Anpassung an die Wasserströmung - Lösungshinweise

Versuche

Versuch 1: Vergleiche den Strömungswiderstand von Luft und Wasser.

Dass die Erdanziehungskraft gleich ist, kann man nach Archimedes leicht dadurch sicher stellen, dass man die Körper an einer Balkenwaage austariert: der eine Körper hängt in Luft, der andere in Wasser. Die Messung der Fallgeschwindigkeit in Luft ist schwierig, da die Fallstrecke nur kurz sein kann (nur Gefäße mit geringer Höhe vorhanden). Falls es die Möglichkeit gibt, mit einer Lichtschranke aus der Physiksammlung zu messen, sollte man das tun.

Versuch 2: Vergleich des Strömungswiderstandes verschiedener Körperformen

Wichtig ist, dass alle Körper die gleiche Masse und Dichte haben. Außerdem darf die Sinkgeschwindigkeit nicht zu hoch sein.

Mit Vorversuchen die Masse der Modelliermassenportion festlegen: bei einer Dichte unter 1g/cm³hat der Körper Auftrieb. Man kann ihn dann mit Reißzwecken spicken, bis er gerade etwas Abtrieb hat. Bei einer Dichte über 1g/cm³ hat der Körper Abtrieb: man spickt ihn dann mit Zahnstochern.

Die Sinkgeschwindigkeit einer planktischen Zelle ist bspw. 6m / Tag, das sind 0,007 cm/s (20 °C).

Versuch 3: Strömungswiderstand bei verschiedenen Temperaturen

Der Strömungswiderstand von Wasser sinkt mit steigender Temperatur. Bspw. beträgt die Zähflüssigkeit bei 0 °C 1,64 * 10 ^-3 Pascal * Sekunde, bei 30 °C 0,80 * 10 ^-3 Pascal * Sekunde.

Versuch 4: Dichte von wirbellosen Wasserorganismen wie Krebse oder Insektenlarven

Bestimme die Masse und das Volumen von möglichst vielen Individuen einer Art, die in Wasser untergeht.

In einem Messzylinder auf einer Waage so viele Individuen wie möglich hineingeben und die Massen- und die Volumenzunahme messen. Dichte = Masse / Volumen.

Versuch 5: Wasserströmung in einer Rinne

Je nach Bedingungen ergibt sich

• eine laminare Strömung: das Wasser vermischt sich beim Strömen nicht. Geringe Strömungsgeschwindigkeit und geringe Dicke der Wasserschicht.
• eine turbulente Strömung: das Wasser vermischt sich beim Strömen. Hohe Strömungsgeschwindigkeit und große Dicke der Wasserschicht.

An Hindernissen nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab, je näher das Wasser am Hindernis vorbeiströmt.

Staubkörner, die direkt an der Hindernisoberfläche entlang schwimmen, werden von Staubkörnern, die weiter entfernt schwimmen, überholt. Je länger die Oberfläche ist, desto stärker ist der Effekt.

Direkt an der Oberfläche von Steinen in einem Bach befindet sich eine strömungsarme Grenzschicht: sog. Prandtlsche Grenzschicht. Interessant ist auch das Strömen durch die Zinken eines Kamms. In der Biologie findet man z.B. die Larven der Kriebelmücken, die das vorbei strömende Wasser mit einem Fächer filtern.

Die Strömungsgeschwindigkeit ist in der Mitte zwischen den Rändern der Rinne größer als an den Rändern. Bei Hindernissen dreht sich die Strömungsrichtung sogar um: sog. Kehrwasser (Kanufahrer und Angler kennen diesen Effekt).

Aufgaben zu den Versuchen

Aufgabe 1 zu Versuch 1: Vergleich des Strömungswiderstandes verschiedener Medien

Erkläre die Unterschiede zwischen den Strömungswiderständen der beiden Medien Luft und Wasser. Begründe mit den kleinsten Teilchen (Anordnung und Anziehungskräfte).

