Liebe Leute!

 

Hier der neue Arbeitsauftrag für Physik, Thema: Die Geschichte des Heißluftballons.

 

Lies dir den Text durch und verschaffe dir einen Überblick. Dann lies es dir ein zweites Mal absatzweise durch. Markiere wichtige Begriffe.

Überlege dir 3 Fragen zum Text und schicke sie mir. Klebe die 3 Blätter in dein Heft ein.

 

Abgabe der drei Fragen: Montag, 18. Mai

Viel Vergnügen damit! Ich habe den Text sehr interessant und kurios gefunden.

 

LIebe Grüße, 

Iris Weichselberger

Warum fliegen Flugzeuge und Vögel?

Es ist erstaunlich: Ein Flugzeug wie der Airbus A380 wiegt rund 560 Tonnen und kann trotzdem abheben und fliegen. Wie geht das? Warum können Flugzeuge überhaupt fliegen? 

Die Antwort auf diese Frage liegt – beim A380 wie bei allen anderen Flugzeugen – im gekrümmten Profil der Tragflächen: Denn der Flügel eines Flugzeugs ist so geformt, dass die Luft auf der gewölbten Oberseite viel schneller strömt als auf der Unterseite. Dadurch entsteht über dem Flügel ein starker Sog nach oben. Man könnte also sagen: Flugzeuge „liegen“ nicht etwa auf der Luft unter ihnen, sondern sie „kleben“ an der Luft über ihnen – vorausgesetzt, dass sie mit der erforderlichen Geschwindigkeit unterwegs sind, damit dieser sogenannte Auftrieb stark genug ist.

Versuch 1: Auftrieb spüren

Diesen Versuch machst du am besten in einem fahrenden Auto. Dort hältst du die Hand aus dem Fenster wie auf dem Foto gezeigt und erlebe, was passiert.

Erklärung:

Hält man die Hand wie auf dem Foto gezeigt aus dem Autofenster, so erfährt sie einen ordentlichen Auftrieb. Einen solchen Auftrieb bekommen auch die Flügel eines Flugzeuges zu spüren, wenn diese eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht haben. Der Auftrieb wiederum kommt zustande, weil über dem Flügel ein geringerer Druck herrscht als unter dem Flügel. Dies trifft natürlich auch auf den Fall zu, dass ein Vogel fliegt.

Auf ein Flugzeug wirken im Prinzip vier physikalische Kräfte ein: Die Schwerkraft zieht es nach unten, der Auftrieb wirkt nach oben und hält das Flugzeug in der Luft. Der Vortrieb bewegt das Flugzeug vorwärts, der Widerstand bremst es. Erst wenn der Auftrieb größer als die Schwerkraft ist, hebt das Flugzeug ab. Im Gegensatz zu Luftschiffen oder Ballonen, die einfach schweben, weil sie leichter als Luft sind, entsteht der Auftrieb bei Flugzeugen also erst, wenn die Luft die Tragflächen schnell genug umströmt und so immer mehr Auftrieb erzeugt wird. 

Auftrieb

Vortrieb

Widerstand

Schwerkraft

Schwerkraft

Warum fliegen Flugzeuge überhaupt? Das Zauberwort heißt „Auftrieb“ – und ein schlauer Mann namens Daniel Bernoulli entdeckte dieses Prinzip schon vor langer Zeit: Im Jahr 1738 erschien sein Buch mit dem Titel „Hydrodynamica“. Darin geht es um die Strömungsforschung – wenn auch vor allem um die Strömung in Flüssigkeiten. Aber das ist egal, denn Strömungen in der Luft verhalten sich ähnlich. Jedenfalls beschrieb Bernoulli damals zum ersten Mal das Prinzip des Auftriebs, das das Fliegen überhaupt erst möglich macht. 

Versuch 2:

Material: ein etwa 5 cm breiter und mindestens 10 cm langer Papierstreifen

Durchführung: Nimm den Papierstreifen, lege das Ende des Streifens über den Zeigefinger, halte sich diesen unter deine Unterlippe.

Und jetzt einmal ganz kurz und kräftig darüber pusten! Die schnell strömende Luft aus deinem Mund erzeugt über dem Papier einen Unterdruck, der den Streifen – wie im „echten Leben“ die Tragfläche – nach oben zieht. 

Das ist der sogenannten Bernoulli-Effekt. Danach wird der Druck umso niedriger, je schneller Luft strömt. Dort, wo aber ein niedriger Druck oder Unterdruck herrscht, entsteht ein Sog. Beim Papierstreifen passiert also Folgendes: Über dem Streifen, wo wir gepustet haben, strömt die Luft schnell, sodass dort ein geringerer Druck als unter dem Streifen herrscht. Als Ergebnis entsteht ein Sog, der den Papierstreifen nach oben zieht.

