Experimente für Kinder mit Wasser

Wasser – ein Stoff, in dem richtig Power drinsteckt! „Steter Tropfen höhlt den Stein“, heißt ein altes Sprichwort. Dahinter steht das Wissen, dass Wasser im Lauf von Tausenden von Jahren tatsächlich Steine aushöhlen oder sogar ganz zerstören kann. Wenn du dir das einmal genauer überlegst, wirst du ganz von selbst zu dem Schluss kommen, dass Wasser mehr ist als ein einfach so vor sich hin plätscherndes Etwas.

Sicher kennst du Stauseen und Wasserkraftwerke. Dort rauschen Wassermassen in die Tiefe und setzen Turbinenräder in Bewegung. Durch ihre Drehung erzeugen diese Turbinen Strom, den du beispielsweise für deinen Computer oder für dein Handy brauchst. Wenn du schon einmal nahe an einem größeren Wasserfall gestanden bist, dann weißt du aus eigener Anschauung: Wasser – da ist richtig Power drin!

Gleichzeitig ist Wasser ein Stoff, der buchstäblich nicht zu fassen ist. Nimmst du etwas davon auf die Hand, läuft es dir in Null-Komma-Nichts weg. Lässt du ein Glas Wasser offen stehen, ist es einige Zeit später nicht mehr da, als habe es sich in Luft aufgelöst.

Ziemlich genau so ist es auch tatsächlich, wobei Wasser gleich auf zwei Arten „verschwinden“ kann: Es kann verdunsten, und es kann verdampfen. Von Verdunsten sprechen wir, wenn eine Flüssigkeit unterhalb der Siedetemperatur vom flüssigen in den gasförmigen sogenannten Aggregatzustand übergeht. Verdampfen ist der selbe Vorgang, aber oberhalb der Siedetemperatur.

Auf dieser Seite hier stellen wir dir fünf Experimente vor, mit denen du dem „Phänomen Wasser“ näherkommst. Zwar ist ein Chemiebaukasten eine feine Sache, besonders wenn du später weiterforschen willst. Für diese Experimente für Kinder mit Wasser brauchst du aber (noch) keinen.

Experiment Nummer 1: Eine echt spannende Geschichte!

Das ist eines der allersimpelsten Experimente, die du mit Wasser zuhause machen kannst, am besten dort, wo die Umgebung nass werden darf. Du brauchst drei Gläser oder andere nicht sehr große Behälter. Außerdem benötigst du drei Pipetten. Die können dir deine Eltern sicher in der Apotheke besorgen. Vielleicht haben sie sogar welche zuhause, zum Beispiel von leeren Medikamentenflaschen.

Manche Leute heben solche Flaschen auf, weil man einiges damit anfangen kann. Wir wollen ja auch möglichst wenig wegwerfen! Neue Pipetten aus der Apotheke sind rein. Gebrauchte musst du vielleicht ein paar Mal durchspülen, weil sie keine Flüssigkeitsreste enthalten dürfen und absolut sauber sein müssen. Sonst klappt selbst unser kleines Experiment unter Umständen nicht.

Was du außerdem brauchst, ist Wasser in dem einen Glas, Wasser mit Spülmittel gemischt im zweiten und etwas Sonnenblumenöl im dritten. Außerdem muss eine etwas größere ebene, glatte und saubere Fläche zur Verfügung stehen, beispielsweise die Arbeitsplatte neben der Küchenspüle.

Jetzt wird’s spannend! Du nimmst mit einer Pipette etwas Wasser auf und tropfst ganz vorsichtig einen einzelnen Tropfen auf die freie Fläche. Vorsicht: nicht irgendwie schütteln, nicht mit dem Finger hineinstupfen. Auf den ersten Blick wirst du vermutlich nichts Besonderes feststellen.

