Wasseruhr aus zwei Flaschen

Was das Kind lernt

• Dass man Zeit mit jedem Vorgang messen kann, der sich immer gleich wiederholt: hier mit fallendem Wasser.
• Was Kalibrieren ist: ein selbst gebautes Messgerät mit einem zuverlässigen (der Stoppuhr) vergleichen, um ihm eine Skala zu geben.
• Dass Wasser schneller ausläuft, wenn viel darüber steht (mehr Druck), und die Minutenmarken deshalb nicht gleich weit auseinanderliegen.
• Was die Durchflussmenge ist und wie sie von der Lochgröße abhängt.
• Jede Minute Daten aufzuschreiben und ein Füllhöhe-Zeit-Diagramm zu zeichnen.

Vorher vorbereiten

• Drucke den Führungsstreifen A (2 Stücke, die mit Klebeband verbunden werden) und die Skala B in 100 % aus.
• Entferne die Etiketten der Flaschen und trockne sie außen gut ab, damit das Klebeband hält.
• Sind die Kinder klein, schneide du die Flaschen auf und durchstich den Deckel schon vor der Einheit.
• Halte einen Krug Wasser bereit (wenn du willst, mit 2 Tropfen Lebensmittelfarbe) und das Handy mit geöffneter Stoppuhr.

Materialien und Werkzeuge

• Gleiche Plastikflaschen — 2
  1,5-l-Wasserflaschen mit geradem Mittelteil (zylindrisch, Ø ≈ 9 cm), ohne Etikett; eine mit Deckel
• Reißzwecke — 1
  mit feiner Spitze, ≈ 1 mm Durchmesser
• Klebeband — ≈ 50 cm
  Malerkrepp (lässt sich ablösen und wieder ankleben, ohne zu reißen) zum Verbinden der beiden Flaschen; dazu durchsichtiges Klebeband zum Schutz der Skala
• Papier und wasserfester Filzstift — 1 Streifen + 1 Filzstift
  die ausgedruckte Skala B; wasserfester Filzstift mit feiner Spitze
• Handy oder Stoppuhr — 1
  mit Stoppuhr, die Sekunden anzeigt
• Leitungswasser — 600 ml pro Füllung
  sauber (ohne Sandkörnchen, die das Loch verstopfen); ein paar Tropfen Lebensmittelfarbe machen den Wasserstand besser sichtbar
• Messbecher — 1
  1 l, um immer genau 600 ml einzufüllen

Werkzeuge

• Cuttermesser und Schere — den Schnitt in die Flaschen mit dem Cuttermesser beginnen und mit der Schere fertig schneiden Erwachsene
• Holzbrett und Zange — den Deckel auflegen und die Reißzwecke mit der Zange gehalten hineindrücken Erwachsene
• Wasserfester Filzstift — die Schnittlinien mit dem Führungsstreifen A anzeichnen
• Lineal — die Schnitthöhen vom Tisch aus messen
• Tablett — die Wasseruhr beim Kalibrieren daraufstellen (sie kann tropfen)

Teile und Vorlagen

• A · Führungsstreifen zum Schneiden (2 Hälften) ×2 — Papier
• B · Minutenskala ×1 — Papier (mit durchsichtigem Klebeband geschützt)
• C · Oberer Behälter (Flasche C) ×1 — PET-Flasche 1,5 l
• D · Unterer Behälter (Flasche D) ×1 — PET-Flasche 1,5 l

Schritt für Schritt

1. Zeichne den Schnitt an der unteren Flasche an

   Stelle Flasche D (die untere, ohne Deckel) aufrecht hin und suche, wo der gerade Teil endet und sie schmaler wird (≈ 23 cm über dem Tisch). Lege dort den Führungsstreifen A herum und fahre die Oberkante mit wasserfestem Filzstift nach.

   Prüfe: Die Linie muss an 3 verschiedenen Stellen der Flasche mit dem Lineal gemessen gleich hoch sein.

2. Zeichne den Schnitt an der oberen Flasche an

   Lege bei Flasche C (der oberen, die ihren Deckel behält) den Führungsstreifen A 5 cm über dem Tisch an und zeichne die Linie. Nur dieses untere Stück (der Boden) kommt weg.

3. Schneide die Flaschen Erwachsene

   Der Erwachsene schneidet auf jeder Linie mit dem Cuttermesser 2 cm ein und schneidet mit der Schere entlang der Linie fertig. Schneide die Ränder mit der Schere nach, damit keine Zacken bleiben.