Bernoulli-Effekt im Alltag:

Flattern Fahnen im Wind, so tun sie dies aufgrund von Druckunterschieden zwischen der einen und der anderen Seite der Fahne. Ist bei einem Cabrio auf der Autobahn das Verdeck geschlossen, so wölbt sich dieses bei hoher Geschwindigkeit nach außen. Auch hier entsteht ein Druckunterschied, weil Luft mit hoher Geschwindigkeit über das Dach hinwegfegt und der Druck sinkt, während im Inneren des Autos Normaldruck herrscht.

Ein Flugzeug steigt, wenn der Auftrieb größer ist als die Gewichtskraft des Flugzeugs. Ist doch klar: Die Kraft, die den Flieger nach oben bewegt, muss größer als die Gewichtskraft des Fliegers selbst sein. Stell dir das Flugzeug vor, wie es schnell über die Startbahn saust. In diesem Moment – und anschließend während des Fluges – spielen sich mehrere Dinge ab:

1.  Die Flügel bewegen sich schnell durch die Luft – immer schneller. Dabei strömt ein Teil der Luft oberhalb des Flügels, ein anderer Teil unterhalb des Flügels entlang. Der Flügel „zerschneidet“ die Luft wie ein Messer die Butter. Jetzt aufpassen: Die Tragflächen von Flugzeugen sind ja immer auf der Oberseite etwas gewölbt. Das bewirkt, dass die Luft dort etwas schneller strömt. Dadurch entsteht ein Unterdruck, also ein Sog nach oben: Denn immer wenn Teilchen schneller strömen bzw. fließen, nimmt der Druck ab. Genau das hat Bernoulli erkannt – und nach ihm heißt dieses Prinzip auch das Gesetz von Bernoulli. Auf der Unterseite ist der Flügel anders geformt, nämlich weitgehend flach und nicht nach außen gewölbt. Da fließen die Luftteilchen langsamer als oben am Flügel vorbei, sodass unter der Tragfläche ein Überdruck entsteht.

2. Jetzt kommt noch ein ganz anderer Effekt hinzu. Da die Tragfläche leicht schräg in der Luftströmung steht, werden die Luftteilchen nach unten abgelenkt, während der Flügel gleichzeitig nach oben gedrückt wird. Die Luftteilchen treffen quasi auf den Flügel und schieben ihn nach oben. Dieses Prinzip, bei dem die Luftteilchen durch die Umlenkung einen Impuls auf den Flügel übertragen, nennt man „actio gleich reactio“. Nebenbei: Nur durch diesen Effekt allein können Papierflieger durch die Luft gleiten, ohne dass ihre Flügel oben gewölbt sind.

Warum sind die Luftteilchen auf der Oberseite des Flügels schneller als auf der Unterseite? Warum erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, wenn die Oberfläche gewölbt ist? Dafür ist ein weiterer Effekt verantwortlich: Beim Start bildet sich an der Hinterkante des Flügels ein Wirbel. Man nennt ihn Anfahrwirbel.

Nun könnte man sagen: Ist doch egal, was da hinter dem Flügel passiert. Stimmt aber nicht. Denn jeder Wirbel – das ist ein physikalisches Gesetz – löst immer einen entgegengesetzten zweiten Wirbel aus. Und der Wirbel, der vom Anfahrwirbel ausgelöst wird, führt um den gesamten Flügel herum: unterhalb des Flügels nach vorne, also entgegen der Flugrichtung, und oberhalb des Flügels wieder zurück zur Hinterkante. Das darf man sich nicht so vorstellen, als ob da Luftteilchen unter dem Flügel nach vorne wandern. Denn das Flugzeug fliegt ja sehr schnell durch die Luft, sodass alle Luftteilchen – egal ob über oder unter dem Flügel – nach hinten strömen. Aber der Wirbel, der um den Flügel herumführt, verlangsamt immerhin die Strömung unter dem Flügel und beschleunigt sie darüber. So setzt der Anfahrwirbel die ganze Sache mit der schnellen Strömung oberhalb und mit der langsamen Strömung unterhalb des Flügels in Gang.

Versuch 3: Schwebender Ball

Material: Haarfön, Styroporball oder Tischtennisball

Durchführung: Stelle den Fön an (möglichst kalt, sonst wird’s schnell brenzlig!), halte ihn mit der Öffnung nach oben und lege den Ball oder die Kugel in den Luftstrom. Man kann den Haartrockner dabei auch etwas zur Seite neigen.

