Sammanfattning av fenomenet flyta/sjunka

Liv i vatten
Vi har kopplat liv till olika vattenlevande djur och har det som övergripande tema i vårt arbete. Materia är vatten (i detta fall trycket i vatten) och djurens föda som vi även kopplar till energi och teknik då djuren har olika tekniker för att ta sig till födan. Orsaken till att vattenlevande djur kan hålla sig flytande i vatten beror på många olika saker. Vi har gjort ett urval av olika djur som alla har skilda egenskaper för att kunna hålla sig flytande.

Vatten har unika egenskaper för att liv ska kunna utvecklas. En viktig egenskap för livet på jorden är att vatten är tyngst vid 4 grader vilket bidrar till att sjöar och hav inte kan bottenfrysa. Det vatten som kyls ner till 4 grader finns närmast botten och på grund av dess temperatur kan det inte frysa. Is är lättare än vatten och lägger sig därför ovanpå. Därav kan vattenlevande djur överleva kalla vintrar.


Densitet
Densitet är en avgörande faktor för att något ska kunna flyta eller sjunka i vätska. Genom att man tar massan delat med volymen får man fram ett ämnes täthet. Ju tätare atomerna är packade desto större blir föremålet densitet. Om ett föremål ska kunna flyta måste det ha lägre densitet än vatten. En sten flyter exempelvis inte eftersom densiteten är högre än vattnets. Däremot kan ett annat föremål av samma storlek men annat material flyta eftersom det då inte är lika sammanpackat som en sten. Föremålet väger då mindre än stenen även om storleken är densamma. Man kan säga att stenen är för liten för sin tyngd och därför sjunker. Därmed inte sagt att tunga saker inte kan flyta. Med viss teknik kan man få föremål som vanligtvis har högre densitet än vatten att flyta genom att ändra formen. För att ta ett konkret exempel så kan man titta på båtar. De är ofta gjorda av järn som är ett material med hög densitet. Båten kan dock flyta eftersom den är konstruerad på ett sätt som gör att den innehåller mycket luft i skrovet. Luft har lägre densitet än vatten vilket gör att båten klarar av att tränga undan lika mycket vatten som den väger. Med hjälp av Arkimedes princip kan man alltså bygga båtar.

Arkimedes princip
Den grekiske fysikern Arkimedes (ca 287 f.Kr - 221 f.Kr) var den som upptäckte att ett föremål som sänks ned i en vätska påverkas av en lyftkraft, som är lika stor som tyngden av den undanträngda vätskemängden. Om föremålet tränger undan lika mycket vatten som sin egen vikt blir lyftkraften så stor att den bär upp föremålets tyngd. Alla saker som ligger och flyter tränger alltså undan lika många kilo vatten som sin vikt. Trycket från vattnet är då lika stort som kraften från det som flyter. Exempelvis en stor båt kan alltså flyta eftersom den tränger undan lika mycket vatten som sin egen vikt. Lyftkraften som båten får från vattnet som den sänks ner i är alltså lika stor som det undanträngda vattnets tyngd.

Tryck
Valar och andra havsdjur är konstruerade på ett helt annat sätt än vi människor. Valar är extremt duktiga dykare. De simmar rutinmässigt ned på flera hundra meters djup, kaskelottvalar kan till och med dyka ner på mer än tusen meters djupt. Det är enastående prestationer som människan inte kommer i närheten av att klara utan att ta hjälp av tekniska hjälpmedel. Valarna klarar av att lagra stora mängder syre i såväl blod som muskler. I detta tillstånd kan syret inte ge upphov till några gasbubblor och därför löper djuren ingen risk att få dykarsjuka och därmed skadas. Vi människor kan inte lagra så mycket syre i våra kroppar utan behöver då teknisk utrustning för att dyka på större djup. Trycket under vattenytan orsakas av vattnet som finns ovanför. Ju djupare ner i vattnet man kommer desto större blir alltså trycket. Djuphavsfiskar som normalt lever på mer än 100 meters djup kan dö direkt om de tas upp till vattenytan då trycket utanför minskar vilket kan leda till att simblåsan kan explodera.

