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Archimedisches Prinzip – Schwimmen, Sinken und Schweredruck

NaturwissenschaftenKräfte und BewegungAlter 13–14

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Ziehen Sie einen Block und lassen Sie ihn in ein Becken mit Flüssigkeit fallen: Je nach seiner Dichte im Vergleich zur Flüssigkeit sinkt er, schwebt im Gleichgewicht oder steigt an die Oberfläche. Der Pfeil der Gewichtskraft F_G und der Pfeil der Auftriebskraft F_A = ρ·g·V_eingetaucht ändern ihre Länge mit dem eingetauchten Volumen; ziehen Sie die Drucksonde in der Flüssigkeit auf und ab, um zu sehen, wie p = ρ·g·h mit der Tiefe zunimmt. Die Messwerte und die Aussage zu Schwimmen/Sinken werden laufend aktualisiert.

Lektion: Archimedisches Prinzip; Schweredruck in Flüssigkeiten; Dichte

Was sie zeigt

Ein Körper in einer Flüssigkeit erfährt eine nach oben gerichtete Auftriebskraft, die gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit ist: F_A = ρ_Flüssigkeit·g·V_eingetaucht, mit g = 9,81 N/kg. Seine Gewichtskraft beträgt F_G = ρ_Körper·g·V. Ob er schwimmt, schwebt oder sinkt, hängt vom Vergleich der beiden Dichten ab und nicht allein von seiner Größe. Ein schwimmender Körper kommt dort zur Ruhe, wo gerade so viel von ihm eintaucht, dass F_A gleich F_G ist. Dieselbe Flüssigkeit übt einen Schweredruck aus, der linear mit der Tiefe zunimmt, p = ρ·g·h, unabhängig von der Form des Gefäßes.

So funktioniert es

Stellen Sie die Dichte des Körpers und die Dichte der Flüssigkeit ein, klicken Sie auf Fallen lassen und beobachten Sie die Pfeile F_G und F_A, während der Block eintaucht. Notieren Sie das eingetauchte Volumen, sobald der Block ruht, und vergleichen Sie es mit dem Verhältnis der beiden Dichten. Testen Sie ein dichtes Metall in Wasser und erhöhen Sie dann die Dichte der Flüssigkeit bis nahe an Quecksilber. Ziehen Sie zum Schluss die Drucksonde nach unten und notieren Sie p in mehreren Tiefen für ein Druck-Tiefe-Diagramm.

Einstellbare Parameter

  • Dichte des Körpers 100–12000 kg/m³
  • Dichte der Flüssigkeit 500–13600 kg/m³
  • Volumen des Körpers 50–1000 cm³
  • Höhe der Flüssigkeitssäule 20–100 cm
  • Kraftpfeile anzeigen

Fragen zum Erkunden

  1. Ein Block mit der Dichte 600 kg/m³ schwimmt auf Wasser. Welcher Anteil seines Volumens taucht ein, und warum?
  2. Ist die Auftriebskraft bei einem ruhig schwimmenden Block größer, gleich oder kleiner als seine Gewichtskraft?
  3. Wie ändert sich der angezeigte Druck, wenn Sie die Tiefe der Sonde in derselben Flüssigkeit verdoppeln?

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