Was ist geschehen? Erklärung zum Bernoulli-Effekt

Legt man einen Ball in den Luftstrom des Haartrockners, so fliegt er nicht weg, sondern schwebt relativ stabil über dem Fön. Zu erklären ist dies mit dem Bernoulli-Effekt. Danach wird der Druck umso niedriger, je schneller die Luft strömt. Dort wo aber ein niedriger Druck oder Unterdruck herrscht, entsteht ein Sog, der den Ball immer wieder neu in die Mitte des Luftstroms treibt. Anders gesagt: Hat eine Flüssigkeit oder auch ein Gas wenig Platz, so fließen sie schneller – und umgekehrt.

Warum der Ball auch bei einer Neigung des Föns nicht fällt, hat sowohl mit dem Bernoulli-Effekt zu tun als auch mit zwei weiteren Phänomenen, die nach den Herren Coanda und Magnus benannt sind.

Fahren Schiffe zu nah aneinander vorbei, so ziehen sie sich scheinbar an. In der Binnenschifffahrt wird es kritisch, wenn der Abstand zwischen Kanal und Schiffsboden zu gering ist. In diesem Fall können Schiffe auf den Grund des Kanals gesogen werden. Ein Versuch mit klappernden Löffeln macht deutlich, wie dies geschehen kann. 

Versuch 4: Klappernde Löffel

Material: 2 Löffel, Wasserstrahl

Durchführung: Nimm die Löffel und halte sie im Abstand von ein bis zwei Zentimetern in den Wasserstrahl. Beide Löffel müssen das Wasser berühren.

Was ist geschehen? Hält man die Löffel in den Wasserstrahl, bewegen sie sich aufeinander zu und beginnen zu klappern. Dies lässt sich mit dem Bernoulli-Effekt erklären. An der engsten Stelle zwischen den Löffeln hat das Wasser weniger Platz und fließt schneller. Nach Bernoulli wird der Druck aber umso niedriger, je schneller eine Flüssigkeit oder ein Gas strömt. Dort wo ein niedriger Druck oder Unterdruck herrscht, entsteht ein Sog. Er lässt die Löffel zusammenschlagen, während das von oben auf und zwischen die Löffel fallende Wasser sie wieder auseinanderdrängt. Wiederholt sich der Vorgang, entsteht ein Klappern.

Dieses Phänomen im Alltag

Die sich anziehenden Schiffe lassen sich nun verstehen. Zwischen den Schiffen entsteht eine Engstelle. Das ankommende Wasser hat weniger Platz und strömt schneller. Der Druck sinkt und ein Sog entsteht. Dasselbe gilt für Schiffe, die im Kanal auf Grund laufen. Auch hier ist der Abstand zwischen Schiffsboden und Kanalgrund nicht groß genug. Leicht lässt sich das übrigens auch in der Badewanne oder einer Schüssel mit Wasser nachstellen: Man nimmt zwei Spielzeugboote oder irgendetwas anderes, das schwimmt, und spritzt Wasser zwischen ihnen hindurch.

Versuch 5: Geisterhafte Getränkedosen

Material: zwei leere Getränkedosen, ein nicht zu dünner Strohhalm

Nimm die Getränkedosen, lege sie im Abstand von zwei bis drei Zentimetern nebeneinander und blase mithilfe eines Strohhalmes zwischen ihnen hindurch.

Was ist geschehen? Bläst man zwischen den Dosen hindurch, bewegen sie sich aufeinander zu. Zu erklären ist dies mit dem Bernoulli-Effekt. Danach wird der Druck umso niedriger, je schneller die Luft strömt. Dort, wo aber ein niedrigerer Druck oder Unterdruck herrscht, entsteht ein Sog. Dieser lässt die Dosen aufeinander zurollen. Anders gesagt: Hat eine Flüssigkeit oder ein Gas wenig Platz, so fließt es schneller – und umgekehrt.

Versuch 6:

Halte zwei Blätter Papier parallel im Abstand von etwa ein bis zwei Zentimetern vor den Mund, sodass sie rechts und links gerade die Nase berühren, und pustet zwischen ihnen hindurch.

Was ist geschehen? Die Blätter bewegen sich aufeinander zu. Auch dieser Versuch ist ein gutes Beispiel für den Bernoulli-Effekt und ist mit dem Experiment Geisterhafte Getränkedosen vergleichbar. 

Der Coanda-Effekt: Gase und Flüssigkeiten strömen entlang gekrümmter Flächen, wenn die Krümmung nicht zu stark ist. Ohne diesen Effekt flöge nichts.

Versuch 7: Kerze hinter Flasche ausblasen

Material: Dose oder Flasche, Kerze und Streichhölzer

Durchführung: nehme die Flasche, stelle eine brennende Kerze dahinter und blase etwa in Höhe der Kerzenflamme auf die Flasche.