   Prüfe: Setze Flasche C kopfüber auf D: Die Schulter von C muss gerade und ohne zu wackeln auf dem Rand von D aufliegen.

4. Durchstich den Deckel Erwachsene

   Lege den Deckel mit der Innenseite auf ein Holzbrett. Der Erwachsene hält die Reißzwecke mit der Zange und drückt sie in der Mitte hinein, bis sie durch ist; dann dreh sie und zieh sie heraus. Es bleibt ein Loch von ≈ 1 mm.

   Prüfe: Schraube den Deckel auf, halte C kopfüber (Deckel nach unten) über das Spülbecken und gieße ein Glas Wasser in die obere Öffnung: Es muss ein sehr dünner Strahl oder ein schnelles Tropfen herauskommen.

5. Mach das Luftloch Erwachsene

   Stich mit derselben Reißzwecke und weite es danach mit einer Bleistiftspitze auf 3 mm: ein Loch in Flasche D, 4 cm unter dem Schnittrand (weiter oben würde es die Schulter von C verdecken). Dort entweicht die Luft, während das Wasser hineinläuft.

6. Zeichne die Fülllinie an

   Miss 600 ml Wasser im Messbecher ab. Halte C kopfüber (Deckel nach unten) über ein Glas, halte das Loch im Deckel mit einem Finger zu und gieße die 600 ml in die obere Öffnung (am besten zu zweit: einer hält, einer gießt). Markiere außen mit dem Filzstift die Höhe des Wassers: Das ist die Fülllinie.

   Tipp: Immer bis zur selben Linie zu füllen sorgt dafür, dass die Uhr immer dieselbe Zeit misst.

7. Baue die Wasseruhr zusammen

   Leere C. Setze sie kopfüber auf D, mit dem Deckel in D. Verbinde die beiden Flaschen mit 3 Streifen Malerkrepp à 10 cm, rund um die Verbindungsstelle verteilt; knicke an jedem Ende 1 cm als Lasche um, damit du sie wieder ablösen kannst. Stelle alles auf ein Tablett an eine Wand.

   Prüfe: Der Deckel steckt etwa 8 cm tief in D, mittig und ohne die Flaschenwand zu berühren. Kein Streifen verdeckt das Luftloch (es liegt 4 cm unter dem Rand, genau dort, wo das Klebeband hinreicht): Wenn doch, schieb den Streifen zur Seite.

8. Klebe die Skala auf

   Klebe die Skala B senkrecht auf die untere Flasche, mit der 0 auf Höhe des flachen Bodens innen (etwa 2 cm über dem Tisch). Bedecke sie ganz mit durchsichtigem Klebeband, damit sie nicht nass wird.

9. Füllen und Stoppuhr starten

   Löse die 3 Streifen an ihren Laschen und nimm C ab. Halte das Loch im Deckel mit einem Finger zu, halte sie kopfüber über ein Glas und fülle sie von oben bis zur Fülllinie, wie in Schritt 6. Nimm den Finger weg, setze C sofort auf D und starte im selben Moment die Stoppuhr. Klebe die Streifen wieder an.

   Tipp: Zu zweit ist es leichter: Einer füllt und setzt C auf, der andere startet die Stoppuhr, wenn beim Loslassen des Fingers „Jetzt!“ gerufen wird. Die 2–3 s zum Aufsetzen sind bei jeder Füllung gleich und verderben die Kalibrierung nicht.

10. Kalibriere Minute für Minute

    Jedes Mal, wenn die Stoppuhr eine volle Minute anzeigt, mach einen Strich auf der Skala in Höhe des Wassers und schreib die Zahl dazu. Mach das jede Minute bis 10 und danach alle 2 Minuten, bis es nicht mehr tropft.

    Prüfe: Die Striche der ersten Minuten liegen weiter auseinander (4–8 mm) als die am Ende (1–3 mm): Das ist richtig, denn es drückt immer weniger Wasser.

11. Prüfe deine Uhr

    Löse die Streifen, nimm C ab und leere D ganz aus. Fülle C wieder bis zur Linie wie in Schritt 9, setze sie auf und starte die Stoppuhr, ohne hinzusehen (oder bitte jemanden, sie abzudecken). Sag „Jetzt!“, wenn du glaubst, dass das Wasser die 5-Minuten-Marke erreicht, und schau auf die Stoppuhr.

    Prüfe: Ist die Wasseruhr zuverlässig, zeigt die Stoppuhr 5 min ± 15 s.