Friktion
Gemensamt för benfiskar, hajar och valar är att alla har en strömlinjeformad kropp. Formen på kroppen gör att friktionen i vattnet minskar. Friktion är en slags bromsande kraft som bildas av att olika föremåls ojämnheter griper in i varandra, en kraft som gör motstånd mot rörelsen. Utan friktion skulle vi ha svårt att leva då vi inte skulle kunna ta ett steg utan att halka. Föremål som tar sig fram i vatten utsätts för bromsande krafter. Hur stor krafterna blir beror på föremålets yta och form, men även dess tyngd, ju tyngre föremålet är desto hårdare griper ojämnheterna in i varandra. Materialet är också av betydelse, vilka material som glider mot varandra.

Naturen har också sett till att många vattendjur som exempelvis delfiner är släta och strömlinjeformade för att minska friktionen, för att de lättare ska kunna glida fram i vattnet och att vattenmotståndet ska vara minimalt. Delfinens skinn är glatt och ofta fuktigt av slem som gör kroppen hal. Den har inga utskjutande delar på kroppen förutom bröstfenorna som hjälper till med styrningen. Delfiner är helt anpassade till ett liv i havet och skelettet är inte lika starkt som hos landlevande däggdjur eftersom vattnet bär upp mycket av deras tyngd. Bröstkorgen kan tryckas ihop och är inte fast som på oss människor för att delfinen ska klara vattentrycket då den dyker. Vore bröstkorgen fast skulle den knäckas av vattentrycket. Delfiner andas genom blåshålet som öppnas då den når vattenytan. Trots att delfiner andas luft precis som vi människor så klarar den inte att vara på land någon längre tid.

Simmare använder dräkter som hjälper till att minska motståndet i vattnet och som ökar lyftkraften genom att luft fångas in i dräkten. Dräkterna är gjorda av vattenavvisade material som stöter bort vattnet och på så sätt minskar vattenmotståndet. Detta för att simmarna ska kunna simma snabbare och spara energi. Dräkterna är även trånga och då trycks simmarens kropp ihop som medför att simmaren hamnar i ett läge med lägre vattenmotstånd.

Sett ur ett historiskt perspektiv började människan transportera sig på vatten med hjälp av urholkade stockar och tog hjälp av vattnets glidfunktion för att spara energi och minska friktionen. Båtarnas teknik och konstruktion har utvecklats och anpassats efter människans ökande behov och utveckling. Idag finns en mängd olika lastfartyg som hjälper människan att frakta varor världen över.

Vattenlevande djur

Maneter
Maneter består till stor del av vatten vilket gör att de nästan har samma densitet som vatten. Detta gör att maneten kan hålla sig flytande men de kan även ta sig fram genom att simma. Runt kanten på manetens kropp sitter det en krans av muskelceller som kan dras ihop . Med pulserande rörelser pressas vattnet ut ur kroppen och skjuter maneten framåt (även om rörelserna är väldigt svaga). Maneter simmar oftast uppåt men när den slutar simma så sjunker den ner igen. Runt maneterna sitter det tentakler som är fulla med nässelceller som de använder för att fånga födan med. Öronmaneten äter exempelvis små planktondjur som räkor, kräftdjur och ibland även fisk genom att de fastnar på nässelcellerna.

Musslor
Musslor som är ett bottendjur har högre densitet än vatten därav anledningen varför den lever på sjö/havsbotten. Hos exempelvis Blåmusslan, vars skal består av två skalhalvor som skimrar i en blåaktig färg, är skalet strömlinjeformat för att vatten lätt ska flyta förbi och skalet är även förtjockat för att bättre tåla kraftiga vågor. Skalet kan Blåmusslan stänga med hjälp av muskler, så kallade slutmuskler, när faror hotar och för att skydda sig mot uttorkning men skalet kan öppnas igen med hjälp av ett slags låsband, så kallat ligament. För att musslorna inte ska förflyttas ofrivilligt så limmar de fast sig på hårda föremål med hjälp av byssustrådar. Dessa utsöndras från en speciell körtel och är uppbyggda av protein. Vill musslan däremot självmant flytta på sig klipper den av trådarna och gör sedan nya. På grund av att musslor oftast sitter fast på botten eller på stenar låter de vattnet föra med sig födan och filtrerar sedan ut ätbara partiklar. Vattnet sugs in i kroppen genom ett rör och filtrerar sedan ut födan och tar också upp syret i vattnet.