Was ist geschehen? Erklärung zum Coanda-Effekt

Strömende Gase folgen gekrümmten Oberflächen, solange die Krümmung der Oberfläche nicht zu stark ist. Aus diesem Grund kann man die Kerze hinter der Flasche ausblasen. Der sogenannte Coanda-Effekt wurde von dem rumänischen Luftfahrttechniker Henri Coanda (1885–1972) entdeckt. Er konnte ihn jedoch nicht erklären. Im Prinzip geschieht beim Coanda-Effekt jedoch nicht viel mehr, als dass die ankommende Luft diejenige an der Krümmung verdrängt und den so entstandenen Raum dann selbst ausfüllt. Der Coanda-Effekt funktioniert in gleicher Weise mit Flüssigkeiten. 

Magnus-Effekt: Bananenflanken kennen wir aus dem Fußball: Wenn die Flugbahn einer Richtung Tor geschlagenen Flanke eine Banane beschreibt, sprechen wir von einer Bananenflanke (s. Video unten). Manchmal landet so auch ein kunstvoll geschossener Eckball direkt im Tor. Dies wird erreicht, indem man den Fußball beim Stoß in Rotation versetzt. Rotiert der Ball zum Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn (links), so fliegt er auch nach links. Dieses Phänomen beruht auf dem Magnus-Effekt, benannt nach seinem Entdecker, dem deutschen Physiker und Chemiker Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). In diesem Versuch kann man den Magnus-Effekt selbst erzeugen.

Versuch 8: Bananenflanken-Effekt

Material: Klopapierrolle (ohne Klopapier), Ein Din-A-4, Blatt Moosgummi, Schere und Tixo, zwei lange Haushaltsgummis, Moosgummi

Durchführung:

Nimm den Moosgummi, wickle es einmal um die Klopapierrolle und schneide das überstehende Stück so ab, so dass die Kanten bündig aneinanderstoßen. Dann klebe man das Moosgummi mit Tixo zusammen. Die Klopapierrolle bleibt in der Moosgummi-Rolle (Foto rechts).

Dann knote man die beiden Gummis zusammen (Foto rechts).

Die Gummis wickele man dann um die Rolle, wie auf dem Foto rechts zu sehen. Dabei halte man ein Ende des Gummis mit dem Daumen fest und wickele dieses von hinten nach vorne um die Rolle herum. Das Ganze versuche man dann wegzuschnicken (Foto oben), sodass die Rolle schnell rotierend nach vorne wegfliegt. Dies klappt üblicherweise nicht gleich beim ersten Mal, sondern braucht etwas Übung.

Was ist geschehen? Erklärung zum Magnus-Effekt

Macht man es richtig, fliegt die Moosgummi-Rolle in einem Bogen nach oben, bevor sie auf den Boden fällt. Der Grund für dieses Verhalten ist der Magnus-Effekt, der hier wie folgt funktioniert:

Das Moosgummi hat eine raue Oberfläche. Die Rolle rotiert in der Grafik unten entgegen dem Uhrzeigersinn und reißt Luft mit sich. Diese Luftströmung wird oberhalb der Rolle vom entgegenkommenden Wind beschleunigt und unterhalb abgebremst. Laut dem Gesetz von Bernoulli herrscht aber dort, wo Luft schneller strömt, ein Unterdruck und damit ein Sog. Dieser Sog führt dazu, dass die Rolle nach oben abgelenkt wird – und wie der Fußball eine Bananenflanke beschreibt, also im Bogen fliegt. Ein zusätzlicher Faktor sind außerdem Wirbelschleppen, die sich am Ball ausbilden und ihm noch einen zusätzlichen Schubs geben, aber da wird es dann richtig kompliziert …

Der Magnus-Effekt im Alltag

Der Magnus-Effekt spielt nicht nur bei der Bananenflanke im Fußball, sondern auch im Golf, Tennis oder Tischtennis eine Rolle. Es gab früher auch sogenannte Rotorschiffe und -flugzeuge, die einen Flettner-Rotor als Antrieb verwendeten, der gleichfalls den Magnus-Effekt ausnutzte.

Merktext: Trage in dein Heft ein:

Der Auftrieb in der Luft

Luft besitzt eine Masse. 1 m³ Luft hat eine Masse von 1,3 kg.

Auch für Gase gilt das Archimedische Prinzip des Auftriebs. Auf jeden Körper wirkt eine Auftriebskraft der Luft. Diese ist genau so groß wie die Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Luftmenge.

Ist die Auftriebskraft der Luft höher als die Gewichtskraft des Körpers, so steigt der Körper in die Höhe. Dies nützt man bei Ballons, die mit Heißluft oder Helium gefüllt werden.

Flugkörper, die schwerer sind als Luft, fliegen wegen eines aerodynamischen Auftriebes, der durch den speziellen Bau der Tragflächen zustande kommt.