Mittlere Entfernung der kleinsten Teilchen untereinander: in Gas groß, in Flüssigkeit klein. Anziehungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen: in Gas klein, in Flüssigkeit groß (bspw. starke Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen).

Aufgabe 2 zu Versuch 2: Vergleich des Strömungswiderstandes verschiedener Körperformen

Zähle drei Wirbeltiere auf, die eine hydrodynamisch besonders günstige Form haben. Auch viele wirbellose Tiere, die am Grund eines Baches leben, haben solch eine Form mit geringem Strömungswiderstand. Erkläre.

Schnell schwimmende Tiere: Delfin, Pinguin, Hai usw. haben eine hydrodynamsich günstige Form. Tiere, die am Boden in einem Fließgewässer leben, leben genauso in der Strömung, wie ein Fisch, der durch stehendes Wasser schwimmt.

Aufgabe 3 zu Versuch 3: Strömungswiderstand bei verschiedenen Temperaturen

Erkläre die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes von der Temperatur im Teilchenmodell.

Je höher die Temperatur, desto größer ist die Geschwindigkeit der kleinsten Teilchen und desto leichter können sie auch durch den sich bewegenden Körper "zur Seite geschoben werden".

Aufgabe 4 zu Versuch 4: Dichte von wirbellosen Wasserorganismen wie Krebse oder Insektenlarven

Suche in Büchern und im Internet nach Gruppen wirbelloser Tiere, die eine geringere Dichte als Wasser aufweisen. Tipp: Man findet sie unter wasserlebenden Insekten. Notiere ihre Namen und füge ein Foto einer Art innerhalb jeder Gruppe dazu, auf dem man sieht, dass die Tiere an der Oberfläche "hängen", wenn sie nicht aktiv schwimmen. Es gibt nur sehr wenige Arten dieser Gruppen, die in Fließgewässern leben, die meisten leben in Stillgewässern. Zähle Gründe für diese Tatsache auf.

Es handelt sich um erwachsene Schwimmkäfer, Schwimmwanzen, Larven von Stechmücken usw.. Ihr Tracheensystem ist an der Abdomenspitze nach außen geöffnet. Zum Atemholen lassen sie sich an die Wasseroberfläche steigen.

In Fließgewässern kann man sich an der Wasseroberfläche "nirgendwo festhalten" und die Tiere verdriften bachabwärts. Der gefleckte Schnellschwimmer Platambus maculatus ist unter den Schwimmkäfern (Dytiscidae) einer der wenigen Arten, die in Fließgewässern vorkommen und dort auch nur in strömungsberuhigten Zonen.

Aufgabe 5 zu Versuch 5: Wasserströmung in einer Rinne

Erstelle ein Schaubild: Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit in einer Rinne quer zur Strömungsrichtung von einem Rand der Rinne zum anderen. Begründe den Kurvenverlauf. Versuche auch ein Schaubild zu erstellen, das die Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit ebenfalls quer zur Strömungsrichtung, aber von der Wasseroberfläche bis zum Grund eines Baches zeigt.

Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt quer zur Strömungsrichtung vom Rand zum Mittelpunkt zwischen den Rändern (sog. Strömungsstrich) zu. Grund ist durch die Reibung an den Rändern. Ebenfalls nimmt sie zum Grund hin und durch die Reibung an der stillstehenden Luft auch ein wenig zur Wasseroberfläche hin ab. Die höchste Fließgeschwindigkeit misst man deswegen im Zentrum des fließenden Wasserkörpers.

Viele wasserlebende Larven von Eintagsfliegen sind besonders flach gebaut. Erkläre diese Anpassung aus dem Ergebnis des Versuchs.

Je flacher ein Organismus gebaut ist, desto weniger Kraft übt das fließende Wasser auf ihn aus. Besonders flach gebaute Eintagsfliegenlarven wie Ecdyonurus drücken sich fest an den Untergrund in diese strömungsarme Grenzschicht.

Aufgabe 6: Wo spielt der Strömungswiderstand in der Technik eine Rolle?

Bei der Konstruktion von Schiffen und U-Booten, von Flugzeugen und Fallschirmen, von Gebäuden usw.