Zeit messen – mit der Wasseruhr

Wasseruhren wurden schon vor Jahrtausenden in zahlreichen Kulturen zur Zeitmessung genutzt. Die einfache Wasseruhr wurde im antiken Griechenland „Klepsydra“ genannt. Eine solche kannst du dir selber bauen!

Zeitmessung mit einer selbstgebauten Wasseruhr

Bei diesem Experiment konstruierst du eine Wasseruhr und misst damit eine Zeitspanne von 3 Minuten. Bild: Redaktion SimplyScience.ch

In diesem Experiment konstruierst du eine Wasseruhr, mit der du eine Zeit von 3 oder 4 Minuten stoppen kannst – also etwa die Zeit, um ein kleines Ei bei Raumtemperatur zu einem „Drei-Minuten-Ei“ zu kochen.

Das brauchst du:

  • Zwei leere 500ml-PET-Flaschen
  • Ein Gefäss mit Wasser (dritte Flasche, Krug …)
  • Schere, Nagel, Hammer
  • Lebensmittelfarbe (oder Tinte)
  • Einen wasserfesten Filzstift
  • Eine Stoppuhr

So wird’s gemacht:

  1. Schneide den oberen Teil der ersten Flasche ab und behalte den zylindrischen unteren Teil. Wir werden ihn „Auffangflasche“ nennen.
  2. Schneide den Unterteil der zweiten Flasche ab und behalte den oberen mit dem Deckel. Wir nennen diese Flasche die „Trichterflasche“.
  3. Schraube den Deckel der Trichterflasche ab und schlage mit Hilfe von Nagel und Hammer ein kleines Loch in die Mitte des Deckels. Schraube den Deckel wieder auf die Trichterflasche.

Wasseruhr kalibrieren

Als erstes muss die Wasseruhr kalibriert werden. Stell die Auffangflasche aufrecht auf eine ebene Oberfläche. Sie sollte auf einer Höhe stehen, auf der du das Tropfen des Wassers gut beobachten und deine Markierungen machen kannst. Stell die Trichterflasche mit dem Deckel nach unten auf die Öffnung der Auffangflasche.

  1. Bereite in dem dritten Gefäss gefärbtes Wasser vor. Giesse das Wasser in die Trichterflasche. Markiere rasch den Wasserstand, bevor das Wasser durch das Loch auszulaufen beginnt.

Das Wasser tropft nun in die Auffangflasche.

Auffangflasche der selbstgebauten Wasseruhr

Alle 30 Sekunden markierst du den Wasserstand in der Auffangflasche. Bild: Redaktion SimplyScience.ch

  1. Sobald der Wasserstand den zylindrischen Teil erreicht, machst du eine erste Markierung („Nullmarke“) mit dem Filzstift und fängst an, die Zeit zu stoppen. Danach machst du alle 30 Sekunden eine Markierung (siehe Bild).
  2. Giesse anschliessend das Wasser aus der Auffangflasche wieder in das Ausgangsgefäss zurück.

Wasseruhr benutzen

Beginne nochmals von vorn und fülle die Trichterflasche bis zu deiner Markierung. Dieses Mal benötigst du die Stoppuhr nicht mehr. Das Wasser fliesst aus, erreicht die Nullmarke und danach die anderen Markierungen, die jeweils einem Intervall von 30 Sekunden entsprechen.

So kannst du die Zeit messen – beispielsweise 3 (oder 4) Minuten, um ein Ei weich zu kochen!

Zusatzexperiment

Füll die Trichterflasche nur zur Hälfte, nimm nochmals die Stoppuhr zur Hand und beobachte den Wasserstand alle 30 Sekunden. Was bemerkst du?

Scharf beobachtet

Wenn du eine Flasche voll Wasser durch ein kleines Loch entleerst, siehst du, dass sich die Ausflussgeschwindigkeit ändert. Am Anfang fliesst das Wasser schnell ab, dann langsamer.

Wenn du gut beobachtest, wirst du bemerken, dass die Abstände zwischen den von dir gesetzten Markierungen nicht genau gleich sind. Je mehr sich die Trichterflasche leert, desto enger werden sie.

Wenn die Trichterflasche nur bis zur Hälfte gefüllt wird, bemerkt man, dass 30 Sekunden Ausflusszeit nicht mehr den Markierungen entsprechen, die man das erste Mal bei voller Trichterflasche gemacht hat: Die erste Markierung ist nach 30 Sekunden noch nicht erreicht.

Um regelmässige Abstände zwischen den Markierungen zu erhalten, muss das Wasser gleichmässig ausfliessen. Zu diesem Zweck nutzten die Griechen drei Gefässe: ein Speichergefäss, einen Trichter und ein Auffanggefäss.

Aus dem Speichergefäss fliesst Wasser in den Trichter und füllt ihn bis zum Rand. Das überlaufende Wasser gelangt ins Auffanggefäss. So bleibt der Wasserstand im Trichter immer konstant – randvoll – und der Höhenunterschied zwischen Wasserstand und Abfluss bleibt gleich. Der Wasserfluss in das kalibrierte Auffanggefäss ist daher konstant.

Das steckt dahinter:

Wie das Wasser abfliesst, hängt natürlich von der Grösse des Lochs ab, aber nicht nur. Wenn sich das trichterförmige Gefäss leert, spielt auch seine Form eine Rolle – der Abfluss wäre anders, wenn es eine exakt zylindrische Form hätte (wie ein Rohr) oder die runde Form einer Schale.

Die grösste Wirkung hat der Druck des Wassers über dem Loch. Je mehr Wasser sich darüber befindet, desto stärker drückt dieses auf das Loch. Die Abflussgeschwindigkeit hängt also stark von der Höhe des Wassers im Trichter ab. Am Anfang, wenn das Gefäss voll ist, fliesst das Wasser schneller; danach verringert sich seine Abflussgeschwindigkeit langsam.

Im Bild siehst du eine Flasche mit Löchern auf drei verschiedenen Höhen. Du siehst, dass das Wasser aus dem untersten Loch am schnellsten ausfliesst (der Wasserstrahl ist am kräftigsten). Über diesem Loch befindet sich am meisten Wasser, während das oberste Loch sich nahe der Wasseroberfläche befindet.

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