12. Benutze sie

    Miss mit deiner Wasseruhr die Zeit bei einem Brettspiel, beim Vorlesen oder beim Zähneputzen. Denk daran, immer bis zur Linie zu füllen und die untere Flasche (D) vor dem Start zu leeren.

Funktioniert es? Der Test

Fülle 600 ml bis zur Linie, starte die Stoppuhr und notiere jede Minute die Wasserhöhe auf Skala B (in mm). Wiederhole den ganzen Test noch einmal und vergleiche die beiden Aufzeichnungen.

Was passieren soll: Mit einem Loch von ≈ 1 mm steigt das Wasser in D in der ersten Minute um etwa 4–8 mm und am Ende nur noch um 1–3 mm pro Minute; die ganze Füllung braucht je nach Loch 15–30 min. Zwischen zwei Tests muss dieselbe Marke in den ersten 10 Minuten mit weniger als 15–20 s Unterschied übereinstimmen.

Wenn etwas nicht klappt

• Es kommt kein Wasser oder es tropft sehr langsam — Loch zu klein oder durch ein Teilchen verstopft, oder das Luftloch fehlt und aus D kann keine Luft entweichen. Lösung: Stich das Loch mit der Reißzwecke nach, nimm sauberes Wasser und prüfe, ob das 3-mm-Luftloch da ist und kein Klebestreifen es verdeckt.
• Sie ist in 3–4 Minuten leer — Loch zu groß (≥ 2 mm). Lösung: Nimm einen neuen Deckel mit einem Reißzwecken- oder Nadelloch (0,8–1 mm).
• Das Wasser unten erreicht den Deckel und es stoppt — Du hast mehr als 600 ml eingefüllt oder die untere Flasche zu niedrig abgeschnitten. Lösung: Fülle nur bis zur Linie. Prüfe bei anderen Flaschen, dass das Wasser in D mindestens 2 cm unter dem Deckel bleibt.
• Die beiden Tests stimmen nicht überein — Unterschiedliche Anfangsfüllung, D nicht ganz geleert oder ein Loch, das allmählich verstopft. Lösung: Fülle immer bis zur Linie, leere D vollständig und nimm sauberes Wasser. Starte die Stoppuhr genau beim Wegnehmen des Fingers.
• Es tropft an der Verbindung der beiden Flaschen — Der Deckel sitzt locker oder Wasser läuft außen am Hals entlang. Lösung: Schraube den Deckel vor dem Zusammenbauen fest zu und trockne den Hals außen ab.
• Die Wasseruhr fällt leicht um — Der Schwerpunkt liegt hoch, wenn die obere Flasche voll ist. Lösung: Verbinde die Flaschen gut mit Klebeband, stelle sie an eine Wand oder in einen hochkant gestellten Schuhkarton und fass sie während der Messung nicht an.

Sicherheit

• Das Cuttermesser benutzt ein Erwachsener: Das Flaschenplastik rutscht, leg die Flasche auf ein Tuch und schneide mit der Hand weg vom Messer.
• Die Schnittkanten des Plastiks können schneiden: Schneide sie mit der Schere nach oder überklebe sie mit Klebeband.
• Die Reißzwecke wird mit der Zange hineingedrückt, während der Deckel auf Holz liegt, nie mit der Hand gehalten.
• Arbeite auf einem Tablett und wisch Wasser vom Boden auf: Es ist rutschig.
• Bewahre die Reißzwecke auf: Sie ist klein und spitz, außer Reichweite der Kleinsten.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Das Wasser in der oberen Flasche will nach unten, kann aber nur durch ein ganz kleines Loch hinaus. Darum läuft es nach und nach heraus, und zwar jedes Mal, wenn du es wiederholst, im gleichen Tempo. Deshalb kann man damit die Zeit messen, wie es schon die alten Ägypter taten. Am Anfang, wenn oben viel Wasser ist, drückt das obere Wasser kräftig auf das untere und es läuft schneller. Am Ende drückt nur noch wenig Wasser, und es läuft langsamer. Deshalb liegen die Minutenstriche am Ende enger zusammen.

