2. Sinken, Schweben, Steigen

Ein Stein sinkt, während ein Schiff auf dem Wasser schwimmt. Das hängt mit dem Auftrieb zusammen. Es gibt aber auch Körper, die in Flüssigkeiten sinken und wieder steigen können – z. B. Fische und U-Boote.
In diesem Kapitel erfährst du, wann ein Körper sinkt, schwebt oder steigt. Zudem lernst du Beispiele aus Natur und Technik kennen, die sich dieses Prinzip zunutze machen.

2.1 Auftriebskraft und Gewichtskraft

Auf jeden Körper in einer Flüssigkeit wirken (mindestens) zwei Kräfte: die Auftriebskraft und die Gewichtskraft.

Das Verhältnis der beiden Kräfte entscheidet, ob ein Körper sinkt, schwebt oder steigt.

Es wird zwischen drei Fällen unterschieden:

Sinken: Ein Körper sinkt, wenn seine Auftriebskraft kleiner ist als seine Gewichtskraft (F_A < F_G).
Schweben: Ein Körper schwebt, wenn seine Auftriebskraft und seine Gewichtskraft gleich groß sind (F_A = F_G).
Steigen: Ein Körper steigt, wenn seine Auftriebskraft größer ist als seine Gewichtskraft (F_A > F_G).

Animation. Drei Würfel nebeneinander in einer Flüssigkeit mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Links: Die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft. Der Würfel sinkt. Mitte: Die Auftriebskraft und die Gewichtskraft sind gleich groß. Der Würfel bleibt auf der Stelle, er schwebt. Rechts: Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft. Der Würfel steigt. — Das Verhältnis von Auftriebskraft und Gewichtskraft entscheidet, ob ein Körper sinkt, schwebt oder steigt.

Achtung: Achte darauf, die Gewichtskraft des Körpers (F_G) nicht mit der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit (F_{G Flüssigkeit}) zu verwechseln!

Aufgabe A: Sinken, Schweben oder Steigen?

Sinken, schweben oder steigen die gezeigten Körper? Wähle jeweils die richtige Antwort aus:

Aufgabe B: Auftriebskraft und Gewichtskraft

Ziehe die Begriffe an die richtigen Stellen:

Förderfenster: Sinken, Schweben, Steigen

Animation. Ein Würfel im Wasser mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft. Der Würfel sinkt.

Animation. Ein Würfel im Wasser mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft. Der Würfel steigt.

Zusammenfassung

Auf einen Körper in einer Flüssigkeit wirken eine Gewichtskraft und eine Auftriebskraft.

Wenn die Gewichtskraft größer ist, sinkt der Körper.
Wenn beide Kräfte gleich groß sind, schwebt der Körper.
Wenn die Auftriebskraft größer ist, steigt der Körper.

Erweiterung

Der vierte Fall: Schwimmen

Neben Sinken, Schweben und Steigen gibt es noch einen vierten Fall: Schwimmen.

Körper, die schwimmen, sind zum Beispiel ein Schiff, ein Floß oder auch ein Eisberg.

Der Fall des Schwimmens tritt auf, wenn sich ein Körper vollständig in einer Flüssigkeit befindet und die Auftriebskraft größer als seine Gewichtskraft ist (F_A > F_G).

Der Körper steigt also, bis er die Oberfläche erreicht.

Wenn der Körper auftaucht, verdrängt er nicht mehr so viel Flüssigkeit. Die Auftriebskraft, die der Körper erfährt, ist somit geringer.

Der Körper taucht so weit auf, bis Auftriebskraft und Gewichtskraft gleich sind. (F_A = F_G). Der Körper schwimmt dann an der Oberfläche.

Bonusaufgabe: Loch im Rumpf

Ein Schiff schwimmt auf der Wasseroberfläche. Wenn das Schiff ein Loch im Rumpf hat, beginnt es jedoch zu sinken.

Warum sinkt ein Schiff mit einem Loch im Rumpf? Verwende bei deiner Erklärung die Begriffe Auftriebskraft und Gewichtskraft.

2.2 Anwendungsbeispiele

Erweiterung

Im Schwimmbad

Du kannst das Verhältnis von Gewichtskraft zu Auftriebskraft auch am eigenen Körper erfahren.

Probiere doch einmal Folgendes aus, wenn du das nächste Mal im Schwimmbad, einem Swimmingpool oder einer großen Badewanne bist:

Versuche auf der Wasseroberfläche zu treiben.

Was passiert, wenn du währenddessen tief einatmest?
Was passiert, wenn du ausatmest?

Bonusaufgabe: Im Schwimmbad

Beschreibe deine Beobachtungen in Bezug auf die Auftriebskraft und die Gewichtskraft, die auf deinen Körper wirken, wenn du im Wasser ein- und ausatmest.
Erkläre deine Beobachtungen. Welche der beiden Kräfte veränderst du, indem du ein- und ausatmest?

Das Tote Meer ist bekannt für seinen hohen Salzgehalt. Das Meerwasser hat hier eine sehr hohe Dichte. Die Auftriebskraft, die ein Körper erfährt, ist somit höher und man kann sehr leicht auf der Wasseroberfläche treiben.

Beispiel 1: Fische

Fische können verschiedene Wassertiefen erreichen, indem sie sinken, schweben oder steigen. Wenn ein Fisch steigen möchte, muss er entweder seine Auftriebskraft vergrößern oder die Gewichtskraft verringern.

Fische können ihre Masse (und somit ihre Gewichtskraft) nicht jederzeit beliebig verändern. Deshalb verändern sie ihr Volumen, um somit die Auftriebskraft zu steuern, die auf sie wirkt.

