Versuch - Verdrängung 

oder 

Warum schwimmen Schiffe - sogar die aus Eisen?

Was braucht ihr?

Einen Eimer, eine Glasvase oder einen durchsichtigeren Messbecher; eine Dose aus Metall oder einen leeren Trinkbecher; Münzen oder kleinere Gewichte; einen oder mehrere Bälle verschiedener Größe; einen Filzstift zum markieren

Worum geht es?

Wenn man als Kind in der Badewanne, im Planschbecken oder am See spielt lernt man schnell, dass viele Dinge untergehen, wenn man sie ins Wasser wirft - z.B. Steine oder Münzen. Manche Dinge schwimmen aber auch z.B. Holz, Plastik oder eine Glasflasche.

Boote und Schiffe, sogar die größten Töpfe aus Eisen schwimmen, obwohl eine Schraube oder eine Münze sofort untergeht.

Hier haben wir wieder diese spezielle Situation im kindlichen Lernprozess - bevor man geistig soweit ist, dass man sich fragt wieso schwimmt ein Schiff aus Eisen aber eine Münze geht sofort unter - hat man das schon so oft beobachtet und stellt sich diese Frage gar nicht mehr. Man hat dies akzeptiert als: so ist es eben und die dahinter stehenden physikalischen Gesetze interessieren nicht mehr.

Jeder Stoff hat seine eigene, charakteristische Dichte. Diese ergibt sich aus den Verbindungen und dem räumlichen Abstand der Moleküle zueinander. Das kann man Kindern in einem ersten Schritt folgendermaßen erklären.

Versuchsablauf

Legt man sich auf den Fußboden, der sehr hart und damit sehr dicht ist, passiert nichts - er gibt nicht nach und man bleibt wo man ist. Legt man sich am Strand auf den Sand kommt es darauf an: nasser Sand ist fest und gibt auch kaum nach - trockener Sand ist weich und gibt etwas nach.

Legt man sich ins Bällebad sinkt man sogar ein. Man wird nicht sofort alle diese Situationen durchlaufen können - aber gedanklich versteht das Kind, was gemeint ist. Zuhause kann man das Kind auf den Boden legen, dann auf die Matratze und anschließend noch zwei-drei decken auf die Matratze und nochmals darauf legen.

Der Eindruck wird gut vermittelt:

Boden hart - sehr dicht

Matratze mittel - man sinkt etwas ein

Mit drei Federbetten wenig dicht - man sinkt tief ein

Zur Vereinfachung haben wir drei unterschiedlich schwere Kugeln genommen

Hier lässt sich der Begriff der Verdrängung schon einführen - den brauchen wir später noch - auf dem Boden passiert nichts - in die Matratze sinkt man etwas ein und im Federbett stark - um das Kind herum sieht man gewellt Matratze und Federbett bzw. die Kuhle die der Körper verursacht.

Man hat durch sein eigenes Gewicht etwas von diesem Stoff verdrängt und dabei auch seine Position verändert. Nach einiger Zeit hat sich ein Gleichgewicht eingestellt und man sinkt nicht weiter ein - die Verdrängung ist abgeschlossen - man ist in eine stabile Position gekommen.

Wenn sich Mama oder Papa nun noch dazulegen merkt man, dass die Verdrängung stärker wird - beide weiter einsinken, bis es nicht mehr weiter geht - dann ist es wieder stabil.

Mann kann sich auch Verdrängungen vorstellen, die nicht so schnell enden - z.B. eine Murmel in lockeren Sägespänen und natürlich kann man dies auch gleich am Beispiel Wasser verdeutlichen.

Wenn man vom Bällebad, dem Federkissen oder den Sägespänen kommt, ist leicht zu erklären, dass auch Wasser aus kleinen Teilchen besteht - so wie beim Bällebad - aber so klein, dass man sie mit den Augen nicht sehen kann.

Versuch

Füllt einen Eimer zu 2/3 mit Wasser und legt etwas auf die Wasseroberfläch, was nicht schwimmt - vorzugsweise etwas Größeres, dann kann man beobachten, wie der Wasserspiegel steigt, während das Objekt untergeht. Das ist Verdrängung. Das Objekt verdrängt Wasser um sich herum, während es eintaucht. Das Volumen des Körpers kommt zum Volumen des Wassers im Eimer dazu - also steigt der Wasserspiegel. Im Planschbecken oder einer Badewanne kann man das Experiment natürlich auch im großen Stil ausführen - euer Kind dient dann als Körper, der Wasser verdrängt - markiert doch mal den Wasserstand bevor und nachdem es in die Wanne gestiegen ist. Das gibt einen spürbaren Eindruck über die entstandene Verdrängung.