Dann nimmst du die zweite Pipette. Es ist wichtig, dass du für alle drei Flüssigkeiten jeweils eine andere Pipette nimmst, damit die Flüssigkeiten sich auf keinen Fall vermischen. Mit der zweiten Pipette nimmst du wieder etwas Flüssigkeit auf, diesmal von dem Wasser mit dem Spülmittel. Auch davon tropfst du wieder einen einzelnen Tropfen auf die freie Fläche, aber ein gutes Stück weit, vielleicht fünfzehn oder zwanzig Zentimeter, von dem Wassertropfen entfernt.

Jetzt wird dir vielleicht bereits auffallen, dass dieser Tropfen ganz anders aussieht als der Wassertropfen: Er zerfließt viel mehr und wird breiter als der Wassertropfen.

Nun kommt Pipette Nummer drei dran. Diesmal setzt du einen Tropfen von dem Sonnenblumenöl auf die Platte, und schon siehst du: auch der Öltropfen breitet sich auf der Platte viel weiter aus als der Wassertropfen.

Öl und Wasser mit Spülmittel werden ungefähr den gleichen Durchmesser haben, das reine Wasser dagegen nicht. Wenn du ganz genau hinsiehst, am besten von der Seite, indem du mit deinen Augen auf die gleiche Höhe gehst wie die Platte mit den Tropfen darauf, dann wird dir noch etwas anderes, ziemlich Verblüffendes, auffallen: Spülmittel-Wasser und Öl sind ziemlich flach.

Der Wassertropfen dagegen bildet ein regelrechtes Kissen. Es wölbt sich nach oben. Wie kommt denn das zustande? Das sieht ja aus, als hätte das Wasser eine Haut.

Ungefähr das ist auch wirklich der Fall. Alle Flüssigkeiten haben an ihrer Oberfläche so etwas wie eine Haut. Bei Wasser sprechen wir auch wirklich von „Wasserhaut“. Selbst erfahrene Physiker staunen oft noch über diese Erscheinung.

Erklärbar ist sie, wenn du dir vorstellst, dass sich die einzelnen Teile, aus denen Wassertropfen bestehen, sogenannte Moleküle, aneinander festhalten. Die Bestandteile von flüssigen Stoffen wie Wasser oder Öl ziehen sich gegenseitig an. Wassermoleküle tun das energischer als die von Öl.

Deshalb fließt ein Wassertropfen nicht einfach weit auseinander, sondern versucht zuerst einmal, nur den kleinstmöglichen Raum, die kleinstmögliche Fläche, einzunehmen. Sich weiter ausbreiten wird er erst dann, wenn du ihn gewissermaßen dazu zwingst.

Das kannst du gleich als Teil zwei dieses Experiments ausprobieren. Gib noch einmal einen Tropfen Wasser (unbedingt die richtige Pipette verwenden!) auf den ersten Wassertropfen, ganz, ganz vorsichtig. Mit etwas Geschick wird es so ausgehen, dass beide Tropfen sich vereinen und der daraus entstehende neue Tropfen größer wird, aber nicht unbedingt gleich auseinanderfließt. Noch besser funktioniert das, wenn du dein Glas mit Wasser randvoll machst, so voll wie möglich, aber ohne dass das Wasser überschwappt.

Wenn du das Glas jetzt von der Seite ansiehst, wirst du deutlich erkennen, wie das Wasser sich über den Rand hinaus in die Höhe wölbt. Wenn du jetzt wieder mit deiner Pipette, in der noch Wasser drin sein wird, behutsam einen Tropfen auf das eigentlich längst volle Glas setzt, dann wird das Wasser im Glas mit ziemlicher Sicherheit noch nicht überlaufen. Es kann gut sein, dass du sogar mehrere Tropfen dazugeben kannst, bevor das Wasser wirklich endlich überläuft.

Das Sich-aneinander-Festhalten der Wassermoleküle nennen wir Oberflächenspannung. An deinem Experiment kannst du beim Vergleichen von Öl- und Wassertropfen leicht erkennen, dass Öl eine geringere, Wasser dagegen eine stärkere Oberflächenspannung hat.

