2. Sinken, Schweben, Steigen

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Innenansicht eines U-Boots. Durch ein Fenster sind Fische zu sehen.
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Urheber: Michal Mrozek

Unsplash

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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

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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 (FA < FG).
  • Schweben: Ein Körper schwebt, wenn seine Auftriebskraft und seine Gewichtskraft gleich groĂź sind (FA = FG).
  • Steigen: Ein Körper steigt, wenn seine Auftriebskraft größer ist als seine Gewichtskraft (FA > FG).
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.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Das Verhältnis von Auftriebskraft und Gewichtskraft entscheidet, ob ein Körper sinkt, schwebt oder steigt.

Achtung: Achte darauf, die Gewichtskraft des Körpers (FG) nicht mit der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit (FG Flüssigkeit) zu verwechseln!

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? A B

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:

A B

Förderfenster: Sinken, Schweben, Steigen

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Ein WĂĽrfel im Wasser. Am WĂĽrfel sind zwei Kraftpfeile eingezeichnet. Die Auftriebskraft zeigt nach oben. Die Gewichtskraft zeigt nach unten. Beide Kraftpfeile sind gleich groĂź. Der WĂĽrfel schwebt im Wasser.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA
Animation. Ein WĂĽrfel im Wasser mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft. Der WĂĽrfel sinkt.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA
Ein WĂĽrfel im Wasser. Am WĂĽrfel sind zwei Kraftpfeile eingezeichnet. Die Auftriebskraft zeigt nach oben. Die Gewichtskraft zeigt nach unten. Beide Kraftpfeile sind gleich groĂź. Der WĂĽrfel schwebt im Wasser.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Animation. Ein Würfel im Wasser mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft. Der Würfel steigt.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Zusammenfassung

Drei WĂĽrfel mit eingezeichneten Kraftpfeilen im Wasser. Links: Kleine Auftriebskraft, groĂźe Gewichtskraft (sinken). Mitte: Gleich groĂźe Auftriebskraft und Gewichtskraft (schweben). Rechts: GroĂźe Auftriebskraft, kleine Gewichtskraft (steigen).
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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

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

Der vierte Fall: Schwimmen

Foto eines Eisbergs im Wasser.
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Urheber: Jean-Christophe André

Pexels

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Eisberge schwimmen im Wasser.

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.

Ein Würfel im Wasser mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Der Pfeil für die Auftriebskraft ist länger, der Würfel steigt somit. Unten links die Beschriftung: F G". Der gesamte Würfel ist farblich hervorgehoben, um zu zeigen, dass er dieses Volumen an Wasser verdrängt.">
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Der Körper verdrängt ein Volumen an Wasser, das seinem eigenen Volumen entspricht.

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

Der Körper steigt also, bis er die Oberfläche erreicht.

Ein Würfel an der Wasseroberfläche mit eingezeichneten Kraftpfeilen. Der Würfel befindet sich zur Hälfte oberhalb der Wasseroberfläche. Es ist nur noch die untere Hälfte des Würfels farblich hervorgehoben, um zu zeigen, dass er nun weniger Wasser verdrängt. Die Auftriebskraft ist somit geringer, beide Kraftpfeile sind gleich lang. Unten rechts die Bezeichnung:
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Der Körper befindet sich teilweise oberhalb der Wasseroberfläche. Er verdrängt ein geringeres Volumen an Wasser. Die Auftriebskraft ist geringer.

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. (FA = FG). 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

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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:

Eine männliche Person treibt mit dem Rücken nach unten auf der Wasseroberfläche. Senkrecht nach oben geht ein Kraftpfeil mit der Beschriftung F A für die Auftriebskraft. Senkrecht nach unten geht ein Kraftpfeil F G für die Gewichtskraft.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Auftriebskraft und Gewichtskraft wirken auch auf Personen im Wasser.

Versuche auf der Wasseroberfläche zu treiben.

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

Bonusaufgabe: Im Schwimmbad

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

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dead_sea_newspaper.jpg

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Auf dem Toten Meer eine Zeitung lesen? Kein Problem!

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

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Unterwasserfotografie eines Fischschwarms. Die Fische sind mittelgroß und haben eine bläulich-silberne Farbe.
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Urheber: Sebastian Pena Lambarri

Unsplash

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Fische sinken oder steigen, indem sie ihr Volumen ändern.

