieren:
Tel: (00352) 288 399-1
Email: /
Webseite: http://www.science-center.lu

Hier findest Du weitere Links zu Wissenschaftskommunikatoren und Workshop-Anbietern.

Bietet Deine Institution auch pädagogische Aktivitäten in diesem Bereich an und möchtest Du auf science.lu verlinkt werden? Dann nimm bitte hier Kontakt mit uns auf.

Im SciTeach Center können sich LehrerInnen Info-, Experimentier- und Expositionsmaterial ausleihen und mit dem schülerzentrierten „forschend- entdeckenden“ Lernen vertraut machen.

Während unsere Rubrik darauf abzielt, den SchülerInnen die naturwissenschaftliche Methode anhand einer Anleitung näher zu bringen, geht es beim Konzept vom schülerzentrierten forschend-entdeckenden Lernen darum, den SchülerInnen selbst mehr Gestaltungsmöglichkeiten zu geben. Du gibst als LehrerIn nur ein paar Materialien oder Fragen vor. Die SchülerInnen entscheiden dann selbst, für was sie sich interessieren oder was sie ausprobieren wollen. Als LehrerIn 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 LehrerInnen die Möglichkeit,  gemeinsam mit anderen LehrerInnen 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 der Universität Luxemburg sowie von zwei Lehrerinnen.