Flaschentaucher

Was das Kind lernt

• Dass ein Gegenstand schwimmt oder sinkt, je nachdem, ob er mehr oder weniger wiegt als das Wasser, das er verdrängt (Archimedes).
• Dass sich Luft zusammendrücken lässt und Wasser praktisch nicht.
• Dass der Druck deiner Hände auf das ganze Wasser in der Flasche übertragen wird, auch auf den Taucher (Pascal).
• Wie ein U-Boot oder ein Fisch seinen Auftrieb verändert, indem er Luft aufnimmt oder abgibt.
• Dass das Austarieren „auf Kante“ (er schwimmt gerade noch) der Schlüssel zum Funktionieren ist.

Vorher vorbereiten

• Entferne das Etikett der Flasche und spüle sie aus: Der Taucher muss gut zu sehen sein.
• Besorge 3–4 verschiedene Tütchen (Imbiss, Lieferessen), damit du auswählen kannst.
• Drucke die Tiefenskala B mit 100 % aus.
• Mach den Glastest mit einem Tütchen schon vor der Einheit selbst, damit du weißt, ob eine Büroklammer nötig ist.

Materialien und Werkzeuge

• Plastikflasche mit Deckel — 1
  Mineralwasserflasche, 1,5 l oder 0,5 l, glatte und weiche Wände, ohne Etikett und mit gut schließendem Deckel
• Ketchup-Tütchen — 3–4 (um das beste auszuwählen)
  Portionstütchen mit 9–12 g, ohne Löcher; eines mit einer Luftblase, die man beim Anfassen spürt
• Leitungswasser — 1,5 l + ein Glas für Tests
  mit Zimmertemperatur
• Büroklammern aus Metall — 4–5
  klein, 28 mm (je ≈ 0,5 g)
• Klebeband — 10 cm
  durchsichtig, um die Büroklammern am Tütchen zu befestigen
• Biegsamer Plastikstrohhalm — 1 (alternativer Taucher)
  Ø 6 mm, aus Plastik (Papierhalme weichen auf)
• Knete — ein Kügelchen von 1–2 g
  um das Gewicht des Strohhalm-Tauchers einzustellen
• Hohes durchsichtiges Glas — 1
  300 ml oder mehr, für den Schwimmtest

Werkzeuge

• Schere — Strohhalm und Skala zuschneiden
• Tablett oder Spüle — darüber arbeiten: Beim randvollen Füllen läuft Wasser über
• Krug mit Ausguss — die Flasche bis zum Rand füllen

Teile und Vorlagen

• A · Strohhalm-Taucher (Alternative) ×1 — Plastikstrohhalm Ø 6 mm
• B · Tiefenskala ×1 — Papier

Schritt für Schritt

1. Bereite die Flasche vor

   Entferne das Etikett einer 1,5-l- oder 0,5-l-Wasserflasche und spüle sie aus. Prüfe, ob der Deckel dicht ist: Füll sie mit Wasser, dreh ihn fest zu und halte sie über der Spüle kopfüber.

   Prüfe: Am Deckel darf kein einziger Tropfen herauskommen.

2. Teste die Tütchen in einem Glas

   Füll ein hohes Glas mit Wasser und lass jedes Ketchup-Tütchen hineinfallen. Beobachte, wie es liegt: untergegangen, sehr hoch schwimmend oder schwimmend mit nur einer Ecke über Wasser.

   Prüfe: Das ideale Tütchen schwimmt und schaut nur 1–3 mm aus dem Wasser.

3. Wähle oder justiere das Tütchen

   Sinkt ein Tütchen, sortiere es aus. Schwimmt es zu hoch (schaut mehr als 3 mm heraus), klebe mit 2 cm Klebeband eine Büroklammer an seinen unteren Rand und teste es noch einmal im Glas.

