Es ist der absolute Klassiker beim Einstieg in das erste Experimentieren: eine Schüssel mit Wasser, eine bunte Sammlung unterschiedlich geformter Gegenstände aus verschiedenen Materialien — und los geht´s mit den Versuchen zur spannenden Frage: Was schwimmt und was versinkt?
In diesem Blog-Beitrag gebe ich euch ein paar grundsätzliche Dinge zum Auftrieb mit auf den Weg und beschreibe meine vier Favoriten unter den vielen Experimente zum Schwimmen und Sinken. Alle Experimente und noch viel mehr Schwimmen und Sinken findet ihr auch als Videos zum Vorführen im Unterricht hier.
Hier seht ihr den Blog-Beitrag als Video-Tutorial
Experimente zum Schwimmen und Sinken eignen sich ideal für das erste Experimentieren, weil sie so niedrigschwellig und interaktiv sind. Alle können mitmachen und nach Dingen suchen, die sie auf ihre Schwimmfähigkeit testen wollen, und die Versuchsdurchführung ist auch selbst für die Kleinsten machbar: Einfach ins Wasser plumpsen lassen. Und sofort ist klar: Das Styropor-Stück schwimmt, der Plastikball auch. Das Spielzeugauto versinkt und der Schraubendreher geht auch unter. Auf den ersten Blick scheint auch schnell erklärt zu sein, warum das so ist. Häufig beziehen sich die ersten Erklärungen auf das Material des getesteten Gegenstands und es wird dann gerne die Formulierung „leichter/schwerer als Wasser“ verwendet. Tückisch wird es aber dann, wenn die unvermeidliche Frage auftaucht: Warum kann ein tonnenschweres Stahlschiff schwimmen?
Genau genommen ist es ja so: Ein Körper erfährt in einem Fremdmedium (z.B. Wasser) eine Auftriebskraft, die der Gewichtskraft der durch ihn verdrängten Menge des Mediums entspricht. Ist diese Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft des Körpers, dann schwimmt er. Oder etwas einfacher: Ein Körper schwimmt, wenn er weniger wiegt als die Menge Wasser, die er verdrängt. Wenn wir einen Würfel mit einer Seitenlänge von 10 cm, also einem Liter Volumen, ins Wasser legen, dann verdrängt er beim Eintauchen einen Liter Wasser. Dieser Liter Wasser wiegt ein Kilogramm. Also darf der Körper nicht schwerer als ein Kilogramm sein, sonst geht er unter. Die Erklärung, dass ein Körper schwimmt, weil er „leichter als Wasser“ ist, muss also eigentlich immer ergänzt werden zu „leichter als die gleiche Menge Wasser“. So ist es auch, wenn man nicht einen bestimmten Gegenstand, sondern die Schwimmfähigkeit eines Materials im Allgemeinen beschreiben will (und den Begriff der „Dichte“ vermeiden möchte): Holz ist leichter als die gleiche Menge Wasser.
Mein Favorit beim ersten Schwimmen und Sinken ist der Metall-Fingerhut. Er ist einfach zu besorgen, besteht aus vermeintlich versinkendem Material und kann mit seiner Form sehr schön die Frage nach dem schwimmenden Schiff aufgreifen. Man kann ihn zunächst schräg ins Wasser legen, sodass er versinkt, und ihn dann gerade ins Wasser gesetzt zum Schwimmen bringen.
Um bei der Erklärung die Begriff „Dichte“ und „Auftrieb“ zu vermeiden, können wir beim der Formulierung „leichter als die gleiche Menge Wasser“ bleiben. Entscheidend ist aber jetzt, dass der schwimmende Fingerhut mit Luft gefüllt ist. Und Fingerhut + ein Fingerhutinhalt Luft sind insgesamt leichter als eine Fingerhutmenge Wasser. Die leichte Luft gleicht also das schwere Metall aus. Mit einer Pipette kann man tröpfchenweise die Luft im Fingerhut durch Wasser ersetzen, bis irgendwann nicht mehr genügend Luft im Fingerhut ist, um das Gewicht des Metalls auszugleichen — der Fingerhut versinkt.
Als Alternative zu diesem Einstiegsexperiment findet man erstaunlich häufig den Vorschlag, man möge die Kinder aus Alu-Folie zunächst ein Boot formen lassen, das schwimmt. Dann solle das Boot zu einen dichten Klumpen zusammengedrückt werden, der versinkt. Wer das vorschlägt, sollte einfach einmal versuchen, Alu-Folie so dicht zusammenzuknüllen, dass sie versinkt. Er/Sie wird feststellen: Alu-Folie schwimmt auch als dichter Klumpen…
Ein sehr lebendiges Experiment zum Schwimmen und Sinken ist der „Rosinen-Aufzug“. Auch hier ist die Durchführung denkbar einfach und es gibt jede Menge für die Kinder zum Beobachten: ein sprudeliges Wechselspiel aus Schwimmen und Sinken. Man nimmt ein Glas mit frischem Sprudelwasser und wirft etwa ein Dutzend Rosinen hinein. Los geht´s! Die Rosinen sinken hinunter zum Boden des Glases, steigen nach ein paar Sekunden wieder hoch an die Wasseroberfläche, nur um gleich wieder hinunter zu sinken. Der „Rosinen-Aufzug“ fährt so lange, bis kein Sprudel mehr im Wasser ist.