Dadurch entsteht ein Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Tragfläche, der eine nach oben gerichtete Kraft bewirkt, die das Flugzeug trägt.

Die Luft setzt jeden bewegten Körper einen Widerstand entgegen. Dieser Luftwiderstand wächst mit zunehmender Geschwindigkeit und ist von der Form des Körpers abhängig.

Versuch 9: Hubschrauber

Wir bauen einen Hubschrauber. Schneide ein Papier im Format 15 cm mal 20 cm an den markierten Linien ein. Falte es wie angegeben und beschwere es mit einer Büroklammer. Lasse deinen Hubschrauber aus großer Höhe fallen.

Versuch 10: Bumerang

Die Aborigines sind die Ureinwohner Australiens. Sie benutzen ein gebogenes Wurfholz zum Jagen, das zum Werfer zurück kommt, wenn es sein Ziel verfehlt. Du kennst es, es ist der Bumerang.

Baue einen Mini-Bumerang aus einem Stück Karton, zum Beispiel einer Postkarte.

Halte dich an die angegebenen Maße. Biege die Oberkante leicht auf. Stecke ihn unter den Fingernagel deines Daumens und schnippe ihn mit der anderen Hand weg. Übung macht den Meister.

 

Lies dir die Texte genau durch und unterstreiche die wichtigen Begriffe. Lies den Text ein zweites mal konzentriert durch bis du genau verstehst.

 

Ich habe für dich viele Versuche angeführt. Du kannst die meisten davon in der Badewanne oder in einem vollen Wasserkübel oder einer mit Wasser gefüllten großen Salatschüssel durchführen.

 

Wenn du die benötigten Materialien nicht zu Hause hast, kannst du sie beim nächsten Spaziergang von draußen mitnehmen. Bemühe dich, so viele Experimente wie möglich durchzuführen. Du musst aber nicht alle Versuche machen. Für einige brauchst du eine Federwaage. Habt ihr eine in der Werkzeugkiste? Frag deine Eltern. Wenn nicht, lass diese Experimente einfach aus. Viel Spaß dabei!

 

Abgabeschluss: 4. Mai

 

Der Auftrieb in Flüssigkeiten

 

• Warum schwimmt das Badewasserthermometer, auch wenn du es immer wieder auf den Boden drückst?
• Wieso schwimmen Schiffe, sie sind doch aus Metall und das geht doch unter?
• Wenn du im Schwimmbad auf einer Leiter aus dem Wasser kletterst, warum scheint dir dein eigener Körper so leicht?
• Wieso kannst du deine Freunde im Wasser heben? Gelingt dir das auch auf dem Trockenen?
• Wieso kann man unter Wasser schwere Gegenstände leicht heben und warum schwimmt es sich im Meer leichter als in einem See?

 

Wann schwimmt etwas im Wasser?

Die gängige Antwort: Wenn etwas schwer ist, dann sinkt es und wenn etwas leicht ist, dann schwimmt es. Das mag grundsätzlich nicht ganz falsch sein, stimmt aber nicht immer. Ein Schiff ist schwer, es schwimmt aber.

 

Grundsätzlich schwimmt etwas, wenn die Erdanziehungskraft durch die Auftriebskraft des Wassers ausgeglichen werden kann. Bei schwimmenden Dingen kommen Auftriebskraft und Erdanziehungskraft ins Gleichgewicht. Je größer die verdrängte Wassermenge, desto größer ist die Kraft des Auftriebs. Deshalb liegen Schiffe mit schwerer Ladung (= große Erdanziehungskraft) tiefer im Wasser als Schiffe mit leichter Ladung.

 

Es kann aber sein, dass etwas komplett ins Wasser getaucht ist und der Auftrieb immer noch nicht ausreicht, die Erdanziehungskraft auszugleichen. Wenn das der Fall ist, dann kann etwas nicht schwimmen. Das ist zum Beispiel bei einem Stein so.

  

Wann ist die Erdanziehungskraft größer als der Auftrieb?

Wasser hat eine bestimmte sogenannte Dichte. Immer dann wenn die Dichte von etwas höher ist als die Dichte von Wasser, dann ist die Erdanziehungskraft größer als der Auftrieb. Ist die Dichte von etwas kleiner als die von Wasser, dann reicht die Auftriebskraft aus, etwas schwimmen zu lassen. Ist die Dichte genauso wie die von Wasser, dann schwebt etwas im Wasser.

 

Probiert es mit Sand und Luft aus. Vielleicht könnt ihr Vorhersagen treffen, indem ihr die Dichte von Luft und Sand mit der von Wasser im Vorfeld vergleicht.