   Tipp: Füge die Büroklammern einzeln hinzu. Sinkt es schon mit einer, nimm sie ab und klebe stattdessen ein kleineres Knetekügelchen an (0,2–0,3 g, so groß wie eine Linse) oder nimm eine kleinere Büroklammer; versuch nicht, die Klammer zu kürzen, dafür bräuchtest du eine Zange.

4. Fülle die Flasche

   Stell die Flasche in die Spüle oder auf ein Tablett und füll sie mit dem Krug bis 2 cm unter den Rand. Lass das Wasser 1 Minute stehen, damit die Bläschen aufsteigen.

5. Steck den Taucher hinein

   Roll das Tütchen der Länge nach vorsichtig zu einer Röhre, ohne die Luftblase zu zerdrücken, und schieb es durch die Flaschenöffnung. Drinnen rollt es sich von selbst auf und steigt nach oben.

   Tipp: Passt es nicht durch die Öffnung, nimm eine Flasche mit weiter Öffnung (Saft oder Milchshake) oder den Strohhalm-Taucher A.

6. Füll randvoll auf

   Füll die Flasche ganz auf, bis das Wasser genau am Rand steht und oben ein gewölbtes Tröpfchen bildet. So bleibt unter dem Deckel keine Luft.

   Prüfe: Der Taucher schwimmt oben und berührt fast die Oberfläche.

7. Schließ fest zu

   Dreh den Deckel fest zu; dabei kann etwas Wasser überlaufen, das ist normal. Trockne die Flasche außen ab, damit sie dir nicht aus den Händen rutscht.

   Prüfe: Bleibt unter dem Deckel eine Luftblase, die größer als eine Kichererbse ist, öffne, füll nach und schließ wieder.

8. Drücken und loslassen

   Fass die Flasche mit beiden Händen in der Mitte und drück fest zu. Der Taucher muss bis zum Boden sinken. Lass langsam los: Der Taucher steigt wieder auf.

   Prüfe: Bei einer 1,5-l-Flasche reicht ein fester Druck mit beiden Händen, bei einer 0,5-l-Flasche mit einer Hand.

9. Feinabstimmung

   Sinkt der Taucher selbst bei kräftigstem Drücken nicht, musst du eine Büroklammer hinzufügen; bleibt er nach dem Loslassen am Boden, nimm eine weg. Um das Tütchen herauszuholen, öffne die Flasche, gieß Wasser in die Spüle, bis das Tütchen 3–4 cm unter der Öffnung ist, und zieh es mit dem V-förmig geknickten Strohhalm heraus (oder mit zwei Fingern, wenn die Öffnung weit ist); drinnen hat es sich aufgerollt, roll es also zum Hineinstecken wieder ein. Wiederhole das, bis er bei mittlerem Druck sinkt, und füll vor dem Schließen wieder randvoll auf.

   Tipp: Je knapper er austariert ist (in Ruhe fast untergegangen), desto weniger Kraft braucht es und desto leichter lässt er sich steuern.

10. Bau den Strohhalm-Taucher

    Schneide 100 mm Strohhalm ab, knick ihn zu einem U und verbinde die Enden mit einer Büroklammer. Klebe unter die Büroklammer ein Knetekügelchen von 1 g und teste im Glas: Stelle die Knete so ein, dass der Knick 2–3 mm herausschaut.

    Prüfe: Beim Drücken der Flasche siehst du, wie Wasser in die Schenkel des Strohhalms läuft und die Blase kürzer wird.

11. Klebe die Skala auf und übe

    Klebe die Skala B außen an die Flasche, mit der 0 auf Höhe des Wassers unter dem Deckel. Versuche, den Taucher bei 10 cm anzuhalten, indem du den Druck genau dann lockerst, wenn er dort ankommt.

    Tipp: Lockere etwas, bevor er die Marke erreicht: Der Taucher hat Schwung, und außerdem will er umso mehr sinken, je tiefer er ist.

