68 40 Schwimmen, Schweben, Sinken Ein Stück Eisen geht im Wasser unter. Warum kann man aber aus Eisen ein Schiff bauen, das schwimmt? Auf einen ganz in eine Flüssigkeit eingetauchten Körper wirken zwei Kräfte, sein Gewicht G lotrecht nach unten und der Auftrieb FA nach oben. Hinsichtlich der Größe dieser beiden Kräfte sind drei Fälle möglich (Abb. 40.1): 1. Das Gewicht ist größer als der Auftrieb (G1 > FA ). Der Körper sinkt. 2. Das Gewicht ist gleich dem Auftrieb (G2 = FA ). Der Körper bleibt in der Flüssigkeit in jeder Tiefe in Ruhe, er schwebt. 3. Das Gewicht ist kleiner als der Auftrieb (G3 < FA ). Der Körper steigt an die Oberfläche und schwimmt. Er bleibt nur so weit in der Flüssigkeit eingetaucht, dass das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit – also der Auftrieb – so groß wie sein gesamtes Gewicht ist. Es stellt sich das Gleichgewicht G3 = F ’A ein (Abb. 40.2). Das Volumen eines ganz eingetauchten Körpers ist ebenso groß wie das Volumen der vom Körper verdrängten Flüssigkeit. Von zwei Körpern mit gleichem Volumen hat nun jener das größere Gewicht, der die größere Dichte hat. Wir können uns daher mit Hilfe der Dichte überlegen, wie sich ein Körper beim Eintauchen in eine Flüssigkeit verhält: Ein Körper sinkt in einer Flüssigkeit, wenn seine Dichte größer als die der Flüssigkeit ist ( ρK > ρFl). Ein Körper schwebt, wenn seine Dichte gleich der der Flüssigkeit ist ( ρK = ρFl). Ein Körper steigt bzw. schwimmt, wenn seine Dichte kleiner als die der Flüssigkeit ist ( ρK < ρFl). Haben Körper eine größere Dichte als Wasser, können wir sie z. B. durch Aushöhlen zum Schwimmen bringen. Auf diese Weise wird ihr Gewicht verkleinert. Das „Verdrängungsvolumen“ bleibt jedoch gleich. Es darf allerdings kein Wasser in die Aushöhlung eindringen. Darauf beruht das Schwimmen von Schiffen aus Stahl. Man kann aber auch Körper mit schwimmenden Gegenständen (Holz, Kork, Schwimmreifen) verbinden und dadurch ihr Sinken verhindern. Versuch: Der Cartesianische Taucher (Abb. 40.3) ist ein hohler, mit Luft gefüllter und unten mit einer kleinen Öffnung versehener Gegenstand (Bauanleitung siehe Übungsteil Seite 91). Er schwimmt in einer ganz mit Wasser gefüllten Plastikflasche. Drückt man die Flasche zusammen, dringt durch die kleine Öffnung Wasser in den Hohlkörper ein, und der Taucher sinkt. Lässt der Druck nach, kann sich die im Taucher eingeschlossene Luft wieder ausdehnen und das Wasser herausdrängen; der Taucher steigt. Durch einen Druck mit passender Stärke kann auch das Schweben in der Flüssigkeit erreicht werden. Ein Unterseeboot nimmt beim Abtauchen Wasser in die Tauchtanks auf. Dadurch sinkt es. Beim Auftauchen wird dieses Wasser durch Pressluft wieder hinausgedrückt. Das U-Boot steigt auf. Können Schiffe aus Eisen schwimmen? 40.1 In einer Flüssigkeit wirken auf einen Körper das Gewicht und der Auftrieb. Die drei Körper haben dasselbe Volumen. FA FA FA G1 G2 G 3 1 2 3 G F 1 A > G F 2 A = G F 3 A < 40.2 Gleichgewichtslage der Körper nach dem Loslassen FA FA F ´ A G1 G2 G3 1 2 3 G F 1 A > G F 2 A = FA G F ´ 3 A = < 40.3 Cartesianischer Taucher (Bauanleitung siehe Übungsteil Seite 91!) Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv
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