Hast du jemals eines dieser riesigen Kreuzfahrtschiffe gesehen? Oder ein Frachtschiff, das mit Containern vollgestopft ist? Oder vielleicht sogar einen Flugzeugträger, der mit Düsenflugzeugen beladen ist? Wie schaffen es diese riesigen Schiffe, auf dem Wasser zu schwimmen? Wasser hat eine viel geringere Dichte als der Stahl, aus dem diese Schiffe gebaut sind. Warum sinken diese Schiffe dann nicht auf den Grund des Hafens?
Was ist Auftrieb?
Wir können Archimedes dafür danken, dass er als Erster das Prinzip hinter diesem Rätsel erklärt hat. Archimedes war ein griechischer Wissenschaftler, der im Jahr 287 v. Chr. geboren wurde. Dieses Prinzip ist als Auftriebskraft oder Archimedisches Prinzip bekannt.
Das Archimedische Prinzip besagt, dass die Kraft, die auf ein Objekt in einer Flüssigkeit ausgeübt wird, gleich dem Gewicht der durch das Objekt verdrängten (aus dem Weg geräumten) Flüssigkeit ist. Diese Kraft wird als Auftriebskraft bezeichnet. Die Auftriebskraft drückt nach oben gegen das Objekt. Die Schwerkraft übt eine nach unten gerichtete Kraft auf das Objekt aus (sein Gewicht), die durch die Masse des Objekts bestimmt wird. Wenn also die Kraft, die die Schwerkraft auf das Objekt ausübt, geringer ist als die Auftriebskraft, schwimmt das Objekt.
Wussten Sie schon?
Archimedes soll nackt durch die Straßen gelaufen sein und „Heureka!“ gerufen haben. („Ich hab’s!“ auf Griechisch), nachdem er festgestellt hatte, dass die Menge des aus seinem Bad verdrängten Wassers seinem Körpergewicht entsprach.
Wie hängt der Auftrieb mit der Dichte zusammen?
Wenn ein Holzklotz von einem Kubikzentimeter (1 cm x 1 cm x 1 cm) in einen Behälter mit Wasser gelegt wird, entspricht die Menge des verdrängten Wassers dem Gewicht des Holzklotzes. Aber was ist, wenn ein Block derselben Größe aus Blei besteht? Blei hat eine viel höhere Dichte als Holz. Legt man einen Bleiblock von einem Kubikzentimeter in ein Gefäß mit Wasser, so entspricht die Menge des verdrängten Wassers dem Gewicht des Bleiblocks.
Im Falle des Holzes ist das Gewicht des verdrängten Wassers gering. Die Auftriebskraft ist größer als die Schwerkraft, also schwimmt das Holz. Das Blei ist dichter als das Holz. Das heißt, es enthält mehr Masse im gleichen Volumen. Daher wird vom Blei mehr Wasser verdrängt als vom Holz. Die Gravitationskraft auf das Blei übersteigt die Auftriebskraft, also sinkt das Blei.
Wie lassen sich Auftrieb und Dichte auf Schiffe anwenden?
Wie lässt sich dieses Prinzip auf Schiffe anwenden? Schiffe sind riesige Stahlgefäße. Ein Schiff kann eine Masse von Hunderttausenden von Tonnen haben. Stahl ist viel dichter als Wasser, also sollte man meinen, dass massive Stahlschiffe sinken würden, oder? Doch weit gefehlt! Was Schiffe über Wasser hält, ist ihre Form und das, was in ihnen steckt. Schiffe sind keine massiven Stahlteile. Stattdessen sind sie meist ausgehöhlte Hüllen aus Stahl. Im Inneren des Schiffes befinden sich alle möglichen Komponenten. Zum Beispiel können sich der Schiffsmotor, der Treibstoff und die Ladung darin befinden. Aber am wichtigsten ist, dass sich im Inneren eines Schiffes Luft befindet!
Wusstest du das?
Das schwerste Schiff der Welt ist die Pioneering Spirit. Sie verdrängt etwa 900 000 Tonnen Wasser. Das entspricht etwa 300 000 Elefanten!
Die Luft im Inneren eines Schiffes hat eine viel geringere Dichte als Wasser. Das ist es, was es schwimmen lässt! Die durchschnittliche Dichte des Gesamtvolumens des Schiffes und alles, was sich darin befindet (einschließlich der Luft), muss geringer sein als das gleiche Volumen an Wasser. Wenn ein Schiff ins Wasser gesetzt wird, drückt es nach unten und verdrängt eine Wassermenge, die seinem Gewicht entspricht. Je näher die Gesamtdichte des Schiffes an der Dichte des gleichen Wasservolumens liegt, desto größer ist der Anteil des Schiffes, der sich im Wasser befindet. Wenn die durchschnittliche Dichte des Schiffes immer größer ist als die Dichte des Wassers, dann sinkt das Schiff unter die Wasseroberfläche.
Wenn ein Schiff sinkt, dann weil Wasser in das Schiff eindringt. Dadurch wird die Luft verdrängt, so dass die durchschnittliche Dichte des Schiffes größer ist als die des Wassers. Eine der bekanntesten Katastrophen ist der Untergang der RMS Titanic. Das Schiff kollidierte im April 1912 mit einem Eisberg vor der Südküste von Neufundland. Der Eisberg riss mehrere kleine Löcher in den Rumpf des Schiffes und ließ Wasser in den Bug eindringen. Als immer mehr Wasser in das Schiff eindrang, wurde die Luft herausgedrückt. Dadurch sank das Schiff auf den Grund des Ozeans.
Wie jedes andere Schiff, das jemals gesunken ist, sank auch die Titanic wegen des (fehlenden) Auftriebs auf den Grund des Ozeans!
Wusstest du das?
Nach dem Aufprall auf den Eisberg sank die Titanic in 160 Minuten. Das sind nur 2 Stunden und 40 Minuten!