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.

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A B

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 weiĂźt, schau dir noch einmal das Kapitel zum Schweredruck an.

A B

Beispiel 2: Cartesianischer Taucher

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Experiment

Einen cartesianischen Taucher bauen

Materialien

  • eine groĂźe Plastikflasche
  • ein leeres Aromafläschchen
  • Wasser

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

DurchfĂĽhrung

Versuchsaufbau des Experiments. Eine Wasserflasche ist bis zum Rand gefüllt und mit einem Deckel verschlossen. Unterhalb des Deckels befindet sich ein Aromafläschchen mit der Öffnung nach unten. Im Aromafläschchen befindet sich zum Teil noch Luft.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Versuchsaufbau

  1. Fülle die Plastikflasche bis zum Rand mit Wasser.
  2. 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.
  3. Drücke von außen auf die Flasche, um das Aromafläschchen auf und ab zu bewegen.

Beobachtung

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

Erklärung

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

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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.
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Urheber: Flexmanru

Wikimedia Commons

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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

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Unterwasserfotografie des U-Boots Atlantis IV.
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Urheber: Yury Velikanau

Wikimedia Commons

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Ein U-Boot steigt oder sinkt, indem es seine Masse ändert.

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.

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

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Förderfenster: Beispiele aus Natur und Technik

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Eine männliche Person liegt auf dem Rücken auf der Wasseroberfläche.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Zwei Personen liegen auf dem Rücken auf der Wasseroberfläche mit eingezeichneten Auftriebskraftpfeilen: Rechts: Ausatmen. Die Person hat eine gesenkte Brust, es wirkt eine geringe Auftriebskraft. Rechts: Einatmen. Die Person hat eine gehobene Brust, in der sich Luft befindet. Die Auftriebskraft ist höher.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Zwei Fische mit eingezeichneter Schwimmblase. Links: Sinken. Der Fisch hat eine kleine Schwimmblase. Rechts: Steigen. Der Fisch hat eine groĂźe Schwimmblase, die mit Luft gefĂĽllt ist.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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PAUSE

Vereinfachte Darstellung eines U-Boots im Querschnitt. In der Mitte befindet sich der Innenraum, darĂĽber eine Kammer mit Pressluft. AuĂźen befinden sich Ballasttanks.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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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.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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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.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Zusammenfassung (1)

Zwei Fische mit eingezeichneter Schwimmblase. Links: Sinken. Der Fisch hat eine kleine Schwimmblase. Rechts: Steigen. Der Fisch hat eine groĂźe Schwimmblase, die mit Luft gefĂĽllt ist.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Fische können sinken, schweben und steigen.

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

  • FĂĽllt 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)

Vereinfachte Darstellung eines U-Boots im Querschnitt. In der Mitte befindet sich der Innenraum, darĂĽber eine Kammer mit Pressluft. AuĂźen befinden sich Ballasttanks.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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U-Boote können sinken, schweben und steigen.

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

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

Sinken, Schweben, Steigen

1. Auftriebskraft und Gewichtskraft

Körper in Flüssigkeiten können sinken, schweben oder steigen.

  • Sinken: Die Auftriebskraft ist kleiner als die Gewichtskraft (FA < FG).
  • Schweben: Auftriebskraft und Gewichtskraft sind gleich groß (FA = FG).
  • Steigen: Die Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft (FA > FG).
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.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Das Verhältnis von Auftriebskraft und Gewichtskraft entscheidet, ob ein Körper sinkt, schwebt oder steigt.

2. Anwendungsbeispiele

Unterwasserfotografie eines Fischschwarms. Die Fische sind mittelgroß und haben eine bläulich-silberne Farbe.
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Urheber: Sebastian Pena Lambarri

Unsplash

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Fische haben eine Schwimmblase, um ihr Volumen anzupassen.

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

Somit kontrollieren Fische die Auftriebskraft, die sie erfahren.

Unterwasserfotografie des U-Boots Atlantis IV.
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Urheber: Yury Velikanau

Wikimedia Commons

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Ein U-Boot hat Ballasttanks, um seine Masse anzupassen.

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

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