 

Vergleicht man eine bestimmte Menge von etwas mit derselben Menge Wasser, dann ist das dichter, was mehr wiegt!

 

Versuch 1:

Fülle eine große Glaschüssel mit Wasser. Richte dir viele kleine Gegenstände aus verschiedenen Materialien und setze sie ins Wasser. Was sinkt? Was schwimmt? Was schwebt? Untersuche: Streichholz, Korken, Glas, Radiergummi, Bleistift, Löffel, Stein, Tischtennisball, Büroklammer, Eiswürfel, Kreide, Playmobilfigur, Blütenblatt, Blatt, Grashalm, Tintenpatrone, Seife, Ei, Apfel, Birne, Papierkugerl, Murmel, Plastiklöfferl, Essstäbchen, eine geschälte Orange, eine Orange mit Schale....

Zeichne eine Tabelle in dein Heft: Trage ein und hake ab.

Gegenstand	sinkt	schwimmt

.......

......

Versuch 2:

Nimm 2 gleich große Stücke Alufolie. Forme aus einem Stück eine Kugel, steige mit dem Fuß darauf, um sie ganz fest zusammenzudrücken! Forme aus der zweiten ein Schiff und setze beide auf die Wasseroberfläche. Was passiert?

 

 

Versuch 3:

Forme 2 gleich große Knetekugeln. Überprüfe, sind die beiden Kugeln gleich groß und somit auch gleich schwer? Wenn ja, forme aus einer Kugel ein Boot und lasse beide gleichzeitig ins Wasser. Was passiert?

 

 

Versuch 4:

Du brauchst drei Überraschungseierdoserl oder drei Wasserbomben oder drei Filmdosen oder ähnliche Behältnisse. In die erste gibst du Kieselsteine. Die zweite füllst du vollständig mit Wasser und die dritte füllst du zur Hälfte mit Wasser. Lasse sie nacheinander in eine Wasserwanne gleiten! Beschreibe!

 

 

Was ist Auftrieb?

Auftrieb gibt es in allen Flüssigkeiten und auch in allen Gasen.

 

Auftrieb im Wasser stelle ich mir immer so vor: Das Wasser besteht aus vielen, vielen kleinen Wasserteilchen. Wenn etwas in Wasser fällt, dann möchten sie nicht wirklich Platz machen. Sie drücken dagegen. Das genau ist der Auftrieb. Wegen des Auftriebs kommt uns vieles im Wasser leichter vor und können Dinge im Wasser schwimmen.

 

Ist der Auftrieb genauso groß wie die Erdanziehungskraft, dann geht es im Wasser hoch.

 

Ist der Auftrieb kleiner als die Erdanziehungskraft, dann geht es hinunter.

 

Jetzt wird es kompliziert:

Solange etwas im Wasser noch nicht komplett untergetaucht ist, nimmt die Auftriebskraft mit der Tiefe zu. Das lässt sich an schwer beladenen Schiffen gut erkennen. Sie sinken tiefer ins Wasser, erfahren einen größeren Druck (=Auftrieb) und können dann schwimmen. 

Woran mag das liegen? 

Wasserteilchen sind in der Tiefe stärker, weil sie enger zusammen sind und deshalb einfach mehr Wasserteilchen drücken.

 

Sobald ein Gegenstand untergetaucht ist, kommt neben dem zunehmenden Druck nach oben auch noch Wasserteilchendruck von oben nach unten hinzu. Dieser verstärkt die nach unten gerichtete Erdanziehungskraft. Mit weiter zunehmender Wassertiefe ändert sich die Auftriebskraft bei untergetauchten Gegenständen deshalb nicht. 

 

 

Versuch 5:

Befestige ein Gewicht oder einen Stein mit einer Schnur an einer Federwaage und miss die Gewichtskraft. Tauche das Gewicht an der Federwaage in Wasser und miss nochmals. Was passiert?

 

 

 

Erklärung:

Wie ist das zu verstehen, wenn doch auf einen Körper unter Wasser von allen Seiten ein gleich großer Druck wirkt?

Die Druckkraft auf den Würfel ist größer als die von oben. Der Druck ist ja von der Tiefe des eingetauchten Körpers abhängig. Aus dem Zusammenwirken der beiden Kräfte nach oben und nach unten bleibt eine Restkraft übrig, die nach oben gerichtet ist. Diese nennen wir Auftriebskraft oder kurz Auftrieb.

Die Kräfte, die auf die Seitenflächen wirken, sind in gleicher Tiefe gleich groß und heben einander auf.

 

 

 

 

 

 

Wovon hängt der Auftrieb ab?

 

Versuch 6:

Hänge ein Stück Plastilin an eine Federwaage, tauche es ins Wasser und lies die

Gewichtskraft ab.

