Sinken, Schweben, Steigen und Schwimmen von Körpern

Je nachdem, wie groß die Gewichtskraft FG eines Körpers und die an ihm in entgegengesetzter Richtung wirkende Auftriebskraft FA sind, kann der Körper in einer Flüssigkeit oder in einem Gas sinken, schweben, steigen oder schwimmen. Die Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der vom Körper verdrängten Flüssigkeits- oder Gasmenge (archimedisches Gesetz).

Ein Körper sinkt nach unten, wenn die Gewichtskraft größer als die Auftriebskraft ist.
Beispiel: Blatt Papier in Luft.

Ein Körper schwebt in einer bestimmten Tiefe bzw. Höhe, wenn die Gewichtskraft genauso groß wie die Auftriebskraft ist.
Beispiel: Fisch in einer bestimmten Tiefe.

Ein Körper steigt nach oben, wenn die Gewichtskraft kleiner als die Auftriebskraft ist.
Beispiel: Ball, den man unter Wasser drückt.

Ein Körper schwimmt, wenn die Gewichtskraft genauso groß wie die Auftriebskraft ist, wobei sich ein Teil des Körpers außerhalb der Flüssigkeit befindet.
Beispiel: Schlauchboot oder Luftmatratze.

Die Bedingungen für das Sinken, Schweben, Steigen oder Schwimmen von Körpern kann man auch mithilfe der Dichten der Körper und der Flüssigkeit bzw. des Gases beschreiben. Dazu sind folgende Überlegungen durchzuführen: Die Gewichtskraft eines Körpers ist von seiner Masse und diese wiederum von seiner Dichte und seinem Volumen abhängig.

Es gilt:

FG=mKörperg=ρKörperVKörperg

Die Gewichtskraft des verdrängten Stoffes und damit die Auftriebskraft ist von der Dichte und dem Volumen des betreffenden Stoffes, z. B. Wasser oder Luft, abhängig.

Es gilt:

FA=mFlg=ρFlVFlg

Ein Boot schwimmt sicher, wenn seine Auftriebskraft hinreichend groß ist.

Da das Volumen des eingetauchten Körpers und das des verdrängten Stoffes gleich sind, ist für das Verhältnis der beiden Kräfte zueinander die Dichte des Körpers und die Dichte des Stoffes entscheidend dafür, ob ein Körper sinkt, schwebt, steigt oder schwimmt. Dabei ist zu beachten, dass für den Körper immer die mittlere Dichte betrachtet werden muss.

So schwimmt z. B. ein Schiff aus Stahl mit einer schweren Ladung deshalb, weil seine mittlere Dichte kleiner ist als die des Wassers. Zwar hat Stahl und sicher auch die Schiffsladung eine größere Dichte als Wasser, aber man muss beachten, dass sich im Schiff auch viele Hohlräume mit Luft befinden, sodass die mittlere Dichte eines Schiffes kleiner ist als die von Wasser.

Alle Zusammenhänge sind in Bild 2 im Überblick dargestellt.
Es sind auch Beispiele genannt. Die Formulierungen und Beispiele beziehen sich auf Wasser. Sie gelten aber auch für beliebige andere Flüssigkeiten und für Gase, insbesondere auch für die Luft.

Sinken, Schweben, Steigen, und Schwimmen von Körpern
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