Zurück zum Küchentisch - einen durchsichtigen Messbecher verwenden und verschiedene Dinge wie Tasse, Unterteller oder Besteck eintauchen lassen. Hier kann man dann sogar von außen ablesen, um wieviel der Wasserspiegel steigt. Diese Steigung entspricht dem Volumen des Körpers. Dies kann man im weitern Ablauf mit verschiedenen Dingen wiederholen - schwere Sachen aus Eisen oder Porzellan bis hin zu leichteren Dingen - dann vielleicht etwas aus Holz oder etwas anderes, was schwimmt. Hier sieht man dann etwas entscheidendes: Holz geht nicht unter - der Wasserspiegel im Messbecher steigt um genauso viel, wie das Holzstück wiegt, aber Teile des Holzstücks sind noch über Wasser.

Wenn ihr wollt könnt ihr auf einer Waage das Gewicht des jeweiligen Gegenstands bestimmen und mit seinem Volumen vergleichen.

Styroporkugel Gewicht: 3g; Verdrängung 3ml

Tennisball Gewicht 57g; Verdrängung 57ml

Eisenkugel Gewicht 160g; Verdrängung 100ml

Was kann man beobachten?

Ein Gegenstand wiegt z.B.

100g und verdrängt aber nur 50 ml (abzulesen am Messbecher) -> geht unter

100g und verdrängt 90 ml -> geht etwas langsamer unter

100g und verdrängt 100ml -> Schwebezustand er geht nicht mehr unter

100g und verdrängt  mehr als 100ml -> schwimmt

Alle Sachen die deutlich schwimmen, wie z.B. ein kleiner Palstikball oder etwas aus Styrodur verdrängen ihr Gewicht und sind noch mit einem größeren Teil ihres Körpers über Wasser.

Der einfache Merksatz lautet: Was mehr verdrängt als es wiegt schwimmt

Nun die Antwort auf die anfängliche Frage - warum schwimmen Schiffe aus Metall?

Ein Schiffsrumpf ist so konstruiert das das Schiff mehr Wasser verdrängt als er wiegt, d.h. wenn das Schiff langsam in das Wasser gelassen wird, dringt der Rumpf ins Wasser ein und beginnt mit der Verdrängung bis zu einem Punkt, an dem soviel Wasser verdrängt wurde, wie das Schiff an Gewicht hat - es schwimmt und wesentliche Teile des Schiffs ragen über das Wasser - Zuladungen durch Material oder Menschen drücken das Schiff weiter nach unten, verdrängen also mehr Wasser, was dann wieder zu einem Gleichgewicht führt. 

Wo kann man das in der Natur oder im Alltag beobachten?

Wenn ihr an einem See, Fluss oder Meer wohnt könnt ihr das jeden Tag beobachten und wisst nun was dahinter steckt. Auch auf der Suppe kann man das beobachten, denn hier schwimmen die Fettaugen oben und gehen nicht unter - Öl ist leichter als Wasser, verdrängt also weniger und muss daher oben schwimmen. Auch Marshmallows oder Sahne auf dem Kakao folgen diesem physikalischem Prinzip. In einem späteren Experiment werden wir uns noch genauer mit Eis beschäftigen, denn auch der schwimmende Eiswürfel verdrängt mehr Waaser als er wiegt, obwohl er selbst nur aus Wasser besteht. Das gehört zu den ganz besonderen Eigenschaften des Wassers, die ihr ja schon teilweise im ersten Experiment kennengelernt habt.

Im Schwimmbad helfen Schwimmflügel, Schwimmringe, oder Poolnudeln dabei über Wasser zu bleiben - einen Wasserball kann man nur schwer unter die Wasseroberfläche drücken - er wiegt fast nichts hat aber ein großes Volumen.

Das gleiche System funktioniert übrigens auch in einem anderen Medium - Heißluftballons fliegen, weil die heiße Luft im Ballon mehr von der kalten Luft um sich herum verdrängt, als der Ballon mit Korb und Personen wiegt…

Was habt ihr gelernt?

Jedes Material, also auch jeder Gegenstand hat seine ganz spezielle Eigenschaft, was die Zusammensetzung der Moleküle betrifft. Verdrängt dieses Material mehr Wasser als es wiegt, wird es schwimmen. Durch besondere Konstruktionen kann Luft in dem Gegenstand eingeschlossen werden. Ist genug Luft vorhanden, wird der Gegenstand schwimmen, auch wenn das Material aus dem er gebaut wurde, untergehen würde.