Zuerst ein kleiner Abstecher zum Mineralwasser: Damit es sprudelt wird vom Abfüller Kohlenstoffdioxid, CO2, im Wasser gelöst. Etwa 5 g CO2 sind in einem Liter Sprudelwasser. Ein winziger Teil dieses CO2s (nur etwa 0,2%)verbindet sich dann mit dem Wasser zur sogenannten „Kohlensäure“, das restliche CO2 ist im gelösten Zustand im Wasser. Bei normalem Druck hat dieses CO2 nun die Neigung, in den gasförmigen Zustand überzugehen: Es entstehen Bläschen.
Dieses gasförmige Ausfallen des gelösten CO2 geschieht vorzugsweise an einer Ecke oder Unebenheit. Hier kommen die Rosinen ins Spiel. An ihren Falten und Schrumpeln bilden sich sofort große Mengen CO2, die an der Rosine haften. Dann kommt wieder unsere Überlegung vom Fingerhut ins Spiel: Irgendwann sind Rosine + Gasblase leichter als die gleiche Menge Wasser und sie steigen zusammen hoch an die Wasseroberfläche. Dort platzen die Bläschen auf und das CO2 tritt ins Freie. Ohne ihr „Luftkissen“ ist die Rosine nun wieder schwerer als die gleiche Menge Wasser und versinkt.
Die Stärken des „Rosinen-Aufzugs“ liegen auf der Hand: Er ist mit geringem Aufwand durchzuführen, es gibt viel zu beobachten und er macht Schwimmen und Sinken im Wechsel sichtbar. Mein Favorit für dieses Experiment ist die Rosine, aber es geht wohl auch mit vielen anderen Materialien, die schwer genug sind, um zu versinken und leicht genug, um von Gasbläschen nach oben getragen zu werden, und die außerdem viele Dellen und Kanten haben: Mit Linsen und Nudeln soll es auch funktionieren, auch mit Brot habe ich es schon beschrieben gesehen. Ausprobiert habe ich es aber noch nicht…
Jetzt kommt ein sehr spezielles Schwimm-Experiment, das ich aber ausgesprochen originell finde, vor allem, weil dabei gleichzeitig auch etwas über unsere Lebensmittel zu lernen ist. Oder genauer gesagt über ein bestimmtes Lebensmittel: Cola. Das Experiment geht der Frage nach: Ist Cola light wirklich leichter als normale Cola? Dazu tauchen wir eine Dose normale Cola und eine Dose Cola light in ein hohes Glasgefäß, sodass nur noch der Deckel herausschaut, lassen vorsichtig(!) los und siehe da: Die normale Cola versinkt, die Cola light schwimmt. Cola „light“ macht also ihrem Namen tatsächlich alle Ehre: Sie ist leichter.
Diesen Unterschied hätte man zwar auch einfach durch Wiegen herausfinden können, aber so ist es natürlich einerseits anschaulicher, andererseits ist es schön zu sehen, dass sich die beiden unterschiedlichen Gewicht der Cola-Sorten offenbar derart um das Gewicht des Wassers sortieren, dass Cola light leichter ist als (die gleiche Menge) Wasser und normale Cola schwerer. Tatsächlich wiegt ein Liter normale Cola 1.040 g, ein Liter Cola light nur 890 g.
Ein Liter Wasser wiegt bekanntlich bei Raumtemperatur fast genau ein Kilogramm, genauer gesagt etwa 998 g. Lange Zeit war das Kilogramm ja über dieses Wasservolumen definiert. Erst seit 2019 ist das Kilogramm über die sogenannte Planck-Konstante definiert. Aber das nur am Rande. Die Ursache für die unterschiedlichen Cola-Gewichte liegt natürlich in den Zutaten und speziell in den unterschiedlichen Süßungsmitteln. In normaler Cola sind mehr als 100 g Zucker gelöst. Jede/r kennt ja die bedrohlichen Zuckerwürfelberge, die in Ernährungsratgebern gerne neben einer Cola-Flasche aufgetürmt werden. Es gehört zu den Erkenntnissen dieses Experiments, dass gelöste Stoffe nicht einfach verschwinden, sondern zum Gewicht des Lösungsmittels (hier: der Cola) beitragen. Die Cola light hingegen ist mit verschiedenen Süßstoffen gesüßt, z.B. mit Aspartam. In einem Liter Cola light stecken aber nur 120 Milligramm Aspartam, also nur ein Achthundertstel des Zuckergewichts der normalen Cola. Dadurch hat die Cola light eine geringere Dichte, ist „lighter“ und schwimmt.
