Schwimmen und Sinken

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Archimedisches Prinzip ✔ | Schwimmen als physikalischer Effekt ✔ | Schwimmen und Dichte ✔ | Schweben in der Luft ✔

Auftrieb eines Objekts

Wenn sich ein Objekt unter Wasser befindet, wirkt der Wasserdruck allseitig ein, wie auf der linken Seite gezeigt. Allerdings ist wegen der größeren Tiefe der Druck auf die Unterseite größer als der Druck auf die Oberseite. Das Ergebnis ist eine Aufwärtskraft, die als Auftrieb bezeichnet wird. Um einen Auftrieb selbst zu erleben, tauche eine leere Plastikflasche in einen Kübel mit Wasser.

Archimedisches Prinzip

Der Block unten wiegt 25 N. Aber wenn man ihn in Wasser eintaucht, scheint er nur 15 N zu wiegen, und zwar wegen des 10 N großen Auftriebs aus dem Wasser.

Beim Eintauchen nimmt der Block Platz ein und verdrängt das Wasser. Experimente zeigen, dass das verdrängte Wasser eine Gewichtskraft von 10 N hat - das ist exakt soviel wie die Auftriebskraft.

Dieses Prinzip gilt für jede Flüssigkeit (oder jedes Gas), nicht nur für Wasser. Es heißt Archimedisches Prinzip:

Wenn ein Gegenstand ganz oder teilweise in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, ist der Auftrieb gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit.


Auftrieb eines 25 N Blocks

Das archimedische Prinzip

Schwimmen als physikalischer Effekt

Ein Objekt wird schwimmen (oder schweben), wenn die Auftriebskraft, die auf das Objekt wirkt, genau so groß wie sein Gewicht ist.

Das Modellboot unten wiegt 10 N. Da die Kräfte ausgeglichen sind, beträgt die Auftriebskraft ebenfalls 10 N. Da die Auftriebskraft gleich dem Gewicht des verdrängten Wassers ist, beträgt das Gewicht des verdrängten Wassers ebenfalls 10 N - genau soviel wie das Gewicht des Bootes.

Wenn ein Objekt frei schwimmt, ist das Gewicht der Flüssigkeit, die es verdrängt, gleich seinem eigenen Gewicht.


Auftrieb eines Bootes

Mit extra Gewicht drin schwimmt ein Boot tiefer im Wasser. Es verdrängt mehr Wasser, so dass es einen größeren Auftrieb braucht, um das zusätzliche Gewicht auszugleichen. Aber wenn zu viel zusätzliches Gewicht hinzugefügt wird, wird das Boot sinken.

Schwimmen und Dichte


Teer schwimmt im Wasser

Teer schwimmt im Wasser, aber nur eben. Das Gesetz der Flotation besagt, dass Teer das gleiche Gewicht (und damit die gleiche Masse) hat wie das Wasser, das er verdrängt. Vollständig eingetaucht, hat Teer auch das gleiche Volumen. So muss seine Dichte gleich sein (weil Dichte = Masse $\div$ Volumen). Wenn seine Dichte größer wäre, würde Teer sinken:

Wenn ein Material schwimmt, muss seine Dichte weniger als (oder gleich) der Dichte der Flüssigkeit sein.

Holz schwimmt im Wasser weil es eine geringere Dichte als Wasser hat. Ein Stahlboot schwimmt auch im Wasser. Solider Stahl ist dichter als Wasser, aber ein Boot ist hohl und voller Luft, so dass seine durchschnittliche Dichte weniger als die von Wasser ist.

Schweben in der Luft

In einem großen Volumen ist die Luft sehr schwer. Der Heißluftballon unten verdrängt mehr als 3 Tonnen Luft. Er wird nach oben aufsteigen, wenn sein Gesamtgewicht (einschließlich der Luft innen) kleiner ist als das Gewicht der Luft, die er verdrängt.


Heißluftballon steigt auf
Ein Ballon wird nach oben aufsteigen, wenn sein Gesamtgewicht geringer ist als das Gewicht der Luft, die er verdrängt.

Vor dem Start wird die Luft im Ballon durch einen Gasbrenner auf über 100 °C erwärmt. Dadurch dehnt sich die Luft aus, so dass über eine halbe Tonne durch das Loch unten herausgedrückt wird. Mit weniger Gewicht an Luft kann der Auftrieb nun den Stoff, den Brenner, den Korb und die Besatzung tragen - so beginnt der Ballon zu steigen.


Fragen


1. Ein kleines Boot wiegt 1000 N. Es schwimmt im Wasser.

  1. Wie groß ist die Auftriebskraft, die auf das Boot wirkt?
  2. Wie groß ist das Gewicht, das vom Boot verdrängt wird?
  3. Wenn ein zusätzliches Gewicht in das Boot gelegt wird, warum wird das Boot tiefer im Wasser schwimmen?

Richtig ist:

  1. 1000 N
  2. 1000 N
  3. Weil durch das höhere Gewicht mehr Wasser verdrängt wird.

2. Welcher der Stoffe Polyethylen, Stahl und Kiefernholz schwimmt in

  1. Wasser?
  2. Paraffin?

Erkläre deine Antworten.
Dichte in kg/m3: Granit 2700; Paraffin 800; Polyethylen 950; Wasser 1000; Kiefernholz 500

Richtig ist:

  1. Polyethylen
  2. Kiefernholz

Richtig ist:
Ein Boot aus Stahl ist innen hohl, so dass seine Gesamtdichte geringer ist, als die Dichte des Wassers.

Richtig ist:
3000 N

5. Ein Granitblock hat ein Volumen von 0,2 m3. Er liegt auf einem harten Untergrund am Boden eines Sees. Verwende die Werte aus Frage 2, und g = 10 $\mathrm {\frac {N}{kg}}$

  1. Wie groß ist das Gewicht des Blocks in N
  2. Wie groß ist das Gewicht des Wassers, das von dem Block verdrängt wird?
  3. Wie groß ist die Auftriebskraft, die auf den Block wirkt?
  4. Wie groß ist die minimale Aufwärtskraft, die benötigt wird, um den Block vom Untergrund zu heben?

Richtig ist:

  1. 5400 N
  2. 2000 N
  3. 2000 N
  4. 3400 N

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