Aufgabe A: Den Fischen auf der Spur

Recherchiere, wie Fische ihr Volumen ändern können. Du kannst für die Recherche folgende Internetseiten nutzen:

Bonusaufgabe: Fische und der Schweredruck

Warum muss ein Fisch bei stärkerem Steigen sein Volumen sogar wieder verringern?

Wenn du nicht weiter weißt, schau dir noch einmal das Kapitel zum Schweredruck an.

Beispiel 2: Cartesianischer Taucher

Experiment

Einen cartesianischen Taucher bauen

Materialien

eine große Plastikflasche
ein leeres Aromafläschchen
Wasser

Hinweis: Aromafläschchen kannst du z. B. in der Backabteilung in Supermärkten und Drogeriemärkten finden.

Durchführung

Fülle die Plastikflasche bis zum Rand mit Wasser.
Tauche das Aromafläschchen mit der Öffnung nach unten in die Plastikflasche und verschließe die Flasche.
Das Aromafläschchen sollte an der Oberfläche schwimmen bzw. von unten gegen den Flaschendeckel stoßen.
Drücke von außen auf die Flasche, um das Aromafläschchen auf und ab zu bewegen.

Beobachtung

Beschreibe deine Beobachtungen. Wann sinkt das Aromafläschchen? Wann steigt es?
Kannst du das Aromafläschchen zum Schweben bringen? Worauf musst du dabei achten?

Erklärung

Erkläre deine Beobachtungen. Verwende dabei die Begriffe Gewichtskraft und Auftriebskraft.

Animiertes GIF. Ein kunstvoll gefertigter Cartesianischer Taucher in Form eines Tanzteufels. Der Taucher befindet sich in einer bis zum Rand mit Wasser gefüllten Glasflasche. Über die Öffnung ist ein Stück Gummi gespannt. Ein Finger drückt auf die Gummifläche, um den Druck in der Flasche zu erhöhen und der Taucher sinkt. Der Finger hebt sich und der Taucher steigt. Beim Steigen beginnt der Taucher, sich um die eigene Achse zu drehen. — Dieser kunstvoll gefertigte Taucher erhält durch seine gewundene Form beim Steigen eine Drehbewegung.

Bei dem Aromafläschchen in der Plastikflasche handelt es sich um einen cartesianischen Taucher (auch „Flaschentaucher“ genannt). Cartesianische Taucher sind filigrane Spielzeuge aus Glas, die einen Hohlraum besitzen, in dem sich Luft befindet.

Wenn du die Flasche zusammendrückst, erhöhst du den Druck in der Flasche und der Wasserspiegel im Taucher steigt. Die Luft, die sich im Taucher befindet, nimmt somit ein geringeres Volumen ein und die Auftriebskraft sinkt.

Wenn du den Druck auf die Flasche verringerst, dehnt sich die Luft im Taucher wieder aus. Das Volumen nimmt zu und die Auftriebskraft steigt.

Beispiel 3: U-Boot

Fische können sinken, schweben oder steigen, indem sie ihr Volumen und somit die Auftriebskraft kontrollieren.

Ein U-Boot kann sein Volumen dagegen nicht so einfach verändern. Deshalb verändert es seine Masse, um die Gewichtskraft zu kontrollieren.

Die folgende Animation zeigt vereinfacht, wie ein U-Boot ab- und auftaucht:

Förderfenster: Beispiele aus Natur und Technik

PAUSE

Animation. Das U-Boot öffnet die äußere Klappe, die Ballasttanks füllen sich mit Wasser. Die Masse des U-Bootes steigt. Somit wird die Gewichtskraft größer und das U-Boot sinkt.

Animation. Das U-Boot öffnet zusätzlich die innere Klappe. Pressluft strömt in die Ballasttanks und presst das Wasser aus den Tanks heraus. Die Masse des U-Bootes sinkt. Somit wird die Gewichtskraft geringer und das U-Boot steigt.

Zusammenfassung (1)

Fische können sinken, schweben und steigen.

Fische können ihre Auftriebskraft steuern, indem sie ihr Volumen ändern.

Füllt ein Fisch seine Schwimmblase mit Luft, nimmt sein Volumen zu. Der Fisch steigt.
Leert ein Fisch die Luft in seiner Schwimmblase, nimmt sein Volumen ab. Der Fisch sinkt.

Zusammenfassung (2)

U-Boote können sinken, schweben und steigen.

U-Boote können ihre Gewichtskraft steuern, indem sie ihre Masse ändern.

Füllt ein U-Boot seine Tanks mit Wasser, nimmt die Masse zu. Das U-Boot sinkt.
Füllt ein U-Boot seine Tanks mit Luft, nimmt die Masse ab. Das U-Boot steigt.

Zusammenfassung

Sinken, Schweben, Steigen

1. Auftriebskraft und Gewichtskraft

Körper in Flüssigkeiten können sinken, schweben oder steigen.

Sinken: Die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft (F_A < F_G).
Schweben: Auftriebskraft und Gewichtskraft sind gleich groß (F_A = F_G).
Steigen: Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft (F_A > F_G).

2. Anwendungsbeispiele

Fische können sinken, schweben oder steigen, indem sie ihr Volumen verändern.

Somit kontrollieren Fische die Auftriebskraft, die sie erfahren.

Ein U-Boot kann sinken, schweben oder steigen, indem es seine Masse verändert.

Somit kontrolliert ein U-Boot die Gewichtskraft, die es erfährt.