Kaltwasserschwimmer

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Mit diesem Glasobjekt lässt sich das archimedische Prinzip sehr schön zeigen und gut verstehen. Der so genannte Kaltwasserschwimmer steigt und sinkt in einer Flüssigkeit auf oder ab, wenn sich deren Temperatur bzw. Dichte verändert.

So wird nicht nur deutlich, wie die Dichte einer Flüssigkeit von deren Temperatur abhängt und davon wiederum das Schwimmverhalten von Gegenständen. Es wird auch deutlich: Durch Zugabe beispielsweise von Salz oder Ethanol zum Wasser kann man dessen Dichte ebenfalls erhöhen oder reduzieren.

Der hier gezeigte Kaltwasserschwimmer wurde von einem Glasapparatebauer von Hand gefertigt. Er hat eine Länge von ca. 12 cm, wobei der untere Fortsatz mit Metallkügelchen gefüllt ist, damit das Objekt aufrecht im Wasser stehen kann. Bei ca. +4 Grad Celsius Wassertemperatur schwimmt er im Wasser gerade so hoch, dass sich die blaue Kugel genau über der Wasseroberfläche befindet. Bei Erwärmung der Flüssigkeit sinkt das Gerät langsam nach unten.

Fügt man dem Wasser eine andere Flüssigkeit wie Alkohol hinzu und verändert dadurch ihre Dichte, ändert sich die Schwimmhöhe des Kaltwasserschwimmer ebenfalls. Alkohol hat zum Beispiel eine geringere Dichte als Wasser, also steigt der Kaltwasserschwimmer auf.

Erklärung zum Prinzip des Archimedes

Das archimedische Prinzip besagt, dass die Auftriebskraft eines Körpers in einem Medium ebenso groß ist wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums. Medium heißt es deshalb, weil das Prinzip des Archimedes nicht nur für Flüssigkeiten, sondern auch für Gase gilt. Das bedeutet, dass der Kaltwasserschwimmer, bestehend aus Glas, Luft, Metallkügelchen und etwas Papier bei +4 Grad Celsius eine etwas geringere Dichte als Wasser hat, bei gleichem Volumen also etwas leichter ist.

Erwärmt man das Wasser, so nimmt seine Dichte ab. Im Verhältnis wird der Kaltwasserschwimmer also immer „schwerer“ und taucht deshalb immer weiter in die Flüssigkeit ein und verdrängt daher immer mehr Wasser. Zu jedem Zeitpunkt entspricht dabei das Gewicht des Wassers, das der Kaltwasserschwimmer verdrängt, exakt dem Gewicht des Kaltwasserschwimmers. Der Kaltwasserschwimmer muss jedoch immer mehr Wasser verdrängen, damit die Rechnung aufgeht, da die Dichte des Wassers bei steigender Temperatur immer weiter abnimmt.

Dichteanomalie von Wasser

Macht man den Versuch mit Wasser, so kann man außerdem die Dichteanomalie von Wasser zeigen. Normalerweise nimmt die Dichte eines Stoffes ab, je kälter er wird. Für Wasser jedoch gilt dies nicht. Die geringste Dichte weist es bei etwa +4 Grad Celsius auf. Bei dieser Temperatur hat es eine Dichte von einem Kilogramm pro Liter bzw. Kubikdezimeter. Kühlt man das Wasser also weiter ab, steigt der Kaltwasserschwimmer nicht höher auf, wie dies bei einer anderen Flüssigkeiten wie zum Beispiel Öl oder Alkohol der Fall wäre, deren Dichte bei abnehmender Temperatur kontinuierlich sinkt. In diesem physikalischen Experiment kann man daher gut beobachten, wie die Dichte unterschiedlicher Flüssigkeiten von ihrer Temperatur abhängt.

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