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Schwimmen, Sinken, Schweben und Steigen

Egal wo du bist, du bist immer von einem oder mehrere Medien umgeben, dies kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder auch das Vakuum des Weltraums sein. In der Schule geht es aber zentral um den Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen. Ein Körper in einem Medium kann vier Verhaltensweisen zeigen, er schwimmt auf dem Medium, wie ein Schiff auf dem Ozean, er sinkt im Medium, wie ein Metallblock im Wasser, er schwebt im Medium, wie ein sich nicht bewegender Fisch oder er steigt im Medium, wie eine Gasblase im Mineralwasser.

Beispiel für Schwimmen, Sinken, Schweben und Steigen

Für diese Verhaltensweisen ist nicht die Masse eines Körpers verantwortlich, sondern das Verhältnis der Masse des Körpers zu der Masse des von dem Körper verdrängten Mediums. Bei einem homogenen, also komplett gleichmäßig aufgebauten Körper und Medium, lässt sich die Dichte des Körpers und des Mediums analog verwenden.

Beschreibung mit Kräften

Dieser Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen lässt sich mit den wirkenden Kräften leicht erklären. Jeder Körper besitzt eine Masse und ist damit auch einer Gewichtskraft ausgesetzt, die ihn zum Mittelpunkt der größten Masse zieht (auf der Erde also zum Erdmittelpunkt). Diese Kraft sorgt immer für das Sinken des Körpers in einem Medium.

Das verdrängte Medium, das normalerweise den Platz des Körpers einnehmen würde, wiegt jedoch auch etwas. Diese verdrängte Masse bewirkt immer eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. Ist die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft des Körpers, steigt der Körper im Medium. Erreicht er die obere Mediengrenze, wird er auf dieser Schwimmen.

Ist die Gewichtskraft genauso groß wie die Auftriebskraft, schwebt der Körper im Medium. Ist die Gewichtskraft größer als die Auftriebskraft so sinkt der Körper unwillkürlich im Medium.

Berechnung der Auftriebskraft im Medium

Interessanterweise kommt es nur zum Auftrieb durch das Medium, solange sich etwas von dem Medium unterhalb des Körpers befindet.

Der Auftrieb in Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern

Flüssigkeiten können eine unterschiedliche Dichte besitzen und sogar sehr schwer werden. So haben Öl und Alkohol eine kleinere Dichte als Wasser, während Lava und flüssige Metalle eine wesentliche höhere Dichte aufweisen. Für alle diese Flüssigkeiten gilt der Auftrieb in Flüssigkeiten. Die Physiker nehmen vereinfacht an, das es sich immer um nicht siedende homogene Flüssigkeiten handelt. Der Effekt dieser unterschiedlichen Dichten kann dabei sehr eindrucksvoll sein. So sinkt eine Glasscheibe in Wasser, während sie auf einem Silbersee schwimmt, ein Effekt welcher in der Spiegelherstellung angewandt wird.

Es gibt nur einen Unterschied zum Auftrieb in Flüssigkeiten, nämlich, dass die Gase eine viel kleinere Dichte besitzen als Flüssigkeiten. Aus diesem Grund ist der Auftrieb auch deutlich kleiner in Gasen.

Die Festkörper haben zwar meistens eine höhere Dichte als Gase und Flüssigkeiten, jedoch verhindern sie eine Bewegung innerhalb des Mediums. Da sich ein Körper nicht in einem Festkörper bewegen kann und sich auch das Medium nicht an die Stelle des Körpers bewegen kann, kommt es hier zu keiner Auftriebskraft.