Verforme das Stück Plastilin, tauche es wieder an der Federwaage hängend in Wasser und lies die Gewichtskraft ab. Was passiert? Ändert sich etwas?

 

Versuch 7:

Forme eine Kugel aus Knetmasse. Versuche nun eine zweite Kugel genauso groß anzufertigen. Knete einen Stein in die Masse. Bestimme die Gewichtskraft der beiden gleich großen Kugeln mit der Federwaage und notiere die Werte. Halte nun beide Kugeln in Wasser und lies wieder die Gewichtskraft ab. Vergleiche!

 

 

Versuch 8:

Bestimme die Gewichtskraft von zwei unterschiedlich großen Steinen mit einer Federwaage. Stelle fest, wie viel Gewichtskraft die beiden Steine im Wasser verlieren!

 

 

Versuch 9:

Bestimme den Auftrieb eines Steines in Wasser, in Öl (kleinere Dichte als Wasser) und in Glycerin (größere Dichte als Wasser)! Beschreibe!

 

 

Versuch 10:

Diesen Versuch kannst du in der Badewanne durchführen oder mit einer großen Schüssel oder einem Kübel, gefüllt mit Wasser.

Richte dir verschiedene Gegenstände: Korken, Badewannenthermometer, Streichholz, Eisstäbchen, Essstäbchen, ein leeres Überraschungsei, eine leere Plastikflasche, ... - Gegenstände die schwimmen. Drücke die Gegenstände ganz unter Wasser der Badewanne und lasse schnell los. Was passiert?

 

 

Was ist das Archimedische Gesetz?

 

Versuch 11:

Fülle in eine Wasserbombe oder einen Luftballon ganz wenig Wasser ein, dann blase sie/ihn ein bisschen auf. Fülle in eine zweite Wasserbombe/ einen zweiten Luftballon etwas mehr Wasser ein, dann blase sie/ihn etwas mehr auf als den ersten. Fülle in die dritte Wasserbombe/den dritten Luftballon noch mehr Wasser und blase ihn noch mehr auf. Setze alle drei Luftballon in die gefüllte Badewanne oder eine große Wasserschüssel und untersuche die Eintauchtiefe!

 

 

 

 

 

Versuch 12:

Fülle in eine Wasserbombe/einen Luftballon etwas Sand ein. Drehe den Luftballon gut zu, aber so, dass du ihn wieder öffnen kannst. Gib ihn in die Schüssel mit Wasser. Schwimmt er? Sinkt er?

Er geht unter, Sand sinkt im Wasser zu Boden. Was kannst du machen, um den Sand-Luftballon doch schwimmen zu lassen?

 

 

Versuch 13:

Wiege einen Schoko-Osterhasen und eine Tafel Schokolade ab. Brich von der Schokolade vorsichtig ganz wenig ab, solange, bis die Schokolade und der Osterhase gleich schwer sind. Setze die beiden in die Schüssel mit Wasser. Wie verhalten sich die beiden im Wasser?

Nimm die Schoko und den Hasen wieder aus dem Wasser und trockne sie vorsichtig ab. Du kannst es jetzt ruhig essen, die Schoko schmeckt sicher bestens!

 

 

Versuch 14:

Wirf ein Eiswürferl in ein Glas gefüllt mit Wasser. Schwimmt es? Sinkt es? Warum?

 

 

Versuch 15:

Fülle in einen Luftballon 3 Teelöffel mit Salz. Fülle Wasser dazu und verknote den Luftballon. Achte darauf, dass sich keine Luft im Ballon befindet.

Fülle einen zweiten Ballon nur mit Wasser. Es soll sich wieder nur Wasser, aber keine Luft im Ballon befinden. Die beiden Luftballone sollen gleich groß sein.

Setze die beiden Luftballone in deine Schüssel mit Wasser. Wie verhalten sie sich? Warum ist das so?

 

 

Versuch 16:

Fülle ein Glas randvoll mit Wasser und stelle es auf eine Waagschale. Lasse ein Säckchen, das mit Wasser gefüllt ist, an einer Schnur vollständig ins Wasser gleiten. Was passiert?

Lege nun die Waagschale mit Wasser wieder auf die Balkenwaage. Stelle das Säckchen auf die zweite Waagschale. Was passiert?

 

 

Versuch 17:

Befestige an beiden Enden eines Holzstabes zwei gleich schwerde Gegenstände. Hänge den Stab an einer Schnur auf und bringe deine „Waage“ ins Gleichgewicht. Halte die Vorrichtung an der Schnur und tauche einen der beiden Gegenstände in Wasser. Was passiert?

 

 

Hallo meine jungen Freunde!