Für Erwachsene

Die Ausflussgeschwindigkeit aus einer kleinen Öffnung ergibt sich näherungsweise aus dem Gesetz von Torricelli, v = √(2gh), wobei h die Wasserhöhe über dem Loch ist; die Durchflussmenge ist Q = Cd·a·√(2gh), mit a als Fläche der Öffnung und Cd ≈ 0,6 als Ausflusszahl. Mit einem 1-mm-Loch (a ≈ 0,8 mm²) und h ≈ 16 cm ergibt sich anfangs Q ≈ 0,8 ml/s, doch in der Praxis verringern Viskosität und Oberflächenspannung bei so kleinen Öffnungen den Durchfluss, und der reale Wert liegt bei etwa 0,5–0,8 ml/s (rund 30–50 ml in der ersten Minute). Da Q von √h abhängt, nimmt der Durchfluss mit sinkendem Wasserstand ab: Der Pegel sinkt nicht linear (in einem zylindrischen Behälter folgt h(t) einer Parabel, √h nimmt linear mit t ab). Deshalb sind die Minutenmarken nicht gleich weit voneinander entfernt, und man muss kalibrieren, statt die Skala in gleiche Teile zu teilen. Das ist die große Schwäche der einfachen Wasseruhr; die Griechen behoben sie mit einem Behälter mit konstantem Wasserstand (mit Überlauf), in dem sich h nicht ändert und der Durchfluss gleich bleibt, oder mit einer Gefäßform, die die Veränderung ausgleicht (ägyptische Wasseruhren hatten die Form eines Kegelstumpfs). Die Genauigkeit hängt davon ab, immer dieselbe Menge einzufüllen, von der Temperatur (warmes Wasser ist weniger zähflüssig und läuft etwas schneller) und davon, dass die Öffnung nicht verstopft. Ein größeres Loch ergibt einen größeren Durchfluss (Q ∝ d²): Es misst eine kürzere Zeit, und jeder Ablesefehler beim Wasserstand fällt stärker ins Gewicht.

• Wasseruhr (Klepsydra): alte Uhr, die die Zeit mit fallendem Wasser misst.
• Durchflussmenge: Wassermenge, die pro Sekunde durch eine Stelle fließt.
• kalibrieren: ein Messgerät mit einem zuverlässigen vergleichen, um ihm die richtigen Markierungen zu geben.
• Druck: das Drücken des Wassers; je mehr Wasser darüber steht, desto stärker drückt es.
• Skala: die Markierungen mit Zahlen, an denen man einen Messwert abliest.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet, durchsticht und baut zusammen. Das Kind füllt das Wasser bis zur Linie und ruft „Jetzt!“, wenn das Wasser eine Marke erreicht. Nutzt sie mit einer einzigen großen Marke (zum Beispiel Minute 3) für ein Spiel.
• 8–10 Jahre: Sie zeichnen die Linien mit dem Führungsstreifen an, bauen zusammen, kalibrieren Minute für Minute und beschriften die Skala. Sie prüfen die Uhr mit der Stoppuhr.
• 11–12 Jahre: Sie zeichnen das Diagramm, diskutieren, warum die Marken nicht gleich weit auseinanderliegen, und bringen das mit dem Druck in Verbindung. Challenge: einen Behälter mit konstantem Wasserstand und Überlauf entwerfen oder die Lochgröße für eine 10-Minuten-Wasseruhr berechnen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu dritt (einer stoppt, einer markiert, einer schreibt auf) mit 2 Flaschen pro Team. Der Erwachsene schneidet vor der Einheit alle Flaschen und durchsticht die Deckel und prüft, dass alle tropfen. Einheit von 60 min: 15 Aufbau und Skala, 30 Kalibrierung (alle Wasseruhren gleichzeitig, mit einer gemeinsamen Stoppuhr an die Tafel projiziert), 15 Skalen der Teams vergleichen und die Uhr testen. Halte schon durchstochene Ersatzdeckel und ein Tablett pro Team bereit.

Challenges

• Baue eine Wasseruhr, die von Anfang bis Ende genau 10 Minuten misst.
• Baue eine Wasseruhr mit konstantem Wasserstand: ein Behälter mit Überlauf, der immer dieselbe Wasserhöhe über dem Loch hält, und prüfe, ob die Marken gleich weit auseinanderliegen.
• Setze einen Schwimmer (ein Deckel mit aufgeklebtem Schaschlikspieß) in die untere Flasche, der aufsteigt und die Minuten auf einer äußeren Skala anzeigt, wie bei den Wasseruhren des Ktesibios.
• Vergleiche deine Wasseruhr mit einer selbst gebauten Sanduhr aus zwei kleinen Flaschen.
• Finde heraus, wie die Wasseruhren in Ägypten und Griechenland aussahen, und zeichne eine.

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• Thermometer mit buntem Wasser
• Windmesser aus Bechern
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