Schwimmen und Sinken

Material	Bild	schwimmt oder schwimmt nicht
Eisennagel		schwimmt nicht
Münze klein		schwimmt nicht
Münze groß		schwimmt nicht
Holzspan		schwimmt
Holzklotz		schwimmt
Styropor		schwimmt
Radiergummi		schwimmt nicht
Glasmurmel		schwimmt nicht
Korken		schwimmt
kleiner Stein		schwimmt nicht
großer Stein		schwimmt nicht
Kugel aus Knete		schwimmt nicht

Einige der Materialien schwimmen, andere Materialien sinken.

In diesem Experiment wurden nur Gegenstände verwendet, die Vollkörper sind. Das heißt, sie bestehen aus nur einem Material und haben keine Hohlräume, in denen sich Wasser oder Luft sammeln kann. Ob ein Vollkörper schwimmen kann, hängt zunächst von seinem Material ab. Bei Vollkörpern ist die Größe, die Farbe, die Form und das Gewicht des Gegenstandes egal. Wie du beobachten konntest, schwimmen sowohl der Holzspan als auch der Würfel aus Holz. Holz ist ein Material, das schwimmen kann. Der kleine Stein und der große Stein sinken. Stein ist ein Material, das nicht schwimmen kann. Viele Gegenstände aus Metall, wie z. B. der Nagel und die Münze, schwimmen nicht. So können sowohl kleine und große Gegenstände, sowie leichte und schwere Gegenstände schwimmen oder sinken. Das Experiment zeigt dir, dass es Vollkörper gibt, die schwimmen, und dass es Vollkörper gibt, die nicht schwimmen.

Wie kann es sein, dass manche Vollkörper schwimmen und andere sinken?

Vergleichst du Vollkörper aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Holz, Eisen, Korken, Stein und Styropor, kommt es auf das Material an, ob die Vollkörper schwimmen. Warum ist das so? Dazu kannst du gleich große Würfel, die aus diesen Materialien bestehen, vergleichen. Die gleich großen Würfel können unterschiedlich schwer sein. Dies ist abhängig vom Material, aus dem sie bestehen. So ist ein Würfel aus Styropor, der genauso groß ist wie ein Würfel aus Eisen, leichter. Du kannst dir einen genauso großen Würfel vorstellen, der aus Wasser besteht. Die Würfel aus den Materialien können nun schwerer oder leichter sein als ein gleich großer Würfel aus Wasser. Wiegt das Material bei gleicher Größe weniger als Wasser, schwimmt es in Wasser. Wiegt das Material bei gleicher Größe mehr als Wasser, sinkt es in Wasser. Das erkennst du, wenn du die Würfel vergleichst. Der Würfel Wasser wiegt beispielsweise 1 g. Ein gleich großer Würfel aus Eisen wiegt 7,8 g und ein gleich großer Würfel aus Styropor wiegt 0,05 g. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sprechen von der Dichte von Gegenständen. Ist die Dichte des Gegenstandes größer als die Dichte des Wassers, sinkt er. Ist die Dichte kleiner, schwimmt der Gegenstand. Die Dichte beschreibt, ob Vollkörper bei gleicher Größer leichter oder schwerer sind. Gleich große Würfel können nicht nur unterschiedlich schwer sein. Betrachtet man es andersherum, so sind beispielsweise 100 g aus den unterschiedlichen Materialien auch nicht gleich groß. 100 g Styropor sind größer als 100 g Eisen.

Wenn eine Flasche so viel Wasser aus dem Gefäß verdrängt, wie sie selbst wiegt, dann schwimmt sie. Flasche A, die vollständig mit Wasser und 10 Murmeln gefüllt ist, sinkt. Sie verdrängt weniger Wasser als sie wiegt. Die Flaschen B (mehr als die Hälfte mit Wasser gefüllt) und C (zu einem Viertel mit Wasser gefüllt) schwimmen. Flasche C sinkt weniger tief in das Wasser ein als Flasche B. Je tiefer die Flaschen eintauchen, desto mehr Wasser verdrängen sie.

Wenn man Gegenstände in Wasser eintaucht, verdrängen die Gegenstände Wasser. Das hast du auch sicherlich schon mal in deinem Alltag beobachtet. Liegst du in der Badewanne, so verdrängt auch dein Körper Wasser und der Wasserstand steigt an. In dem Experiment verdrängen die Flaschen Wasser. Befindet sich ein Gegenstand in Wasser, so wird er durch das Wasser nach oben gedrückt. Da die Flaschen Wasser verdrängen, werden sie von dem Wasser nach oben gedrückt. Das kannst du spüren, wenn du versuchst die Flaschen unter Wasser zu drücken. Du spürst einen Gegendruck. Je mehr von der Flasche eintaucht, desto mehr Wasser verdrängt sie. Flasche B taucht tiefer ein als Flasche C, sodass mehr Wasser verdrängt wird und überläuft. Flasche A verdrängt am meisten Wasser. Je mehr Wasser die Flaschen so verdrängen, desto stärker werden die Flaschen durch das Wasser nach oben gedrückt. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen sagen, dass der Gegenstand im Wasser einen Auftrieb erfährt. Alle 3 Flaschen erfahren einen Auftrieb, da sie Wasser verdrängen.

