2015 Das Hexenloch Lara Dippel, Jonathan Seidel Weidigschule Butzbach Betreuer: Dr. Friedemann Graubner
Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 2 1.1 Das Phänomen 2 1.2 Findung des Projekts 2 1.3 Physikalische Grundlagen 2 2. Experimente 3 2.1 Ziel der Untersuchungen 3 2.2 Erster Versuch 3 2.3 Zweiter Versuch 4 2.4 Dritter Versuch 4 2.5 Fazit 6 2.6 Reflexion 6 3. Quellen- und Literaturverzeichnis 7 4. Danksagungen 7 1
1. Einführung 1.1 Das Phänomen Um 1930 soll 160 Kilometer vor der Küste von Aberdeen ein Fischkutter ohne ersichtlichen Grund gesunken sein. Man hat das Schiff im Jahr 2000 gefunden. Es wies keinerlei Schäden auf und stand kerzengerade auf dem Meeresboden in 140 Meter Tiefe. Wissenschaftler vermuten, dass der Untergang durch aufsteigende Gasblasen, vermutlich Methan, bewirkt worden ist, die die Tragfähigkeit des Wassers verringerten. (Quelle 1-3 ) 1.2 Findung des Projekts Auf dieses Phänomen sind wir durch einen Freund unseres Betreuers (Jürgen Nake) aufmerksam geworden, der uns einen Zeitungsartikel, welcher sich mit diesem Thema beschäftigte, zukommen ließ. Nach weiteren Nachforschungen zu diesem Thema entschieden wir, uns diesem Projekt zu widmen. 1.3 Physikalische Grundlagen Auftrieb und das Archimedische Gesetz: Der Auftrieb verringert die Gewichtskraft eines Körpers in Flüssigkeiten, da sie diesem entgegen wirkt. Die Auftriebskraft (F A ) eines Körpers ist gleich der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeit (V). Hierbei ist die Kraft auf die Unterseite größer als auf die Oberseite, da der hydrostatische Druck mit der Tiefe zunimmt. (Quelle 4-7 ) F A =ρ Fl * g * V ρ Fl : Dichte der Flüssigkeit g: Ortsfaktor 2
2. Experimente 2.1 Ziel der Untersuchungen Unser Ziel war es, in einem Modellversuch herauszufinden, ob ein Schiff aufgrund der Verringerung des Auftriebs durch aufsteigende Gasblasen untergehen kann. Weiterhin wollten wir feststellen, ob dies auch von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist, wie zum Beispiel der Größe und der Dichte der Gasblasen oder der Größe des Schiffes. Anstelle von Methangas mussten wir aus Sicherheits- und Kostengründen Luft verwenden. Bezüglich der Fragestellung war dies aber unproblematisch, da der Dichteunterschied von Luft und Methan im Verhältnis zu der Dichte von Wasser vernachlässigbar ist. 2.2 Erster Versuch Zuerst fixierten wir den doppelten Boden, in den wir ca. 800 Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm für die Entstehung der Luftblasen gebohrt hatten, mit Gewichten in unserem Gefäß und schlossen eine Druckpumpe an. Anschließend füllten wir das Gefäß mit Wasser. Danach setzten wir ein Boot mit geschlossenem und ein Boot mit offenem Deck ins Wasser und schal-teten die Druckpumpe ein. Wir stellten fest, dass beide Boote weggetrieben wurden, bis sie in einem Bereich waren, in dem keine Blasen mehr aufstiegen. 3
2.3 Zweiter Versuch Um das seitliche Abdriften zu verhindern, setzten wir an einer Stelle, an der gleichmäßig viele Blasen auftraten, einen Begrenzungsring ein. Wir beobachteten, dass das oben offene Boot durch den Eintritt von Wasser sank. Weiterhin machte sich nun auch die durch ungleichmäßig aufsteigende Blasen entstandene Zirkulation des Wassers bemerkbar, da sich das Boot deutlich sichtbar drehte. Das geschlossene Boot ging ebenfalls unter. Allerdings konnte man nicht erkennen, ob dies durch die geringere Dichte des Wasser- Gas-Gemischs geschah oder durch die auftretende Zirkulation. 2.4 Dritter Versuch Die Ergebnisse der ersten beiden Versuche zeigten, dass wir, um eindeutige Ergebnisse zu erhalten, den Versuchsaufbau verbessern mussten. Ziel musste es sein, vor allem die Zirkulation des Luft-Wasser-Gemischs zu verhindern. Um die Vorgänge besser beobachten zu können, wählten wir anstelle einer Wanne eine nahezu zylinderförmige, hohe Glasvase. Um kleinere Gasblasen als bei den vorheriger Versuchsaufbauten zu erhalten, verwendeten wir eine Teichbelüftungspumpe mit sehr feinen Austrittsdüsen. Auf diese Weise konnten wir einen ziemlich gleichmäßigen Aufstieg von ca. 5mm großen Luftblasen erhalten. Als Boot verwendeten wir einen durchbohrten Holzquader. 4
