Hydrostatik - Archimedisches Prinzip
Schwimmen, schweben und sinken
Warum können tonnenschwere Schiffe auf einem Fluss schwimmen, ohne unterzugehen – trotz ihres riesigen Gewichts? Eine Erklärung lieferte der altgriechische Gelehrte Archimedes schon vor über 2000 Jahren mit seinem archimedischen Prinzip.
Dieses lautet: Die Auftriebskraft eines Körpers ist in einem Medium genauso groß wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums.
Ob ein Gegenstand auf dem Wasser schwimmt, hängt also von dem Verhältnis zwischen Auftrieb und Gewichtskraft ab. Allerdings spielt auch die Form des Gegenstands eine Rolle: Ist der Körper so geformt, dass er mehr Flüssigkeit verdrängt, als er selbst wiegt, dann kann er schwimmen.
Ein weiterer entscheidender Faktor dafür, ob ein Gegenstand schwimmt oder nicht, ist die Dichte des Wassers. Sie gibt an, wie viele Teilchen sich innerhalb eines bestimmten Volumens befinden. Nehmen wir als Beispiel einen Liter Wasser. Viele Teilchen liegen in diesem Liter natürlich dichter beieinander als wenige, da sie weniger „Platz“ haben. Das heißt: je mehr Teilchen sich in einem bestimmten Volumen befinden, desto größer ist die Dichte des Wassers. Und je größer die Dichte des Wassers ist, desto größer ist auch die Auftriebskraft des schwimmenden Gegenstandes.
Die Dichte wird üblicherweise in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) angegeben.
Das richtige Maß an Auftrieb und Verdrängung
Zurück zu dem Beispiel mit den riesigen Schiffen:
Diese verdrängen Wasser und erhalten dadurch Auftrieb. Ein Schiff taucht so tief ein, bis es genügend Wasser für ausreichend Auftrieb verdrängt hat (siehe Nr. 1 oben) Das funktioniert natürlich nicht unendlich – hat ein Schiff zu viel Ladung, kann es auch irgendwann sinken.
Interessant wird es jetzt, wenn ein Schiff vom Salzwasser (z. B. in der Nordsee) ins Süßwasser wechselt (z. B. in einen Fluss wie die Elbe). Salz- und Süßwasser unterscheiden sich nämlich von ihrer Dichte. Salzwasser hat eine größere Dichte. Was bedeutet das für das Schiff? Es sinkt im Süßwasser tiefer in das Wasser ein. Es muss nämlich mehr Wasservolumen verdrängen, um auszugleichen, dass die Dichte des Wassers (ohne Salz) geringer ist.
Experiment
Mit folgendem Experiment kannst du das archimedische Prinzip praktisch ausprobieren. Nimm dazu ein Glas, gib ein Ei hinein und fülle das Ganze mit Wasser auf.
Du wirst sehen, dass das Ei auf dem Boden des Glases liegt, weil das verdrängte Volumen leichter ist als das Ei und damit die Auftriebskraft kleiner ist als die Gewichtskraft(1).
Versuch:
- Fülle nun etwas Salz hinein. Was passiert?
- Die Dichte des Wassers erhöht sich und das Ei beginnt zu schweben, weil das verdrängte Volumen nun genauso viel wiegt wie das Ei selbst. Die Auftriebskraft entspricht jetzt der Gewichtskraft (2).
- Mit noch mehr Salz wird das Ei sogar an der Oberfläche schwimmen. Die Auftriebskraft ist dann größer als die Gewichtskraft (3).
Experiment