Benfiskar
Gädda och abborre är uppbyggda av ett hårt skelett av ben därav namnet benfiskar. Fiskarnas föda består av olika saker som till exempel alger eller andra fiskar. Eftersom fiskar är beroende av att kunna simma för att ta sig till födan använder de sig av sina fenor. För att fiskarna ska kunna reglera flytkraften är de även utrustade med en simblåsa som hjälper fisken att hålla så lik densitet som vattnet som möjligt. Simblåsan är ett mjukväggigt hålrum i fisken som innehåller gas. Detta hålrum har lägre densitet än vattnet. När fisken simmar uppåt i vattnet minskar trycket i vattnet runt fisken och simblåsan expanderar. Till följd av att simblåsans väggar sträcks ut så blir stjärten på fisken väldigt lätt och vill flyta uppåt. För att fisken ska få tillbaka en normal balans startar en reflex hos simblåsan som gör att gasen i blåsan minskar så simblåsan återgår till normalt läge och fisken återfår sin neutrala flytförmåga i vattnet. När fisken istället simmar nedåt ökar trycket runt fisken och simblåsan minskar sin volym. I och med att simblåsan minskar så ökar fiskens medeldensitet och den tenderar att sjunka mot botten. För att återfå sin neutrala flytförmåga startar nu reflexen i simblåsan som gör att gas vidgar simblåsan till normalt ursprungsläge. Simblåsan och gasens funktion blir att hjälpa fisken att behålla sin flytkraft utan att den behöver anstränga sig något nämnvärt.

Hajar
Det finns fiskar vars kropp till stor del består av brosk istället för ben. Dessa kallas broskfiskar varav hajar tillhör denna grupp. Precis som hos benfiskar är hajen beroende av att simma och använder sig av sina fenor. Hajen har ingen simblåsa som kan reglera deras flytkraft utan är istället utrustade med en oljefylld lever. Oljan i levern har lägre densitet än vattnet vilket hjälper hajen att hålla sig flytande. Även om hajar har denna oljefyllda lever så sjunker många av dem om de slutar simma då oljan bara kompenserar en liten del av hajens flytförmåga. Hajens skelett är starkt, lätt och elastiskt vilket kräver mindre energi för att flytta kroppen. Detta är en fördel eftersom många hajar är rovdjur och deras föda huvudsakligen består av annan fisk. Den måste då kunna simma snabbt för att fånga sitt byte.

Valar
Till skillnad från hajar och benfiskar finns det andra vattenlevande djur som till exempel valar vars kropp till stor del består av späck. Späcket hjälper valen att hålla sig flytande. Hos valar är det deras späck och den luft de har i sina lungor som hjälper dem att hålla sig flytande. Gråvalar exempelvis dyker ner ca 90 meter och skopar upp slam från botten och filtrerar sedan ut djuren som lever i slammet. När den kommer upp till ytan silar den bort vattnet och dyker ned igen.

