Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

5.3 Der Auftrieb Ein interessantes Phänomen, das mit dem hydrostatischen Druck zusammenhängt, ist die Tatsache, dass tonnenschwere Schiffe auf dem Wasser schwimmen. Wes- halb gehen sie nicht unter? Experiment: Auftrieb 56.1 Du brauchst: zwei verschieden große Gegenstände, eine Federwaage, ein Becher- glas mit Wasser, Kochsalz. Bestimme das Volumen jedes Gegenstands (z. B. mittels Wasserverdrängung), dann mit Hilfe des Kraftmessers sein Gewicht in Luft und in Wasser. E 1 a) Beobachte, wie sich während des Eintauchens die Anzeige der Federwaa- ge verändert. E 1 b) Um wieviel verringert sich das Gewicht, wenn der Körper dabei zur Gänze im Wasser eintaucht? Vergleiche mit dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeits- menge! ( 56.1 ). E 1 c) Wiederhole das Experiment mit Salzwasser. Was hat sich geändert? Beim Eintauchen des Körpers in die Flüssigkeit misst die Federwaage ein geringe- res Gewicht als in Luft. Dem Gewicht des Körpers wirkt eine Kraft entgegen, der Auftrieb . Die Experimente zeigen, dass der Auftrieb eines vollständig oder auch nur teilwei- se eingetauchten Körpers vom eingetauchten Volumen des Körpers und von der Dichte der Flüssigkeit abhängt. Er ist umso größer, je mehr Volumen des Körpers eintaucht und je dichter die Flüssigkeit ist. Ursache des Auftriebs Wie kommt der Auftrieb zustande? Wir betrachten einen vollständig in eine Flüs- sigkeit eingetauchten quaderförmigen Körper (Volumen V , Querschnitt A ). Wegen der Abhängigkeit des hydrostatischen Drucks von der Tiefe erfährt der Körper von oben einen geringeren Druck als von unten. ( 56.2 ). Die Kräfte an den Seiten sind jeweils entgegengesetzt gleich groß und ergeben keine resultierende Kraft. Der Druck p 2 an der Unterseite des Körpers ist größer als der Druck p 1 an der Ober- seite. Daher wirkt unten eine größere Kraft auf den Körper als oben. Die Differenz der Kräfte beträgt F A = F 2 – F 1 = p 2 · A – p 1 · A = ρ Fl · g · A · h 2 – ρ Fl · g · A · h 1 = ρ Fl · g · A · ( h 2 – h 1 ) = ρ Fl · g · V . Den Zusammenhang von Auftrieb und Gewicht der verdrängten Flüssigkeit soll A RCHIMEDES (ca. 287–212 v. Chr., Syrakus, Sizilien) entdeckt haben. Das Gesetz für den Auftrieb wird daher als Archimedisches Prinzip bezeichnet und lautet: Ein vollständig oder teilweise in eine Flüssigkeit eingetauchter Körper erfährt einen Auftrieb F A , der seinem Gewicht entgegenwirkt. F A = ρ Fl · g · V ρ Fl ...Dichte der Flüssigkeit, V ...Volumen der verdrängten Flüssigkeit Der Auftrieb entspricht dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit. Ein schwimmender Körper taucht so weit ein, dass das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit gleich seinem Gewicht ist. Untersuche, überlege, forsche: Schweben, Sinken, Schwimmen 56.1 W 1 a) Wovon hängt es ab, dass ein Gegenstand in einer Flüssigkeit sinkt, schwebt oder auf ihr schwimmt? S 1 b) Begründe, warum ein Schiff aus Stahl schwimmen kann. 56.2 S 2 Was muss man tun, um in Süßwasser zu schwimmen? Welcher Unterschied besteht zum Schwimmen in Salzwasser? Begründe deine Meinung. F A F G 56.1 Bestimmung des Auftriebs eines Kör- pers. Die Federwaage zeigt die Differenz F G – F A . F 1 F 2 F A F 1 F 2 A A h 1 h h 2 56.2 Entstehung des Auftriebs 56.3 Warum schwimmen Schiffe aus Stahl? Hecht Barsch 56.4 Fische steuern die Tauchtiefe mit ihrer Schwimmblase 56 MECHANIK 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv