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2. Die typische Sequenz des Themas Auftrieb

In den Angeboten des Sachunterrichts findet man als typische Sequenz für den Auftrieb:

  1. Einstieg mit Schülerexperimenten, in denen Gegenstände klassifiziert werden als schwimmend oder sinkend (Schweben ist in der Regel nicht erreichbar).
  2. Es folgt der scheinbare Gewichtsverlust von eingetauchten Gegenständen: ein schwerer Stein lässt sich im Wasser leichter heben/halten als außerhalb des Wassers.
  3. Erklärungsangebot: Der Gegenstand verdrängt beim Eintauchen Wasser (in nicht zu großen Gefäßen kann während des Eintauchens ein Anstieg des Wasserspiegels beobachtet werden). Das Wasser drängt zurück („Das verdrängte Wasser will an seinen ursprünglichen Platz zurück.“) und drückt den Gegenstand nach oben.
  4. Je mehr Wasser ein Gegenstand verdrängt, desto stärker wird er nach oben gedrückt.
  5. Die Erde zieht nach unten, das Wasser drückt nach oben: Je nach Form und/oder Material des Gegenstandes kann der Gegenstand schwimmen oder sinken (ggfs. auch schweben). Es „gewinnt“ die nach unten ziehende Erde oder das nach oben drückende Wasser.
  6. Gelegentlich wird das Archimedische Prinzip behandelt, mit dem ausgesagt werden kann, wie groß die vom Wasser ausgeübte Auftriebskraft ist: Die Gewichtskraft des verdrängten Wassers ist genauso groß wie der Auftrieb.
  7. Dies kann weiterhin mit der Dichte in Beziehung gebracht werden: Ist die Dichte des Gegenstandes größer als die Dichte von Wasser (also eine Volumeneinheit des Gegenstandes ist schwerer als eine gleich große Volumeneinheit von Wasser), dann sinkt er. Ist sie geringer als Wasser, dann schwimmt er.

 

Bewertung dieser traditionellen Unterrichtskonzepte:

Die Angebote c) bis g) haben den Mangel, dass sie keinerlei Erklärung dafür liefern, wie der Auftrieb zustande kommt. Sie liefern eine Aussage darüber, wie groß der Auftrieb ist oder unter welchen Bedingungen ein Gegenstand nach oben steigt oder nach unten sinkt.

Der Ansatz, über das „Verdrängen von Wasser“ das Entstehen des Auftriebs erklären zu wollen, muss aus weiteren Gründen kritisch gesehen werden. Die Vorstellung, dass während des Vorgangs des Eintauchens das Wasser durch den Gegenstand weggedrückt wird und das Wasser dabei seinerseits zurück drückt („es will zurück an seinen ursprünglichen Platz“), hat eine gewisse Plausibilität. Aber „will“ das Wasser etwas tun? Und drückt es noch zurück, wenn der Vorgang des Eintauchens abgeschlossen ist und der Körper sich im Wasser in Ruhe befindet? Für viele Kinder ist es einleuchtend, dass das Wasser aus allen Richtungen an den Ort des Gegenstandes strömen würde, aus Symmetriegründen von allen Seiten gleich stark. Dann würden sich die Druckkräfte insgesamt aufheben. Der Körper wird höchstens zusammengedrückt. Aber es gibt keinen Auftrieb, der ihn nach oben schiebt!


Abb. 1: Wenn das Wasser von allen Seiten gleich stark drückt, gibt es keinen Auftrieb

Für die Entstehung des Auftriebs ist entscheidend, dass aufgrund der Zunahme des Wasserdrucks mit der Wassertiefe die Druckkraft auf die Unterseite größer ist als die Druckkraft auf die Oberseite des Gegenstandes und nicht die Menge des verdrängten Wassers. Dies sieht man an folgendem Versuch: In zwei stapelbare Wassergläser wird die gleiche geringe Wassermenge eingefüllt. Ein drittes Glas wird beladen in eines der beiden Gläser gestellt. Bei den ineinander gestellten Gläsern ist deutlich zu sehen, dass das innere Glas schwimmt und der Wasserspiegel stark ansteigt. Nach dem Archimedischen Prinzip muss so viel Wasser verdrängt worden sein, wie es dem Gewicht des dritten, beladenen Gefäßes entspricht. So viel Wasser war aber gar nicht in dem Wassergefäß und kann gar nicht weggedrückt werden.

 


Abb. 2: Das innere Glas schwimmt und verdrängt einen Bruchteil seines eingetauchten Volumens

Das bedeutet, dass die übliche Formulierung des Verdrängungskonzeptes und des Archimedischen Prinzips für Gegenstände in engen Gefäßen in Frage zu stellen ist. Dann ist seine Bedeutung als Lerninhalt im Sachunterricht erst recht fragwürdig. Richtig ist: Die Auftriebskraft ist so groß wie die Gewichtskraft des gedachten Wassers, das bei gleichem Wasserstand an der Stelle wäre, an der der Körper ist. Das ist aber keine einfache Aussage.

Ob es sinnvoll und angemessen ist, eine mehr oder weniger elementarisierte Form der Dichte in der Grundschule zu behandeln, kann mit einigem Recht bezweifelt werden. Mit dem Dichtekonzept haben auch Mittelstufenschüler erhebliche Schwierigkeiten. Seine Anwendung z.B. auf ein Ruderboot, ist problematisch und sehr schwierig: Welches Volumen ist zu betrachten? Und wie bereits erwähnt: Das Dichtekonzept erklärt die Entstehung des Auftriebs nicht!

 

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