Durch die Bohrung steckten wir eine vertikale Kunststoffstange, an der der Holzquader fast reibungsfrei auf und ab steigen konnte. Die Stange zentrierten wir auf der Achse der Vase. Auf den Holzquader legten wir so viele Metallunterleg-scheiben, dass er gerade noch schwamm. Nach Einschalten der Teichbelüftungspumpe blieb unser Boot an der Oberfläche. An der Unterseite des Holzquaders sammelten sich Luftbläschen, die einen zusätzlichen, uns störenden Auftrieb erzeugten. Um diesen Effekt zu vermeiden, schrägten wir die Unterseite des Holzquaders wie einen Schiffsrumpf an und reduzierten die Anzahl der aufgelegten Unterlegscheiben dementsprechend. Diese Maßnahme wirkte sich positiv aus: Der Holzklotz sank nun nach Einschalten der Teichpumpe langsam ab. Dies wurde vermutlich auch dadurch ermöglicht, dass die Form des Holzklotzes nun strömungsgünstiger war und deshalb das durch die Blasen mitgerissene Wasser weniger Kraft von unten auf den Holzklotz ausübte. 5
2.5 Fazit Das Boot mit dem offenen Deck sinkt durch das Aufsprudeln von Wasser, welches in das Boot eingedrungen ist. Das Boot mit dem geschlossenen Deck sinkt durch die geringere Dichte des Wasser-Gas- Gemisches nach unten. Im ersten und zweiten Experiment wird es durch die auftretende Zirkulation im Becken zusätzlich nach unten gedrückt, sodass es nicht deutlich nachweisbar ist, ob das Boot nur aufgrund der geringeren Dichte untergeht. Allerdings tritt in der Realität auf dem Meer keine Zirkulation auf, da dort der Bereich nicht begrenzt ist und das Wasser in alle Richtungen ausweichen kann. Im dritten Versuch wurde deutlich, dass allein die niedrigere Dichte, die durch die Gasblasen entsteht, ausreicht, um ein Schiff untergehen zu lassen. Allerdings geht dies nur, wenn die Differenz zwischen dem Auftrieb und der Gewichtskraft des Schiffes vorher nicht zu groß ist. Somit kommen wir bezogen auf das Phänomen in der Nordsee zu dem Fazit, dass das Schiff möglicherweise durch die niedrigere Dichte gesunken ist. Es ist aber genauso denkbar, dass durch das Hochsprudeln des Gases Wasser in das Schifft gelangt ist und so der Untergang eingeleitet wurde. 2.6 Reflexion Unser Hauptziel haben wir nach einigen Fehlversuchen und kleinschrittigen Verbesserungen schließlich erreicht. Für die genauere Untersuchung der Abhängigkeiten von verschiedenen Faktoren hatten wir weder genug Zeit, noch die nötigen Geräte und Materialien. 6
3. Quellen- und Literaturverzeichnis 1. http://de.wikipedia.org/wiki/hexenloch_(seegebiet) 2. http://www.theage.com.au/articles/2003/10/22/1066631498889.html 3. http://www.rp-online.de/panorama/riesige-gasblase-koennte-nordsee-kutterversenkt-haben-aid-1.2060164 4. Impulse Physik Sekundarstufe I, Klett Verlag 5. Spektrum Physik 8/9, Schroedel Verlag 6. Dorn Bader Physik Gymnasium Hessen, Schroedel Verlag 7. http://www.experimentis.de/site/wp-content/uploads/2013/06/309archimedes.gif 8. Danksagungen Zuerst möchten wir uns bei der Weidigschule Butzbach für die Bereitstellung der Räume und der Materialien, die wir für unser Experiment benötigten, bedanken. Des Weiteren sind wir dankbar für die Unterstützung durch Frau Dr. Anke Ordemann und Bjarne Bensel, die uns mit weiteren Ideen und nützlichen Materialien ausgeholfen haben. Letztendlich bedanken wir uns bei unserem Betreuer Herrn Dr. Friedemann Graubner, der uns mit viel Geduld und Fachwissen durch unser Projekt geleitet hat. 7