Nun ist es entscheidend, das Gewicht des verdrängten (aufgefangenen) Wassers mit dem Gewicht der Flaschen zu vergleichen. Ist das Gewicht des verdrängten Wassers gleich wie das Gewicht der Flasche, schwimmt die Flasche im Wasser. Ist das Gewicht des verdrängten Wassers niedriger als das Gewicht der Flasche, sinkt die Flasche im Wasser.

Warum ist bei Flasche A der Auftrieb nicht stark genug? Die Flaschen werden nicht nur von dem Wasser nach oben gedrückt, sondern auch von der Erde angezogen. Die Erdanziehungskraft ist der Grund, warum Gegenstände nach unten gezogen werden. So werden auch in diesem Experiment die Flaschen nach unten gezogen. Dabei wird die Flasche mit dem größten Gewicht am stärksten von der Erde angezogen. Je schwerer eine Flasche ist, desto mehr Wasser muss sie verdrängen, um schwimmen zu können.

Um Aussagen darüber treffen zu können, ob ein Gegenstand schwimmt, muss man den Auftrieb im Wasser und die Erdanziehungskraft vergleichen. Wie du beobachten konntest, schwimmen nicht alle Flaschen. Flasche A sinkt. Flasche B und C schwimmen. Ist das Drücken des Wassers, also die Auftriebskraft, kleiner als die Anziehung von der Erde, sinkt der Gegenstand. Das ist dann der Fall, wenn das Gewicht des verdrängten Wassers niedriger ist als das Gewicht der Flasche. Ist das Drücken des Wassers, also die Auftriebskraft, gleich groß wie Anziehung von der Erde, schwimmt der Gegenstand. Das ist dann der Fall, wenn das Gewicht des verdrängten Wassers gleich wie das Gewicht der Flasche ist. Ohne Auftriebskraft im Wasser, würden alle Gegenstände zu Boden sinken. Der Auftrieb im Wasser wirkt der Anziehung der Erde entgegen.

☞ Für die, die es ganz genau wissen wollen: Bisher ging es um Gegenstände, die man auf das Wasser legt. Was passiert aber, wenn man einen Gegenstand vollständig in Wasser eintaucht? Ein voll eingetauchter Gegenstand steigt nach oben, wenn die Auftriebskraft des Wassers größer ist als die Anziehung der Erde. Tauche dazu die Flaschen vollständig unter Wasser und schau was passiert. Ist der Gegenstand an der Wasseroberfläche angekommen, ist die Auftriebskraft des Wassers gleich groß wie die Anziehung der Erde.

Die Knetkugel sinkt. Formt man das gleiche Stück Knete so, dass es der Form eines Schiffs ähnelt, schwimmt es.

Knete ist ein Material, das als Vollkörper sinkt. Dennoch gibt es Möglichkeiten, dass Materialien, die eigentlich sinken, schwimmen können.

Die Knetkugel wird von der Erde angezogen, aber auch von dem Wasser nach oben gedrückt. Wie du im oberen Experiment gelernt hast, sinkt ein Gegenstand, wenn die Auftriebskraft des Wassers kleiner ist als die Anziehung der Erde. Die Knetkugel sinkt, weil die Auftriebskraft des Wassers kleiner ist als die Anziehung der Erde.

Beide Knetstücke sind gleich schwer und werden deshalb auch gleich stark von der Erde angezogen. Damit das gleiche Knetstück schwimmen kann, muss die Auftriebskraft so groß sein wie die Anziehung durch die Erde. Durch die Veränderung der Form (schalen- oder schiffförmig), verändert sich die Auftriebskraft. Durch die Veränderung der Form, verdrängt die Knete mehr Wasser. Je mehr Wasser verdrängt wird, desto stärker wird das Knetboot durch das Wasser nach oben gedrückt. Das Knetboot schwimmt, weil die Auftriebskraft des Wassers so der Anziehung der Erde stark genug entgegenwirken kann. Entscheidend ist deshalb, dass durch die Veränderung der Form mehr Wasser verdrängt wird. Man kann allerdings nicht jedes Material mit Hilfe einer Schiffsform zum Schwimmen bringen.