Experiment Nummer 2: Jetzt darfst du mal richtig Schaum schlagen!

Als Schaumschläger bezeichnen wir meistens einen Angeber. Hier darfst du dich mal ungeniert als wissenschaftlicher Schaumschläger betätigen.

Stell dir zwei Gläser, zwei Teelöffel und Spülmittel auf den Tisch. Die Gläser machst du mit Wasser ungefähr halbvoll. Dann schüttest du etwas Spülmittel in eines (!) der beiden Gläser. Jetzt rührst du mit dem einen Löffel das Wasser in dem um, in dem sich kein Spülmittel befindet. Schau genau hin! Was passiert in dem Glas? Es steigen im kreisenden Wasser einige Blasen auf, die aber gleich wieder zerplatzen.

Als nächstes rührst du mit dem zweiten Löffel das Glas mit dem Spülmittel um. Da geht’s sofort ganz anders zu. Auch hier steigen Blasen auf, aber sie platzen keineswegs. Im Gegenteil: Die Blasen werden immer mehr und werden auch teilweise ziemlich groß. Du hast also Schaum geschlagen.

Mit etwas Geschick gelingt es dir vielleicht sogar, wenn du mit einem Finger deiner Hand eine Blase antippst, diese von den anderen abzuheben, ohne dass sie zerplatzt. Wenn’s gut geht – Forscher müssen viel Energie und Hirnschmalz aufwenden und alles immer wieder aufs Neue probieren! -, dann kannst du sogar einen Finger der anderen Hand von unten an die Blase heranführen und sie, sobald du sie zwischen den Fingerspitzen hast, ein wenig auseinanderziehen. Dabei verliert sie ihre Kugelform und sieht eher wie eine leicht gequetschte Röhre aus. Irgendwann kommt aber natürlich der Augenblick, an dem du die Spannung der Wasser-Seifen-Haut überdehnst. Dann wird die Blase platzen und dir vielleicht sogar ein wenig Seife ins Auge spritzen.

Wie ist das nun alles vor sich gegangen? Durch das Rühren im Glas hast du Luft ins Wasser hineingerührt. Das hat die Luft aber gar nicht gern. Deshalb steigt sie sofort wieder nach oben. Was du als Blase im Wasser siehst, ist einfach eingeschlossene Luft. Diese aufsteigenden Blasen zerplatzen an der Oberfläche sofort.

Anders bei dem Glas mit Spülmittel. Das Spülmittel verändert die Oberflächenspannung des Wassers. Die Wasseroberfläche wird dehnbar. Also kann die Luft nicht entweichen, sondern wird von dem mit Spülmittel versetzten Wasser eingeschlossen. So entsteht eine Blase: eine Seifenkugel mit Luft darin. Leider, leider will aber die Seife nach unten. Das hat mit der Erdanziehung zu tun. Sie rutscht nach und nach ins Wasser zurück. Die Haut der Blase wird immer dünner, und schließlich platzt sie.

Experiment Nummer 3: Wasser ist leicht – und doch so schwer!

Eines weißt du längst: Wenn du einen Eimer mit Wasser füllst, wird er nach und nach immer schwerer. Aber eines weißt du vielleicht noch nicht. Ist das Wasser oben im Eimer genau so „schwer“ wie das Wasser unten? Das wollen wir mit einem einfachen Experiment herausfinden.

Wir behaupten: Das Wasser wird nach unten zu immer „schwerer“. Wir sprechen hier von Druck, und der Druck nimmt bei zunehmender Tiefe immer mehr zu. Das wollen wir nun beweisen.

Du besorgst dir eine leere PET-Flasche. Die sollte nicht zu dicke Wände haben, und außerdem muss der dazu passende Deckel noch vorhanden sein. Diesmal darfst du ganz viel kaputt machen. Dazu brauchst du einige Reißzwecken. Und natürlich brauchst du wieder was? Natürlich Wasser, und zwar die ganze Flasche voll. Du schraubst den Deckel schön fest drauf, und dann drückst du einen Reißnagel nach dem anderen in die Flasche, und zwar in unterschiedlichen Höhen, einige weiter oben, einige weiter unten.