 

Ich bin Archimedes, ein griechischer Erfinder und Forscher. Auf die Welt kam ich 285 vor Christi und bin knapp 73 Jahre alt geworden. Ich starb im Jahr 212 vor Christi. Gelebt habe ich in Syrakus.

 

Manche Leute behaupten, dass man mich als den ersten Physiker der Welt bezeichnen kann. Meine Kollegen vor meiner Zeit versuchten nämlich alle Sachen rein mythologisch zu erklären. Tja, ich und dann auch später einige andere helle Köpfe, wir suchten nach natürlichen Ursachen für die Dinge, die um uns passieren.

Wir versuchten also, die Welt so zu erklären, dass wir alles auch beweisen konnten. Ich habe einiges an mathematischen Modellen aufgestellt. Zum Beispiel habe ich als erster die Zahl "Pi" näher beschrieben. Diese Zahl brauchst du zum Beispiel in Mathe, um zu sagen zu können, wie groß der Flächeninhalt eines Kreises ist.

 

Aber nicht nur mit der Mathematik habe ich mich befasst, ich habe sogar vieles erfunden. Einiges trägt sogar meinen Namen, zum Beispiel die Archimedische Schraube. Mit der kann man Wasser einen Berg kraftsparend aufwärts befördern.

Dann gibt es noch einige Gesetze, die nach mir benannt sind, z.B. das Archimedische Prinzip.

 

Eines Tages bat mich der König von Syrakus zu sich. Der König glaubte, dass der Goldschmied nicht ganz ehrlich zu ihm war. Der Schmied sollte nämlich für den König eine Krone herstellen. Und um die Krone herzustellen, bekam der Schmied einen Barren Gold. Als die Krone fertig war, ließ der König seine neue Krone wiegen, und sie war genauso schwer wie ein Barren Gold.

 

Aber irgendwie fühlte sich der König unwohl. Er dachte nämlich, dass der Schmied einen Teil des Goldes durch Silber ersetzte.

 

Und da kam ich ins Spiel. Ich sollte nun beweisen, dass der Goldschmied den König betrogen hatte.

 

Meine Güte habe ich mir den Kopf zerbrochen. Ich hatte eine Krone und sollte beweisen, dass sie entweder aus purem Gold bestand oder mit Silber vermischt war.

 

Ich wusste, dass Silber bei gleicher Masse ein größeres Volumen hat als Gold.

Man hat also mehr Silber als Gold bei gleicher Masse. Ein Kilo Silber ist somit größer als ein Kilo Gold.

 

Der Schmied sollte aus einem Barren Gold eine Krone schmieden. Wenn aber ein Teil des Goldes durch Silber ersetzt wurde, muss die Krone ein größeres Volumen als ein Goldbarren haben.

Aber wie sollte ich das alles vermessen, die ganzen Verzierungen und Schnörkel. Einschmelzen durfte ich die Krone nicht, denn die Krone wollte der König natürlich behalten.

 

Eines Tages, nach langem Nachdenken, legte ich mich in die Badewanne. Ich wollte mich so richtig schön entspannen, als ich bemerkte, dass da schon wieder Wasser übergelaufen war. Erst habe ich mich geärgert, doch dann ging bei mir ein Licht auf. Ich habe einiges an Gewicht und mein Körper hat Wasser verdrängt. Und zwar das, was aus der Badewanne übergeschwappt war. Während ich da im Wasser lag, überlegte ich mir einiges.

 

Wenn ich also ein Barren Gold in eine Schüssel mit randvoll Wasser lege, dann läuft eine ganz bestimmte Menge Wasser über. Der Barren braucht Platz und verdrängt das Wasser. Und egal wie ich den Barren forme, seinen Rauminhalt, also den Platz den er braucht, behält er bei. Und wenn der Barren Gold nun die Form einer Krone annimmt, ist der Rauminhalt der Gleiche.

 

Also, muss die gleiche Menge Wasser verdrängt werden, wie beim Goldbarren. Hat aber der Goldschmied tatsächlich Silber beigemischt, dann ist der Rauminhalt, damit auch die Krone größer. Und es wird mehr Wasser verdrängt.

Endlich hatte ich das Rätsel gelöst. Darüber war ich so erfreut, dass ich raus auf die Straße bin und ganz laut rief: Heureka! Das ist griechisch

und bedeutet: Ich habe es geschafft!

 

Dummerweise hatte ich vergessen, dass ich nackt in der Badewanne lag.

Ich habe jedenfalls meine Ergebnisse dem König mitgeteilt. Das kostete den Goldschmied den Kopf.

 

 

1. Fasse mit einigen Sätzen die Geschichte der Entdeckung des Archimedischen Prinzips zusammen! Schreibe in dein Heft!

2. Trage den Merktext in dein Heft ein: