Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt

Was das Kind lernt

• Dass sich Wassermoleküle gegenseitig anziehen und an der Oberfläche einen elastischen Film bilden (Oberflächenspannung).
• Dass ein Gegenstand mit höherer Dichte als Wasser oben bleiben kann, wenn er diesen Film nicht zerreißt: Ihn trägt die Spannung, nicht der Auftrieb.
• Dass Spülmittel (ein Tensid) die Oberflächenspannung senkt und die Büroklammer deshalb sinkt.
• Dass es darauf ankommt, wie man sie ablegt: waagerecht, damit sich das Gewicht auf den ganzen Draht verteilt.

Vorher vorbereiten

• Spül die Schüssel 3-mal mit klarem Wasser aus. Wurde sie mit Spülmittel gespült, spül sie erst mit sehr heißem und dann mit kaltem Wasser nach.
• Wasch dir die Hände und spül sie gut ab: Seifenreste an den Fingern verderben den Versuch ebenfalls.
• Bieg den Lift aus der großen Büroklammer nach Vorlage A.
• Trenn die Lagen des Küchenpapiers und schneide 6 Quadrate von 4 × 4 cm aus.
• Gib 2–3 Tropfen Spülmittel in einen Deckel, weit weg von der Schüssel.

Materialien und Werkzeuge

• Schüssel — 1
  aus Glas oder Keramik, Ø 15–20 cm, 3-mal mit klarem Wasser (ohne Seife) ausgespült und nicht mit einem Tuch abgetrocknet
• Leitungswasser — ≈ 1 L
  mit Raumtemperatur, 4–6 cm tief
• Kleine Büroklammern aus Metall — 6–10
  aus Stahl, 28–33 mm, ohne Kunststoff, trocken und sauber
• Große Büroklammern — 1 + 5
  50 mm: eine, um den Lift zu biegen, und 5 weitere für die Versuche mit warmem Wasser und mit Salz
• Küchenpapier — 1 Blatt
  in eine einzelne Lage getrennt, in Quadrate von 4 × 4 cm geschnitten
• Flüssiges Spülmittel — 2–3 Tropfen
  in einem Deckel, um einen Zahnstocher einzutauchen
• Zahnstocher oder Wattestäbchen — 2
  einer für das Spülmittel, ein sauberer zum Hinunterdrücken des Papiers
• Feines Salz — 2 Esslöffel
  nur für den Salzversuch

Werkzeuge

• Spitzzange — die große Büroklammer zum Lift biegen Erwachsene
• Schere — die Papierquadrate ausschneiden
• Gabel — andere Methode

Teile und Vorlagen

• A · Biegevorlage für den Lift ×1 — große, aufgebogene Büroklammer mit 50 mm (Draht ≈ 1 mm)
• B · Quadrat aus Küchenpapier ×6 — einlagiges Küchenpapier

Schritt für Schritt

1. Schüssel füllen

   Füll die ausgespülte Schüssel 4–6 cm hoch mit Leitungswasser. Stell sie auf einen Tisch, wo niemand dagegenstößt, und warte 1 Minute, bis das Wasser ganz still ist.

2. Kontrollversuch: einfach fallen lassen

   Lass eine Büroklammer hochkant aus 5 cm Höhe fallen. Sie sinkt sofort: Stahl hat eine fast 8-mal so hohe Dichte wie Wasser.

   Prüfe: Die Büroklammer liegt am Boden. Lass sie dort; greif nicht mit den Fingern hinein (an ihnen sind Fett und Seife).

3. Papier vorbereiten

   Leg ein einlagiges Quadrat B aus Küchenpapier auf deine Handfläche und leg eine kleine Büroklammer flach in die Mitte.

4. Papier aufs Wasser legen

   Führ die Hand an die Oberfläche und lass das Papier waagerecht aufs Wasser gleiten, ohne es fallen zu lassen. Das Papier schwimmt mit der Büroklammer obendrauf.

5. Dem Papier beim Sinken helfen

   Warte 10–30 Sekunden, bis sich das Papier vollgesogen hat. Sinkt es nicht, drück mit der Spitze eines sauberen Zahnstochers jede Ecke des Papiers nacheinander hinunter, ohne die Büroklammer zu berühren.

   Prüfe: Das Papier sinkt auf den Boden, und die Büroklammer liegt allein auf der Oberfläche, in einer kleinen „Mulde“ im Wasser.

6. Methode mit dem Lift

   Leg die zweite Büroklammer der Länge nach auf das U des Lifts A. Senk den Lift ganz langsam und waagerecht ab, bis das U ins Wasser eintaucht; senk ihn noch 1 cm weiter und zieh ihn seitlich heraus.