Fotosyntes
I vattnet finns det växter och alger som skapar skydd för fiskarna. Växter arbetar tillsammans med solljuset för att skapa fotosyntes vilket är en kemisk reaktion. Växterna tar upp koldioxid (mat till sig själva) som fiskar andas ut och skapar nytt syre som fiskarna andas in. Om solen skulle sluta lysa skulle det bli syrebrist och livet i vattnet skulle dö. När träd växer pågår fotosyntesen i bladen. Trädet tillverkar då själv de ämnen det behöver för att överleva. För att fotosyntesen ska fungera kräver växten energi från solen, vatten och koldioxid från luften. Det som blir över släpps ut i luften som syre som vi människor behöver. Likadant fungerar det i vår kropp. Kroppen gör om maten vi äter till bränsle och byggnadsmaterial i våra kroppar. Detsamma gäller för kossan som äter gräs vilket bidrar till att den växer, gräset görs om till mjölk som vi människor behöver. Med hjälp av fotosyntesen bildas ett kretslopp som ger allt levande energi och föda.


Ämnesdidaktiken Flyta/ Sjunka
När undervisningen planerades utgick vi från de ämnesdidaktiska frågorna Vad och hur, vad vi anser eleverna ska lära sig och hur detta ska undervisas samt varför (Wickman och Persson, 2009). I förskolan ska barnen få en förståelse för att lätta saker flyter och tunga saker sjunker, även att formen påverkar samt att de utvecklar en viss förståelse för enkla naturvetenskapliga fenomen. Detta görs genom att barnen funderar över varför en del saker kan flyta/sjunka och därefter testar olika föremål genom att släppa ner de i vatten för att se vad som händer. Efter detta ska de få en lerklump att flyta, kan man relatera detta till båtar? I skolan ska eleverna få en förståelse för att form och vikt kan påverka fenomenet. De ska även få en förståelse för att föremåls densitet är avgörande för om det sjunker eller flyter. Detta för att lära sig utforska och arbeta självständigt och tillsammans med andra samt befästa en vana att på egen hand formulera ståndpunkter grundade på såväl kunskaper som förnuftsmässiga och etiska överväganden, men även för att tillägna sig goda kunskaper inom skolans ämnen och ämnesområden för att bilda sig och få beredskap för livet. Detta görs genom att utgå från en Concept cartoon och fundera över olika påståenden. Eleverna ska därefter testa de olika påståendena, vilka stämde? Efter detta får eleverna fundera över hur de ska få en lerklump att flyta, kan man relatera detta till båtar? De ska även få lägga andra föremål på den formade leran och se om den flyter eller sjunker.

Elfström, Nilsson, Sterner och Wehner-Godée (2009) menar att man genom ett undersökande arbetssätt möjliggör en naturvetenskaplig utforskande kultur. Författarna belyser även materialets betydelse för att främja till ett undersökande. Ginner och Mattsson (2003) framhäver vikten av att som lärare lyssna och iaktta på ett positivt sätt för att få en uppfattning om elevernas föreställningar men även för att eleven måste förstå att hon/han inte lär av läraren utan faktiskt lär själv. Elfström et al. (2009) menar även att barnen/eleverna ska äga frågan och att läraren bör ha ett pedagogiskt förhållningssätt och lyssna på deras teorier och frågor vilket vi tror bidrar till att barn/elever förstår att de faktiskt lär själva. I samtycke med Garbett (2003) och Elfström et al. (2009) anser vi att lärarens kunskap inom ämnet är fruktansvärt viktig då okunskap kan leda till missvisande fakta som kan följa eleverna under hela deras skolgång. Desto bättre kunskap läraren har om ämnet desto mer anser vi det ökar deras självförtroende samt förmåga att undervisa. Vi anser dock att det är nödvändigt att integrera innehållet med pedagogik och didaktik.

Referenser:
Elfström, I., Nilsson, B., Sterner, L. & Wehner- Godée, C. (2009). Barn och naturvetenskap- upptäcka, utforska, lära. Stockholm: Liber

Garbett, D. (2003). Science Education in Early Childhood Teacher Education:
Putting Forward a Case to Enhance Student Teachers’ Confidence and Competence. Artikel

Ginner, T. & Mattsson, G. (2003). Tekniken i skolan. Lund: Studentlitteratur

Wickman, P-O. & Persson, H. (2009). Naturvetenskap och naturorienterade ämnen i grundskolan- en ämne didaktisk vägledning. Stockholm: Liber