Übrigens heißt das natürlich nicht, dass Cola light deswegen ein gesundes Getränk wäre. Die Süßungsmittel stehen im Verdacht den Appetit zu fördern, die Geschmacksnerven abzustumpfen und sogar die Entstehung von Krebs zu fördern. Zum Trinken also vielleicht doch lieber das Mineralwasser aus dem Rosinen-Experiment.
Und zum Schluß noch die Königsdisziplin des Schwimmens und Sinkens: der Kartesische Taucher. Ähnlich wie beim „Rosinen-Aufzug“ gibt es auch hier eine ganze Menge unterschiedlicher Material-Möglichkeiten: Man kann als Taucher eine Pipette verwenden oder Streichholzköpfchen oder Brotstückchen oder oder oder — Hauptsache im Tauchobjekt wird eine hinreichend große Menge Luft eingeschlossen. Mein Favorit ist eine Konstruktion aus transparentem Knickstrohhalm und zwei Büroklammern, die ihr hier auf dem Foto seht. Dieser Taucher funktioniert sehr gut und hat gegenüber den Alternativen einen wichtigen Vorteil: Man kann tatsächlich sehen, warum der Kartesische Taucher auf Tauchstation geht. Dazu später mehr.
Zunächst zur Konstruktion: Schneidet den Strohhalm links und rechts vom Knick ab, sodass noch ca. 1 cm beidseits des Knicks stehen bleibt. Biegt bei den Büroklammern den großen Bogen auf zu einem „Bein“ senkrecht zum kurzen Bogen. Schiebt dann das Strohhalm-Stück durch die kurzen Bögen der Büroklammern. Füllt eine PET-Flasche bis ganz oben mit Wasser, setzt den Taucher so hinein, dass die Luft im Strohhalm-Stück bleibt und schraubt den Deckel fest auf die Flasche.
Wenn man jetzt die Flasche fest zusammendrückt, sinkt der Taucher in der Flasche nach unten. Wenn er das nicht tut, könnt ihr zwei Dinge versuchen, um ihn schwerer zu machen: Setzt den Taucher so in die Flasche, dass dabei ein wenig Wasser in den Strohhalm gerät. Oder hängt eine dritte Büroklammer an den Strohhalm. Ein Problem kann natürlich auch sein, dass man einfach nicht fest genug drückt. Gerade für kleine Kinderhände kann das zu schwer sein. Hier könnt ihr als Hilfsmittel eine große Schraubzwinge nehmen und die Flasche einklemmen. Dann können die Kinder recht leicht durch Schrauben an der Zwinge den Taucher auf und ab bewegen.
Aber warum taucht er nun, der Kartesische Taucher? Wenn man die Flasche zusammenpresst, wird Druck auf den Inhalt der Flasche ausgeübt: auf das Wasser, auf den Taucher und auch auf die Luft im Taucher. Wasser und Luft reagieren aber auf den Druck unterschiedlich: Die Luft lässt sich leicht zusammendrücken, das Wasser hingegen so gut wie gar nicht, es gilt als inkompressibel. Wir drücken also auf die Flasche, die Luft wird zusammengedrückt und dadurch kann Wasser in den Taucher hinein steigen. Wenn der Strohhalm durchsichtig ist, kann man das sehr gut sehen. Im Film zu diesem Blog-Beitrag (siehe oben) könnt ihr es euch anschauen. Irgendwann sind Taucher, Luft und hereindringendes Wasser schwerer als das gleiche Volumen Wasser und der Taucher sinkt nach unten.
Der Kartesische Taucher ist natürlich etwas aufwändiger und ein wenig Bastelei, aber ein sehr schönes wissenschaftliches Spielzeug, das man z.B. auch schön bei Schulfesten mit den Kindern basteln kann. Übrigens hat dieses Spielzeug nichts mit den Philosophen und Naturwissenschaftler René Descartes zu tun, sondern wurde nur nach diesem benannt, vermutlich um den Verkauf anzukurbeln…
Das waren meine vier Lieblingsexperimente, um unterschiedliche Aspekte des Themas Schwimmen und Sinken zu erleben. Alle vier könnt ihr im oben stehenden Film noch einmal anschauen. Habt ihr andere Favoriten? Hat etwas nicht geklappt? Oder ist eine meiner Erklärungen unverständlich oder sogar falsch? Dann schreibt es mir in einem Kommentar hier oder direkt an