   Tipp: Kippt die Büroklammer, ist der Lift nicht waagerecht: Korrigiere die Biegung am Griff.

7. Die Mulde anschauen

   Bring deine Augen auf Höhe der Wasseroberfläche und betrachte die Büroklammer im Gegenlicht, oder schau dir ihren Schatten am Boden der Schüssel an: Die Oberfläche ist um den Draht herum eingedrückt wie ein Trampolin.

8. Mit der Gabel probieren

   Eine andere Methode: Leg eine Büroklammer flach auf die Zinken einer Gabel und senk sie langsam und gerade ab, bis die Zinken untertauchen. Vergleiche, wie viele Versuche du mit jeder Methode brauchst.

9. Die Haut mit Spülmittel zerreißen

   Tauch die Spitze eines Zahnstochers in den Deckel mit Spülmittel und berühr das Wasser am Rand der Schüssel, etwa 5 cm von den Büroklammern entfernt. Die Büroklammern weichen vom Zahnstocher weg und sinken in 1–2 Sekunden.

10. Vor dem Wiederholen sauber machen

    Gieß das Wasser in die Spüle und spül die Schüssel 3-mal mit klarem Wasser aus, bevor du es noch einmal versuchst. Schon ein einziger Tropfen Spülmittel reicht, damit die Büroklammer nicht mehr schwimmt.

    Prüfe: Mit frischem Wasser schwimmt eine Büroklammer mit dem Lift wieder.

Funktioniert es? Der Test

Leg mit der ausgespülten Schüssel und ruhigem Wasser eine Büroklammer von 28–33 mm mit dem Lift oder mit dem Papier auf.

Was passieren soll: Die Büroklammer bleibt unbegrenzt (Minuten oder Stunden) auf der Oberfläche, wenn niemand das Wasser berührt; man sieht die Mulde in der Oberfläche rund um den Draht. Berührt man das Wasser mit Spülmittel, sinkt sie in 1–2 Sekunden.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Büroklammer sinkt immer, auch wenn du sie langsam absenkst — Seifenreste in der Schüssel, im Wasser oder an den Fingern. Lösung: Wechsle das Wasser, spül die Schüssel 3-mal ohne Seife aus und wasch dir die Hände nur mit Wasser.
• Sie sinkt mit einem Ende zuerst — Du senkst sie schräg ab: Ein Ende durchbricht die Oberfläche vor dem Rest. Lösung: Nimm den Lift und prüfe, dass das U waagerecht ist, bevor du ihn absenkst.
• Das Papier sinkt und reißt die Büroklammer mit — Zweilagiges oder zu großes Papier. Lösung: Nur eine Lage von 4 × 4 cm, und drück die Papierecken mit einem sauberen Zahnstocher hinunter, weit weg von der Büroklammer.
• Die großen Büroklammern schwimmen nicht — Sie sind zu schwer für die Länge ihres Drahts (≈ 1,2 g). Lösung: Nimm Büroklammern mit 28–33 mm. Mit den großen klappt es nur, wenn du sie ganz perfekt absenkst.
• Die schwimmenden Büroklammern treiben zusammen oder an den Rand — Die Mulden in der Oberfläche ziehen sich gegenseitig an (der „Cornflakes-Effekt“). Lösung: Das ist normal. Wenn sie still liegen sollen, leg sie weit voneinander entfernt ab.

Sicherheit

• Vorsicht bei verschüttetem Wasser: Wisch den Boden trocken, damit niemand ausrutscht.
• Versuch mit warmem Wasser: Ein Erwachsener schenkt es ein; höchstens 50 °C (warm bis heiß beim Anfassen), damit sich niemand verbrüht.
• Große Büroklammer biegen: mit der Zange; die Drahtenden pieken.
• Büroklammern und Stecknadeln sind klein: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren aufbewahren.
• Wasser mit Spülmittel trinkt man nicht; gieß es in die Spüle.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Die Wassertröpfchen halten sich gegenseitig an den Händen, und an der Oberfläche halten sie sich so fest, dass sie eine Art elastische Haut bilden, wie ein ganz dünnes Trampolin. Wenn du die Büroklammer flach und vorsichtig darauflegst, gibt die Haut ein bisschen nach und trägt sie – wie wenn du auf einem Trampolin hüpfst. Wirfst du sie mit der Spitze voran hinein, zerreißt sie die Haut und sinkt. Die Seife bringt die Tröpfchen dazu, sich loszulassen: Die Haut reißt, und die Büroklammer geht unter.

