Wieso schwimmt das Schiff, während die Kugel sinkt?

Autoren:
Publikation:	18.1.2010
Lernstufe:	3
Übersicht:	Bei dem Versuch mit der Kugel und dem Schiff aus Knete aus der Unterrichtsstunde "Einfluss der Form des Gegenstands auf seine Schwimmfähigkeit" des Moduls "Schwimmen oder Sinken" wollten die Schüler genauer wissen, warum denn das Schiff im Gegensatz zur Kugel schwimmen kann, obwohl doch beide die gleiche Masse haben.
Dauer:	1 Unterrichtsstunde
Material:	großes durchsichtiges Gefäß (ein Becherglas zum Beispiel) Knete Folienstift (zur Markierung des Wasserstandes im Becherglas) Feinwaage (notfalls tut es auch eine Küchenwaage) kleines Becherglas mit Skala (möglichst auf 1 ml genau) Überlaufgefäß (oder alternativ: große, leere Plastikflasche; Strohhalm mit Gelenk)
Herkunft:	Sonnentaler, Berlin
Bewertung:	(noch keine Bewertung)

Beobachtung des Schwimmverhaltens einer Kugel bzw. eines Schiffs aus Knete

Während einer Unterrichtseinheit zum Thema Schwimmen oder Sinken haben die Schüler einer 5. Klasse ein Stück Knete genommen und daraus zunächst eine Kugel geformt. Die Kugel sinkt auf den Boden des mit Wasser gefüllten Gefäßes. Anschließend wurde die Kugel zu einem Schiff umgeformt und siehe da: Es schwimmt.

Daraus haben die Kinder folgende Erkenntnisse festgehalten:

1. Die Massen von Kugel und Schiffchen sind gleich (jeweils 44 g), aber trotzdem sinkt die Kugel, während das Schiffchen schwimmt.
2. Die Formen von Kugel und Schiffchen sind verschieden.

Daraus ergab sich für die Kinder die Frage, wie die Form eines Körpers seine Schwimmfähigkeit beeinflusst. Sie ziehen eine Parallele zu realen Schiffen: "Ein (massives) Stück Eisen sinkt, aber ein riesiges Eisenschiff schwimmt. Warum?"

Um dies besser zu verstehen, haben wir während einer zusätzlichen Unter­richts­stunde weitere Experimente durchgeführt.

Abb. 1: Ein voll beladener Lastkahn auf dem Rhein bei Basel
Foto: Norbert Aepli, Wikimedia Commons, CC BY 2.5

Messung des Wasserstands

Wir haben mit einem Folienstift den Wasserstand in einem Becherglas markiert. Anschließend haben wir aus der Knete wieder eine Kugel geformt und sie ins Wasser sinken lassen. Der Wasserstand erhöhte sich und wurde erneut mar­kiert. Danach haben wir die Kugel wieder aus dem Wasser gefischt, daraus ein schwimmendes Schiffchen geformt und dieses auf das Wasser gesetzt. Auch in diesem Fall haben wir den Wasserstand mit Folienstift markiert.

Abb. 2: Die Wasserstandsmessungen

Die Kinder haben ihre Beobachtungen so formuliert:

1. "Da, wo die Knetkugel im Becher liegt, war vorher Wasser. Dieses Wasser wurde verdrängt und lässt den Wasserspiegel steigen."
2. "Auch das Schiffchen verdrängt Wasser und lässt den Wasserspiegel steigen."
3. "Das Schiffchen verdrängt auf Grund seiner Form mehr Wasser als die Kugel."

Versuche mit einem Überlaufgefäß

In einem zweiten Schritt haben wir das verdrängte Wasser mit Hilfe eines Überlaufgefäßes aufgefangen und das Volumen genau bestimmt.

Abb. 3: Messungen mit dem Überlaufgefäß

Kommentar der Lehrerin

Wenn Sie in Ihrer Schule kein Überlaufgefäß zur Hand haben, können Sie ganz einfach eins herstellen. Dazu nehmen Sie die untere Hälfte einer großen, leeren Plastikflasche und bohren seitlich ein kleines Loch hinein, in das gerade ein Strohhalm passt (ein Strohhalm mit Gelenk ist von Vorteil, weil man den Teil, der aus der Flasche ragt, nach unten knicken kann, um das überlaufende Wasser in ein weiteres Gefäß laufen zu lassen). Das Loch sollte rund um den Strohhalm mit Knete abgedichtet werden.

Das Auffanggefäß sollte eine Skala haben (möglichst auf ein Milliliter genau).

Zu Beginn des Experimentes muss das Gefäß bis an die untere Kante des Überlaufs (bzw. des Strohhalms) mit Wasser gefüllt werden.

Messergebnisse

• Volumen des Wassers, das durch die Kugel verdrängt wurde: 27 ml.
• Volumen des Wassers, das durch das Schiffchen verdrängt wurde: 44 ml.

Die Masse von Kugel und Schiffchen wurde mit Hilfe einer elektronischen Fein­waage ermittelt und betrug ≈ 44 g.

Als nun jeweils die Masse der Knete mit dem Volumen des verdrängten Wassers verglichen wurde, kamen die Schüler zu den folgenden Ergebnissen, die sie mit Erkenntnissen aus vorhergehenden Stunden in Verbindung bringen konnten:

• 44 g Knete und 27 ml Wasser, welches 27 g wiegt: Ist die Masse des verdrängten Wassers kleiner als die Masse des Körpers, sinkt der Körper.
• 44 g Knete und 44 ml Wasser, welches 44 g wiegt: Ist die Masse des verdrängten Wassers genauso groß wie die Masse des Körpers, schwimmt der Körper.

Kommentar der Lehrerin

Wenn ein Körper in einer Flüssigkeit sinkt, kann man mit Hilfe des Über­lauf­gefäßes das Volumen des versenkten Körpers messen (das genau dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit entspricht). Wenn man die Masse des Körpers durch sein Volumen dividiert, erhält man die Dichte des Körpers bzw. die Dichte des Materials, aus dem der Körper besteht.

Wenn ein Körper auf einer Flüssigkeit schwimmt, kann man dagegen die Dichte dieser Flüssigkeit bestimmen. Die Masse der vom schwimmenden Körper verdrängten Flüssigkeitsmenge entspricht genau der Masse des Körpers. Wenn man den Körper wiegt und das Volumen der verdrängten Flüssigkeit misst, erhält man auf diese Weise die Dichte der Flüssigkeit. Das ist das Gesetz des Archimedes. Es ist also kein Zufall, dass in dem Experiment das 44 g schwere Schiff 44 ml Wasser verdrängt (diese 44 ml Wasser wiegen auch wieder genau 44 g). Wenn man die Masse durch das Volumen dividiert, erhält man 1 g/ml – was der Dichte von Wasser entspricht.

Unsere Schlussfolgerung

Ob ein Körper schwimmt oder sinkt, hängt davon ab, wie viel Wasser er ver­drängen kann. Das wiederum hängt unter anderem von seiner Form ab.

Wenn das Wasser, das der Körper verdrängt, genauso viel wiegt wie der Körper selbst, schwimmt er. Wenn das verdrängte Wasser weniger wiegt als der Kör­per, sinkt er.

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