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Archimedisches Prinzip


Versuch


Definition


Das archimedische Prinzip der Physik lautet: der statische Auftrieb eines Körpers in einem Medium ist genauso groß wie die Gewichtskraft des von ihm verdrängten Mediums. Das ist hier mit einem einfachen Versuch und etwas Theorie kurz erklärt.

Ein einfacher Versuch im Schwimmbad


Man nehme neinen kleinen Spielzeugball, etwa in der Größe eines Hand- oder Fußballes. Ideal sind Bälle zum Aufblasen. Dann versuche man einmal, einen solchen Ball ganz unter Wasser zu drücken. Man braucht dafür sehr viel Kraft. Es fühlt sich so an, als ob sich das Wasser „gegen den Ball wehrt“. Diese abwehrende, den Ball nach oben zurückdrückend-wollende Kraft ist die Auftriebskraft. Sie kann sehr stark sein. Wie stark diese Kraft ist, kann man oft recht einfach über das archimedische Prinzp berechnen. Das zugrundeliegende physikalische Effekt ist der statische Auftrieb.

Was ist statischer Auftrieb?


Als Auftrieb bezeichnet man eine Kraft, die einen Körper weg von der Erdoberfläch nach oben hin drückt oder zieht. Ist die Kraft ausreichend stark, kann der Körper nach oben aufsteigen. Ist die Kraft schwächer, kann es sein, dass der Körper nur seine Höhe beibehält (schwebt) oder sogar nach unten sinkt. Aber ohne die Auftriebskraft würde der Körper stärker nach unten sinken oder nach unten ziehen. Man nennt einen Auftrieb statisch, wenn er auch dann zustande kommt, wenn ein Körper sich nicht bewegt, etwa ein Schiff oder Heissluftballon. Lies mehr unter statischer Auftrieb ↗

Im Originaltext


Hier sind die Worte Archimedes in einer modernen Übersetzung: „Jeder beliebige Körper, der leichter als das Wasser ist, strebt beim Eintauchen mit einer Kraft nach oben, die sich aus der Differenz zwischen dem Gewicht des vom Körper verdrängten Wassers und dem Gewicht des Körpers selbst ergibt. Ist der Körper jedoch schwerer als das Wasser, dann wird er mit einer Kraft nach unten gezogen, die sich aus der Differenz des Körpergewichtes zum Gewicht des von ihm verdrängten Wassers ergibt.“[2]

Schwimmender Körper als Werkstatt-Versuch


Der Auftrieb ist eine Kraft, die Körper nach oben steigen lässt, einen Fall nach unten abbremst oder sie in einer festen Höhe hält. Bei Schiffen und überhaupt schwimmenden Gegenständen ist das Letztere der Fall. Was der Auftrieb dabei bewirkt kann man mit einem einfachen Experiment näher betrachten. Man braucht dazu:


Schritt 1: Kräfte messen


Man hält den Körper zunächst in der Luft an den Federkraftmesser und liest die Anzeige ab, zum Beispiel 8 Newton. Das heißt, der Körper zieht mit 8 Newton nach unten. Dann setzt man den Körper schwimmend auf Wasser und misst wieder die Kraft, mit der er nach unten zieht, jetzt zum Beispiel: 6 Newton. Der Körper hat also 2 Newton an Kraft verloren, mit der er nach unten zieht. Tatsächlich ist es die Auftriebskraft des Wassers, die ihn jetzt mit 2 Newton nach oben drückt.

Schritt 2: verdrängtes Wasser auffangen


Jetzt muss man irgendwie die Menge Wasser messen, die das Schiff verdrängt, wenn es auf der Wasseroberfläche schwimmt. Man kann dazu zum Beispiel das Wasserbecken ohne Schiff es randvoll mit Wasser auffüllen. Setzt man dann das Schiff auf das Wasser, fließt das verdrängt Wasser über den Beckenrand und kann dort aufgefangen werden.

Schritt 3: Gewichtskraft des Wassers


Das verdrängte Wasser wird jetzt in eine leichte wasserdichte Tüte umgefüllt. Diese Tüte hängt man an den Kraftmesser. Man lies dann zum Beispiel ab, dass das Wasser in der Tüte mit 2 Newton nach unten zieht.

Archimedisches Prinzip erkennen


Die Kraft, mit der das verdrängte Wasser aus der Tüte zieht ist genauso groß, wie der Verlust der Gewichtskraft des schwimmenden Schiffes. Dass diese beiden Kräfte immer gleich groß sind nennt man das Archimedische Prinzip. Es gilt für alle schwimmenden Körper in allen Flüssigkeiten.

Fußnoten