Für Erwachsene

Wassermoleküle ziehen sich über Wasserstoffbrücken an. Im Inneren wird jedes Molekül in alle Richtungen angezogen; an der Oberfläche fehlt ihm die Hälfte der Nachbarn, und Oberfläche zu erzeugen kostet Energie. Diese Energie pro Flächeneinheit ist die Oberflächenspannung γ (≈ 0,072 N/m bei 20 °C), die als Kraft pro Längeneinheit entlang jeder Linie der Oberfläche wirkt. Eine Büroklammer von 28–33 mm (≈ 0,45 g, Gewicht ≈ 4,4 mN) besteht aus etwa 10 cm Draht mit 0,8–0,9 mm. Beim Auflegen krümmt sich die Oberfläche und bildet zu beiden Seiten des Drahts einen Meniskus; der senkrechte Anteil der Spannung kann bis zu 2γL ≈ 2 · 0,072 · 0,10 ≈ 14 mN erreichen, etwa das 3-Fache ihres Gewichts (dazu kommt der kleine Auftrieb des in der Mulde verdrängten Wassers). Taucht sie mit der Spitze voran ein, ist die Kontaktlänge minimal, und die Kraft reicht nicht: Sie sinkt. Leicht fettiger Stahl ist hydrophob, und das Wasser „benetzt“ ihn nicht, was hilft. Spülmittel ist ein Tensid: Seine Moleküle haben einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz, lagern sich an der Oberfläche an und senken γ auf ≈ 0,03 N/m; die maximale Kraft sinkt auf ≈ 6 mN, und außerdem zieht der Spannungsunterschied zwischen dem Bereich mit Seife und dem sauberen die Oberfläche mit (Marangoni-Effekt), was die Büroklammern bewegt, bevor sie sinken. Heißes Wasser hat eine etwas geringere Spannung (≈ 0,066 N/m bei 60 °C), und Salz erhöht sie leicht.

• Oberflächenspannung: die Kraft, mit der sich die Moleküle an der Oberfläche einer Flüssigkeit anziehen, sodass sie sich wie ein elastischer Film verhält.
• Molekül: der kleinste Teil eines Stoffes, wie Wasser, der noch dieser Stoff ist.
• Tensid: ein Stoff wie Seife, der sich an der Wasseroberfläche anlagert und ihrem Film die Kraft nimmt.
• Dichte: wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt; Stahl hat eine fast 8-mal so hohe Dichte wie Wasser.
• Meniskus: die Krümmung, die die Wasseroberfläche bildet, wenn sie einen Gegenstand berührt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet den Lift vor und senkt die ersten Büroklammern ab; das Kind macht die Papiermethode und ist für den Tropfen Spülmittel zuständig. Botschaft: „Das Wasser hat eine Haut.“
• 8–10 Jahre: Sie machen alles, auch den Lift, mit Hilfe bei der Zange. Lass sie die Methoden (Gabel, Papier, Lift) vergleichen und die Versuche zählen.
• 11–12 Jahre: Sie berechnen das Gewicht der Büroklammer (10 Stück auf einer Küchenwaage wiegen) und die maximale Kraft der Oberflächenspannung aus der Drahtlänge und entwerfen einen Gegenstand aus Draht, der eine Last trägt.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zweierteams, eine kleine Schüssel oder Frischhaltedose pro Team (12 Behälter für 25 Kinder), 6 Büroklammern und 3 Papierquadrate pro Team. Die Lifte biegt der Erwachsene vorher. Spülmittel hat nur die Lehrkraft, die am Ende von Tisch zu Tisch geht: So verschmutzt niemand das Wasser zu früh. 30 min. Halte einen Krug mit sauberem Wasser zum Wechseln bereit.

Challenges

• Bau ein „Boot“ aus Alufolie von 5 × 5 cm und finde heraus, wie viele Büroklammern es trägt, bevor es sinkt. Vergleiche mit den Büroklammern, die allein schwimmen.
• Bieg aus dünnem Draht eine flache Figur (einen Stern, einen Buchstaben), die auf dem Wasser schwimmt.
• Bring eine schwimmende Büroklammer dazu, sich von selbst zur Seite zu bewegen, ohne sie zu berühren (Tipp: ein bisschen Seife auf der Gegenseite).
• Schaffe es, eine Büroklammer mit 50 mm schwimmen zu lassen. Was musst du an der Methode ändern?

Weitere kostenlose Projekte

• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Flaschentaucher
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
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