Die „Oasis of the Seas“ ist mit 100.000 Tonnen das größte Kreuzfahrtschiff der Welt und schwimmt trotzdem. Schiffskonstrukteure verwenden das Prinzip von Archimedes, das besagt, dass ein Boot, damit es schwimmen kann, ein gleiches Wasservolumen mehr als sein Eigengewicht verdrängen muss. Dieses komplexe Konzept wird den Studierenden durch interessante Demonstrationen und Experimente, wie die nachfolgend beschriebenen, näher gebracht.
Wie alles begann
Im antiken Griechenland ließ König Hiero II. eine Krone von einem lokalen Goldschmied anfertigen. Er bezweifelte, dass es sich um reines Gold handelte, und gab dem Philosophen und Wissenschaftler Archimedes die Aufgabe, dies herauszufinden. Archimedes trat in ein warmes Bad und sah, wie Wasser über die Seite lief, als er in die Wanne sank und feststellte, dass das verdrängte Wasser dem Volumen seines Körpers entsprach.
"Heureka!" rief er aus, als er feststellte, dass er mit dieser Verschiebungstechnik das Volumen und die Dichte der Krone berechnen konnte. Sein Test zeigte, dass die Dichte der Krone geringer als die von Gold war, also war die Krone kein reines Gold.
Ball gegen Rumpf
Auf die Frage, warum ein Aluminiumzylinder sinkt, kann ein Schüler falsch antworten: „Weil er mehr wiegt.“
Geben Sie den Schülern zwei Stück 5-Zoll-x-5-Zoll-Aluminiumfolie. Finden Sie die Masse von beiden. Bitten Sie die Schüler, ein Quadrat Folie zu einem festen Ball zu formen, ihn ins Wasser zu werfen und zu beobachten, wie er sinkt. Experimentieren Sie mit dem zweiten Quadrat, bis Sie einen Weg finden, das Aluminium schweben zu lassen.
Wenn das Aluminium wie ein Boot geformt ist, wird es schwimmen, weil das Volumen hat stark zugenommen, während die Masse gleich geblieben ist. Der Rumpf des Bootes ist mit Luft gefüllt, wodurch das Volumen ohne nennenswertes Gewicht erhöht wird. Das Boot schwimmt, wenn die Masse des Bootes geringer ist als das Wasser, das es verdrängt. Bei einem hohlen Rumpf verdrängt das Boot mehr Wasser als der Ball.
Schwebender Heliumballon
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Die Schwerkraft hängt von der Masse des Objekts ab, um es durch eine Flüssigkeit nach unten zu ziehen. Wenn das Objekt zu sinken beginnt, wirkt eine Auftriebskraft, um das Objekt nach oben zu drücken. Ist die Gravitationskraft größer als die Auftriebskraft, sinkt das Objekt. Heliumballons schweben in der Luft, weil die Masse der von ihnen verdrängten Luft ist größer als die Masse des Heliums und des Ballons.
Binden Sie ein Band an einen Heliumballon und er schwebt, weil die Auftriebskraft größer ist als die Gravitationskraft. Erhöhen Sie die Schwerkraft, indem Sie das Gewicht erhöhen. Binden Sie Brezeln an das Band und erhöhen Sie das Gewicht, bis der Ballon sinkt. Knabbern Sie nun an kleinen Stückchen der Brezel, bis der Ballon langsam zu steigen beginnt. Wenn Sie den Ballon zum Schweben bringen können, ist die Gravitationskraft gleich der Auftriebskraft.
Archimedes-Experimente
Nach dem Prinzip von Archimedes können die Schüler feststellen, ob ein Objekt in verschiedenen Flüssigkeiten sinkt oder schwimmt.
Bereiten Sie ein klares Glas mit warmem Wasser vor. Fügen Sie eine Traube hinzu und es wird sinken. Geben Sie Salz in das Glas und die Traube beginnt zu schwimmen. Erinnern Sie sich an das Prinzip von Archimedes: Wenn ein Gegenstand in Flüssigkeit mehr wiegt als sein eigenes Volumen, sinkt er. Das Hinzufügen von Salz zum Wasser erhöht die Masse pro Volumeneinheit, bis sie gleich oder dichter ist als die Traube. Zu diesem Zeitpunkt wird die Traube schwimmen.
Sie können die Schüler auch auffordern, sich clevere Ideen zu seltsam geformten Objekten auszudenken, die schwimmen können oder nicht, und beschreiben, wie sie verwendet werden könnten.