Bis jetzt passiert, wie du siehst, noch nichts. Aber ziehe ‚mal die Reißzwecken wieder aus der Flasche heraus. Du wirst sehen, wie durch die Löcher Wasser aus der Flasche herausspritzt. Um dein Experiment komplett zu machen, musst du genau beobachten, wie die einzelnen Strahlen aussehen.

Sofort stellst du fest, dass die weiter oben aus der Flasche herausspritzenden Strahlen einen kürzeren Bogen erzeugen. Je weiter unten an der Flasche das Loch ist, desto weiter spritzt das Wasser heraus. Unten steckt also mehr Kraft dahinter als weiter oben. Das liegt an dem “ Druck“, der unten größer ist als oben. Experiment geglückt. Unsere Behauptung ist bewiesen.

Experiment Nummer 4: Das Prinzip der „kommunizierenden Röhren“

Keine Angst – was sich da so kompliziert anhört, ist in Wirklichkeit ganz einfach. Diesmal benötigst du einen durchsichtigen Schlauch, wie es ihn zum Beispiel in Baumärkten oder Zoogeschäften gibt. Außerdem bittest du deine Eltern, dir wieder vier Pipetten zu besorgen. Von zweien schneidest du am hinteren Ende ein kleines Stück ab, so dass sie offen sind. Vorne steckst du beide so weit wie möglich in die beiden Schlauchenden hinein. Sie müssen schön fest sitzen.

Am besten ist es, wenn du dir für dieses Experiment einen Assistenten oder eine Assistentin zu Hilfe nimmst. Der – oder sie – hält jetzt die Enden des Schlauchs mit den oben offenen Pipetten ungefähr gleich hoch, und du gießt in eine Pipette langsam immer mehr Wasser hinein. Bleibt es auf der Seite, in die du hineingießt?

Nein! Es steigt auf der anderen Seite des Schlauchs nach oben. Es sieht tatsächlich so aus, als würde das Wasser nach oben „fließen“. Das ist aber natürlich nicht der Fall. Es ist vielmehr so, dass der Luftdruck und der Eigendruck dafür sorgt, dass das Wasser sich gleichmäßig verteilt. Höher als der Wasserstand auf der einen Seite wird der auf der anderen Seite nie werden.

Witzigerweise wird der Wassestand sich auch immer genau ausgleichen, auch wenn du oder dein Assistent ein Schlauchende höher hebt als das andere. Man könnte ja annehmen, der Wasserstand müsste dann in dem höher gehobenen Schlauchteil höher sein als im tiefer gelegenen. Aber nein: Luft- und Wasserdruck gleichen das Niveau auf beiden Seiten immer wieder aus, so viel du auch hebst oder absenkst. Dieses Prinzip nennen wir das Prinzip der kommunizierenden Röhren. Schon hast du wieder eine Menge Physik verstanden. Das Prinzip gilt übrigens auch für andere Flüssigkeiten als Wasser.

Das Experiment ist aber noch nicht zu Ende. Da sind ja noch die beiden anderen Pipetten, die du oben nicht abgeschnitten hast. Diese beiden Pipetten füllst du mit Wasser und steckst dann den Schlauch drauf. Aus den Pipetten drückst du das Wasser in den Schlauch.

Ätsch – nix war’s mit dem Ausgleich des Wasserstandes. Das Wasser möchte gerne, aber die Luft lässt es nicht. Da keine Luft nachfließen kann, kann auch das Wasser sein Niveau in den beiden „Röhren“ nicht mehr ausgleichen.

