Höhere Technische Bundeslehranstalt Steyr
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Ein physikalisches Experiment ist eine Frage an die Natur.
Eine solche Frage kann spannend sein, wenn die Antwort nicht von vornherein klar ist.
Ein Spielzeugboot schwimmt in einem Wasserbecken. Durch ein Leck geht das Boot
unter. Steigt dabei der Wasserspiegel, sinkt er, oder bleibt er in gleicher Höhe?
Begründen Sie Ihre Vermutung!

Mit dieser und einigen anderen (leichteren) Fragen sehen sich die Schüler der 1AHEL am 21.09.07 im Rahmen einer Wiederholung des Einstiegskapitels „Auftrieb“ konfrontiert.
Von den 35 Schülern sind 13 der Meinung, dass der Wasserspiegel steigt, 8, dass er sinkt und 14, dass er gleichbleibt.


Bevor Sie weiterlesen: welcher Meinung sind Sie? Welche Begründung haben Sie?

Die 1AHEL.

Keine der Begründungen, die die Schüler vorbringen, kann alle überzeugen und schließlich kommt ein Schüler auf die Idee:
Machen wir doch einen Versuch!


Der erste Physikversuch:
Der Unterteil einer Tabaksdose
- mit Zusatzmassen - dient als Boot.





Der anfängliche Wasserspiegel wird gemessen.

 
Ein besonderer Spaß ist das Versenken des Schiffes!

 
Es lässt sich nicht mehr leugnen: die Minderheit hat Recht!
Der Wasserspiegel ist um einige Millimeter gesunken.
Der Versuch wurde von diesen zwei Schülern durchgeführt.
(Die Versuche im ersten Jahrgang sind so angelegt, dass jeder Schüler einmal mitmachen darf. Die beiden hier machen den Anfang.)



Und warum sinkt der Wasserspiegel?
Nach dem Gesetz von Archimedes (285 – 212 v.Chr.) gilt:
Die Auftriebskraft ist gleich groß wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeitsmenge.
(Einfachste Veranschaulichung: Wasser schwebt im Wasser …)
Es geht hier um Kräfte, von denen die Schüler zum jetzigen Zeitpunkt noch keine brauchbare Vorstellung haben. Eine Umformulierung für Massen (kg) ist besser:
Damit das Boot schwimmt, muss es soviel Masse an Wasser verdrängen, wie es selbst Masse hat.
Der metallische Schiffskörper hat viel Masse und nur ein kleines Volumen, viel verdrängtes Wasser wird durch Luft ersetzt. Die entweicht beim Untergehen und der Wasserspiegel sinkt. Das untergegangene Schiff verdrängt nur wenig Wasser, dementsprechend gering ist der Auftrieb, den es erfährt. Es bleibt am Grund des Beckens liegen.


Zum Abschluss noch eine Berechnung:
Die Masse des Bootes samt Zusatzmassen ist 137 g. Die Dichte des Wassers ist 1 g/cm³, daher werden nach dem Gesetz von Archimedes vom schwimmenden Boot 137 cm³ Wasser verdrängt. Die Metallteile des Bootes allein verdrängen nur etwa 1/8 dieses Volumens, also etwa 17 cm³. Dabei nimmt man an, dass das Metall (Eisen) ungefähr die 8fache Dichte des Wassers hat. Das ergibt eine Volumsdifferenz von ca. 120 cm³. Das Becken, in dem das Schiff zunächst schwimmt, hat eine Wasserfläche von 20 cm mal 20 cm. Die Volumsverringerung um 120 cm³ hat dann also eine Senkung des Wasserspiegels um 3 mm zur Folge, was sich so berechnen lässt:
120 cm³/ 400 cm² = 0,3 cm. Der Wasserspiegel sinkt also um ca. 3 mm.
(Nö 31.10.07)