Jeder weiß aus Erfahrung, dass ein Stein im Wasser versinkt, nicht aber ein Stück Holz. Und warum schwimmt überhaupt ein tonnenschweres Schiff aus Stahl oder ein Ponton aus Beton? Diese Fragen lassen sich mit dem Archimedischen Prinzip klären. Am Ende der Seite gibt es ein Video, in dem ein Schiff scheinbar auf Nichts schwimmt und noch viele weitere Versuche zu diesem Thema. Es wird auch gezeigt, wie man Eier zum Schweben bekommt.
Was wird gebraucht?
- Schale mit Wasser
- Münze
- Alufolie (z.B. den Deckel eines Joghurtbechers)
Was ist zu tun?
Man baue aus der Alufolie ein kleines Schiff und lege die Münze darauf. Obwohl die Münze ohne die Alufolie untergehen würde, schwimmt sie auf dem Aluboot.
Was ist geschehen? Erklärung zum archimedischen Prinzip
Physikalisch lautet die Erklärung bzw. das Archimedische Prinzip wie folgt: Die Auftriebskraft eines Körpers in einem Medium ist ebenso groß wie die Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Mediums. Medium heißt es deshalb, weil das Prinzip des Archimedes nicht nur in Flüssigkeiten, sondern auch in Gasen gilt.
Das Archimedische Prinzip sagt also, dass eine Münze mit einem Gewicht von beispielsweise zehn Gramm mehr als zehn Gramm Wasser verdrängen muss, damit sie schwimmt. Das Aluboot hilft der Münze dabei, dies zu erreichen. Der Auftrieb oder die sogenannte Auftriebskraft ist dann größer als die Gewichtskraft der Münze (und des Aluminiums).
Das archimedische Prinzip im Alltag: Mehr Tiefgang in der Elbe
Ein 100 Tonnen schweres Schiff schwimmt nach dem Archimedischen Prinzip also dann, wenn es mehr als 100 Tonnen Wasser verdrängt. Darauf beruht beispielsweise auch der folgende Effekt: Ein Liter Salzwasser hat eine größere Dichte als ein Liter Süßwasser (und ist damit bei gleichem Volumen „schwerer“). Fährt ein Schiff von der Nordsee in die Elbe ein, so hat es plötzlich mehr Tiefgang, denn das Schiff muss dort mehr Wasser verdrängen, damit es schwimmt.
Unter der Dichte eines Körpers versteht man dabei die Masse dieses Körpers in einem bestimmten Volumen. Hat ein Körper eine geringere Dichte als das umgebende Medium, so erfährt er einen Auftrieb und schwimmt. Hat ein Gegenstand eine höhere Dichte, so geht er unter. Ein Schwebezustand tritt dann ein, wenn ein Körper genau dieselbe Dichte besitzt. Dies demonstriert auch gut der physikalische Miniversuch mit den drei Eiern.
U-Boote besitzen Tanks, die des Tauchgangs mit Wasser und zum Auftauchen mit Luft aus Pressluftflaschen gefüllt werden. Dadurch ändert sich die mittlere Dichte des U-Bootes, was zu mehr oder weniger Auftrieb führt. Nach demselben Prinzip funktionieren die Schwimmblasen mancher Meerestiere, die diese durch im Blut gebundene Gase befüllen können.
Das Archimedische Prinzip bei Gasen
Die Entdeckung des berühmten Griechen Archimedes funktioniert übrigens auch mit Gasen. Alles fliegt, was eine niedrigere Dichte als die Luft hat. Alle Dinge, die dieselbe Dichte wie die Luft haben, schweben und Gegenstände mit einer größeren Dichte bleiben am Boden (s. Ein Teebeutel hebt ab). Archimedes lebte von ungefähr 287 bis 212 vor Christus und gilt als einer der ersten Physiker der Menschheitsgeschichte.
Weitere Experimente zum Prinzip des Archimedes
Das archimedische Prinzip: Wie viel wiegt eine Hand?
Die schwimmende Büroklammer
Ein Teebeutel hebt ab
Physikspielzeug zum archimedischen Prinzip
Mini-Experiment zum archimedischen Prinzip Nr. 1: Das schwebende Ei
Ein weiterer Versuch, der das Archimedische Prinzip gut verdeutlicht, ist das Experiment „Ein schwebendes Ei“. Man nimmt dazu ein Glas, legt ein Ei hinein und füllt das Glas mit Wasser auf. In ein zweites Glas gibt man Wasser und ein paar Esslöffel Salz. Ziel ist es, nach und nach so viel Salz in das Wasser zu geben und dadurch dessen Dichte so weit zu erhöhen, dass ein Ei zunächst schwebt und – wenn man möchte – schließlich auch schwimmt. Auf dem Foto ist zu sehen, wie das Ganze am Schluss aussieht. Im ersten Fall ohne Salz ist die Auftriebskraft kleiner als die Gewichtskraft. Im zweiten Fall ist die Auftriebskraft genau gleich der Gewichtskraft – man hat ein schwebendes Ei – und im dritten Fall ist die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft.
Mini-Experiment zum archimedischen Prinzip Nr. 2:
Eiswürfel im Wasserglas
Angenommen man hat ein Glas mit einem Eiswürfel und füllt dieses randvoll mit Wasser. Was passiert, wenn das Eis schmilzt? Läuft das Glas über oder nicht? Interessant ist diese Frage vor allem im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt: Inwieweit ändert sich der Meeresspiegel, wenn die Polkappen tatsächlich abschmelzen? Macht man den Versuch, stellt man fest, dass das Glas NICHT überläuft. Eis, das im Meer schwimmt, wie etwa in der Arktis (Nordpol), verändert den Meeresspiegel also nicht. Anders verhält es sich natürlich mit Eis, dass sich auf Landmassen befindet, abtaut und in das Meer fließt, wie etwa in der Antarktis.
Das Prinzip des Archimedes oder wie ein Schiff auf „Nichts“ schwimmt
Die Physikshow der Uni-Bonn zeigt, wie ein Schiff aus Aluminium scheinbar auf „Nichts“ schwimmt. Tatsächlich handelt es sich bei dem Gas in dem Glasbehälter um Schwefelhexafluorid, das eine sehr viel höhere Dichte als Luft besitzt.
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