Funktioniert es? Der Test

Drück die geschlossene Flasche mit austariertem Taucher immer fester und lass dann los. Versuche anschließend, ihn so lange wie möglich auf Höhe der 10-cm-Marke der Skala B stillzuhalten.

Was passieren soll: Der Taucher sinkt bei festem Druck in 1–3 s und steigt beim Loslassen in 1–2 s. Aus der Nähe sieht man, wie die Blase im Tütchen (oder im Strohhalm) beim Drücken kleiner wird. Ihn auf halber Höhe stillzuhalten ist schwer: Mit Übung schafft man 3–10 Sekunden.

Wenn etwas nicht klappt

• Egal wie fest ich drücke, der Taucher sinkt nicht — Der Taucher hat zu viel Auftrieb (viel Luft oder wenig Gewicht), oder unter dem Deckel ist Luft, die den Druck schluckt. Lösung: Füge eine Büroklammer hinzu und füll die Flasche vor dem Schließen bis zum Rand. Prüfe noch einmal, ob er im Glas nur 1–3 mm herausschaut.
• Der Taucher bleibt am Boden, auch wenn ich nicht drücke — Er ist zu schwer oder das Tütchen hat Luft verloren (Loch). Lösung: Nimm eine Büroklammer ab. Sinkt er immer noch, probiere ein anderes Tütchen: Ein Tütchen mit Loch läuft voll Wasser und ist nicht mehr zu retten.
• Das Tütchen passt nicht durch die Flaschenöffnung — Die Öffnung einer normalen Flasche misst innen etwa 21 mm. Lösung: Roll es der Länge nach, ohne die Blase zu drücken, nimm eine Flasche mit weiter Öffnung oder den Strohhalm-Taucher A.
• Keines meiner Tütchen schwimmt — Dicke Soßen (Soja, Barbecue) und Tütchen ohne Luft gehen unter. Lösung: Probier es mit Senf oder Ketchup. Du kannst auch 2 Esslöffel Salz im Flaschenwasser auflösen: Salzwasser ist dichter und trägt mehr.
• Am Anfang klappt es, nach einer Weile sinkt er nicht mehr — Das Wasser hat sich in deinen Händen erwärmt (die Luft dehnt sich aus) oder etwas Wasser ist entwichen. Lösung: Öffne die Flasche, füll sie mit kaltem Wasser randvoll auf und schließ sie wieder.
• Der Strohhalm-Taucher verliert seine Blase — Die Büroklammer schließt die Enden nicht gut oder der Strohhalm hat sich aufgebogen und die Luft entweicht. Lösung: Knick den Strohhalm mit einer scharfen Falte und hake die Büroklammer 5 mm vor dem Ende in beide Schenkel ein.

Sicherheit

• Die Soßentütchen werden nach dem Experiment weder geöffnet noch abgelutscht: Wirf sie am Ende in den Gelben Sack.
• Büroklammern, Muttern und Knete sind Kleinteile: außer Reichweite von Kindern unter 3 Jahren.
• Arbeite über der Spüle oder auf einem Tablett: Verschüttetes Wasser auf dem Boden macht ihn rutschig.
• Nimm keine Glasflaschen: Beim Drücken oder Herunterfallen können sie zerbrechen.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Der Taucher hat innen ein Luftbläschen, das wie ein Schwimmring wirkt. Wenn du die Flasche drückst, schiebst du das Wasser, und das Wasser drückt auf die Blase und macht sie kleiner, weil sich Luft zusammendrücken lässt wie ein Schwamm. Mit einem kleineren Schwimmring kann der Taucher nicht mehr schwimmen und sinkt. Wenn du loslässt, bläht sich die Blase wieder auf und der Taucher steigt. U-Boote machen es genauso: Sie lassen Wasser oder Luft in Tanks, um zu sinken oder aufzusteigen.

