Experimente:
Versuch: Das Archimedische Prinzip
Versuch: Schwimmendes Eis schmilzt - Um wie viel nimmt das Wasservolumen zu?
Versuch: Wenn man Salz löst, wird das Wasser schwerer
Versuch: Das schwimmende Ei

Das fragen sich nicht nur viele Kinder. So ein Papierschiffchen, das verstehen sie noch. Aber so ein riesiges Schiff wie die Titanic? Und warum sinkt es überhaupt? Dahinter steckt das berühmte Prinzip des Archimedes.
Archimedes war ein Wissenschaftler, der bekanntlich beim Denken in Gegenwart eines römischen Soldaten den Kopf verlor. (Ähnliches passierte später auch dem für die Wasserchemie bedeutsamen Chemiker Lavoisier.)

Das Prinzip des Archimedes
Das Phänomen ist folgendes: Unter Wasser kannst du ein Gewicht leichter tragen als auf der Erde (-> Versuch). Das liegt am Auftrieb, einer Kraft, die nach oben gerichtet ist. Der Auftrieb, den ein schwimmender Körper in einer Flüssigkeit erfährt, ist so groß wie das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit.

Bild 1: Experiment zum Archimedischen Prinzip
(Quelle: Physik für Gymnasien, Ausgabe D, Cornelsen, Berlin 1999)

Anders gesagt: Ein Schiff verdrängt soviel Wasser, wie es wiegt. Wenn man seinen Rand hoch genug baut, damit das Wasser nicht überschwappt, schwimmt es eben.

Bild 2: Warum ein Schiff schwimmt
(Quelle: Physik für Gymnasien, Ausgabe D, Cornelsen, Berlin 1999)

Beim Schwimmen auf Salzwasser taucht das Schiff übrigens nicht so stark ein wie auf einer Süßwasserstraße (-> Versuch), weil Salzwasser schwerer ist als Süßwasser (-> Versuch).
Ein Schiff sinkt allerdings, wenn man ein Loch unterhalb der Wasserlinie bohrt. Dann dringt Wasser ein. Das Schiff wird schwerer, verdrängt mehr Wasser - das heißt: Es sinkt.
Um die Größe von Schiffen zu charakterisieren, spricht man u. a. von Verdrängung in Tonnen. Damit meint man die Menge an verdrängtem Wasser.

Schwimmendes Eis schmilzt - Um wie viel nimmt das Wasservolumen zu?
Bemerkenswerte Effekte treten auf, wenn Wasser-Eis auf flüssigem Wasser schwimmt oder schmilzt (-> Versuch).

Wie U-Boote und Fische im Wasser schweben
Diese sind Hohlkörper, die im Wasser schweben können. Um in verschiedenen Tiefen einen Schwebezustand zu erreichen, muss das Gewicht richtig eingestellt werden. U-Boote haben große Tanks, die beim Tauchen mit Wasser gefüllt werden. Zum Auftauchen bläst man sie mit Pressluft leer. Fische regulieren ihre Schwimmtiefe mit Luft, die sie in ihre Schwimmblase pumpen. Knorpelfische können das übrigens nicht, da sie keine Schwimmblase haben. Rochen liegen platt am Boden, wenn sie ruhen. Deshalb müssen Haie immer schwimmen und dabei mit den Flossen Kräfte ausüben, um nicht abzusinken. Das gilt übrigens auch für dich, wenn du dich ins tiefe Wasser begibst. Auf dem Toten Meer allerdings schwimmen Leute, ohne Schwimmbewegungen zu machen. Das liegt daran, dass das Meerwasser eine gesättigte Salzlösung ist und eine starke Auftriebskraft hat.
Bekannt sind auch die Schwebeorgane des Nautilus oder der ausgestorbenen Ammoniten. Die haben gekammerte Schalen, die je nach Bedarf mit Luft oder Wasser gefüllt werden. Lebende, in Wasser schwebende Nautilus-Tiere kannst du übrigens im Aquarium von Berlin bewundern.

Bild 3: Lebender Nautilus im Aquarium von Berlin (Foto: Blume)

Bild 4: Aufgeschnittene Ammonitenschale (Foto: Blume)

Gilt ähnliches auch für das Fliegen?
Wie können sich so schwere Dinge wie ein großer Ballon, ein Jumbo oder ein Schwan scheinbar spielerisch in die Lüfte erheben? Beim Ballon ist alles wie beim schwebenden Gegenstand im Wasser. Denn der Ballon ist mit Gas wie Helium oder Wasserstoff gefüllt, das leichter ist als die umgebende Luft. Das kann auch - wie beim Heißluftballon - nur heiße Luft sein, die eine geringere Dichte hat und damit einen Auftrieb erzeugt.

Bild 5: Heißluftballon (Foto: Blume)

Bei den fliegenden Tieren und bei den Flugzeugen ist es so wie beim schwimmenden Menschen: Durch Bewegungen werden Kräfte erzeugt, die das Absinken verhindern. Lies dazu unsere Webseite.
Auch hier gibt es unterschiedlichen Auftrieb aufgrund von leichter und schwerer Luft; allerdings spricht man eher von warmer und kalter Luft. Wenn es kalt ist, benötigt ein Flugzeug eine geringere Startstrecke.

Ein Katamaran schwimmt und fliegt zugleich
Der Schnell-Katamaran nutzt beide Effekte: Wenn er nicht fährt, sinkt er ganz normal ein und verdrängt dabei soviel Wasser, wie er wiegt. Wenn er fährt, wird sein Hohlraum zum Flügel; der Katamaran steigt hoch und kann nun aufgrund seiner kleineren Kontaktfläche und damit verringerter Reibung rascher fahren. Statt auf Wasser gleitet er mehr auf einem Luftpolster.

Bild 6: Katamaran-Schnellfähre in Hoek van Holland (Foto: Blume)

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