Experiment Nummer 5: Wir lassen einen Taucher abtauchen

Du weißt, dass der Mensch im Wasser schwimmen, und dass er auch darin tauchen kann. Und du weißt sicher aus eigener Erfahrung, dass er immer nur eine kurze Zeit unter Wasser bleiben kann, weil er den zum Atmen notwendigen Sauerstoff mit den Lungen nur aus der Luft holen kann, während Fische die selbe Luft zum Atmen nur aus dem Wasser holen können. Statt der Lunge haben sie dazu Kiemen, die etwas anders funktionieren.

Trotzdem haben Menschen schon seit über zweitausend Jahren (!) darüber gegrübelt, ob es nicht möglich sein könnte, längere Zeit unter Wasser zu bleiben und sich dort vielleicht sogar fortzubewegen. Da gab es die witzigsten Ideen, nur dass keine funktionierte. Der Erste, dem es dann doch gelang, war ein Amerikaner, der 1776 mit einem „Schildkröte“ genannten Unterwasserboot abtauchte.

Clever wie er war, hatte er zwei Schrauben eingebaut, die er mit Handkurbeln drehen konnte. So konnte er, weil er in dem geschlossenen Gehäuse natürlich eine Menge Luft dabei hatte, etliche Minuten unter Wasser bleiben, und er konnte sogar ein Stück weit fahren. Nur eines konnte er nicht: tauchen. Er „soff“ mit seiner Schildkröte förmlich ab und sank, aber den Tauchvorgang aktiv steuern konnte er nicht. Außerdem musste er nach einigen Minuten von Helfern an einem Seil wieder nach oben gezogen werden. So ganz erfolgreich war sein Experiment dann doch noch nicht.

Wie’s wirklich funktioniert, zeigen wir dir im nächsten und letzten Experiment.

Du besorgst dir einen Kugelschreiber, von dem du hinten die Plastikkappe abnimmst. Diese Kappe ist dein Taucher. Hat sie hinten ein Loch, so steckst du ein bisschen Knetmasse hinein. Außerdem brauchst du noch ein Glas mit Wasser und eine durchsichtige Plastikflasche, die du randvoll mit Wasser machst. Das Glas benötigst du, um deinem Taucher das richtige Gewicht zu geben.

Zusammen mit der Knetmasse muss er genau so schwer sein, dass er gerade eben im Wasser schwebt, ohne aber unterzugehen. Diese Gewichtsveränderung, falls sie überhaupt notwendig ist, nennen wir „Austarieren“.

Jetzt geht’s an den eigentlichen Tauchvorgang. Du steckst deinen kleinen Taucher in die randvolle Plastikflasche und drehst den Deckel fest zu. Nichts passiert. Noch nicht.

Wenn du jetzt allerdings die Flasche zusammendrückst, fängt der Taucher plötzlich an, nach unten zu sinken, umso tiefer, je mehr du drückst. Das dahinterstehende physikalische Phänomen: Du erhöhst den Druck – und ab geht’s in die Tiefe. Lässt du die Flasche wieder los, so kommt dein Taucher an die Oberfläche zurück.

Bei einem U-Boot funktioniert das, indem zum Tauchen Wasser in eigens dafür vorgesehene Tanks eingelassen wird. Das Eigengewicht des Bootes, das vorher ebenso austariert worden ist wie der Taucher in deinem Experiment, steigt – das Boot sinkt. Soll es wieder steigen, muss mit Pressluft das Wasser aus dem Boot hinausgepresst werden. Schon steigt das Boot wieder nach oben. Im Ganzen ist die U-Boot-Fahrerei etwas komplizierter, aber das Prinzip hast du jetzt durchschaut.

Physik kann ganz einfach sein – und sie macht Spaß!

Wenn du jetzt Lust aufs Ausprobieren bekommen hast, dann nichts wie an die Arbeit. Deiner Karriere als Physiker steht nichts im Wege. Wenn du die Welt der Physik so spielerisch entdeckst, wirst du ganz bestimmt auch im Physikunterricht viel Spaß haben. Wer weiß, vielleicht zeigst bald du deinen Klassenkameraden – und dem Lehrer -, wie’s geht. Viel Erfolg!