Für Erwachsene

Ein untergetauchter Körper erfährt einen Auftrieb, der gleich dem Gewicht des verdrängten Wassers ist (Archimedes). Der Taucher ist so austariert, dass seine mittlere Dichte dank der kleinen Lufttasche darin knapp unter 1 g/cm³ liegt. Drückt man die Flasche, überträgt das praktisch inkompressible Wasser den Druckanstieg auf das gesamte Volumen (Pascal); in einer vollen PET-Flasche erhöht ein fester Druck den Druck um etwa 10–30 kPa (0,1–0,3 atm). Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte (p·V = konstant bei fester Temperatur) schrumpft die Lufttasche im gleichen Verhältnis (um 10–25 %): Das Gesamtvolumen des Tauchers sinkt, der Auftrieb nimmt ab und sein unverändertes Gewicht lässt ihn sinken. Deshalb ist das Austarieren entscheidend: Hat der Taucher viel Auftriebsreserve, reicht die Volumenverringerung durch die Hände nicht aus. Das Gleichgewicht auf halber Höhe ist instabil: Beim Absinken steigt der hydrostatische Druck (1 kPa pro 10 cm), die Blase schrumpft noch etwas mehr und der Taucher wird noch schwerer; beim Aufsteigen passiert das Gegenteil. Deshalb muss man den Handdruck ständig nachregeln, um ihn stillzuhalten, so wie ein echtes U-Boot seine Ballasttanks und Tiefenruder nutzt.

• Auftriebsfähigkeit: die Fähigkeit von etwas zu schwimmen; ob es im Wasser steigt oder sinkt.
• Auftrieb: die nach oben gerichtete Kraft, die das Wasser auf alles ausübt, was sich darin befindet.
• Kompression: ein Gas durch Zusammendrücken kleiner machen.
• Druck: wie viel Kraft auf jedes Stückchen Fläche wirkt.
• Ballast: Gewicht, das man hinzufügt, damit etwas gerade so weit sinkt wie nötig (hier die Büroklammer).

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene tariert den Taucher aus; das Kind steckt ihn hinein, schließt die Flasche und steuert ihn mit einer 0,5-l-Flasche. Sprich von der „Schwimmring-Blase“, die kleiner wird.
• 8–10 Jahre: Sie machen den Glastest selbst und stellen die Büroklammern ein. Sie vergleichen Tütchen und Strohhalm und erklären mit eigenen Worten, warum er sinkt.
• 11–12 Jahre: Sie stellen den Bezug zu Archimedes und Boyle her. Sie zählen, wie viele Büroklammern nötig sind, und berechnen die zusätzliche Masse (je ≈ 0,5 g). Challenge: der Rekord im Stillhalten und die Erklärung, warum das Gleichgewicht instabil ist.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare mit 1 Flasche à 0,5 l, 2 Tütchen oder einem Strohhalm, 3 Büroklammern und Knete. Eine gemeinsame Station mit 3–4 Testgläsern und einem Krug. Auf Tabletts oder im Hof arbeiten. Dauer: 30 min (5 Vorführung, 15 Austarieren und Aufbau, 10 Wettbewerb im Stillhalten mit der Skala B). Halte Ersatztütchen bereit: Manche haben ein Loch.

Challenges

• Schaffe es, dass dein Taucher länger als 10 Sekunden an der 10-cm-Marke stillsteht.
• Bau einen Taucher, der von selbst sinkt, wenn du die Flasche in den Kühlschrank stellst, und wieder aufsteigt, wenn du sie herausnimmst (überleg, was mit der Luft bei Kälte passiert).
• Steck drei unterschiedlich austarierte Taucher hinein und lass sie nacheinander sinken, wie einen Aufzug.
• Bau einen Taucher in U-Boot-Form aus Knete um einen Strohhalm herum und verziere ihn mit wasserfestem Filzstift.
• Nimm in eine Flasche Salzwasser und in eine andere Süßwasser, mit demselben Taucher: In welcher lässt er sich schwerer versenken?

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserfilter in Schichten
• Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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