Natur und Technik Schwimmen, schweben, sinken
Wasser hat keine Balken - oder doch? Denn warum könnten tonnenschwere Schiffe sonst schwimmen? Und was muss ein U-Boot machen, damit es sinken, auftauchen und in bestimmten Tiefen schweben kann? Wir gehen den Geheimnissen des Auftriebs auf den Grund.
Was ist eigentlich Auftrieb? Schüler experimentieren
Ein Würfel mit 10 cm Kantenlänge hat einen Rauminhalt von genau einem Liter. Wenn dieser Würfel mit Wasser gefüllt ist, hat er eine Masse von genau einem Kilogramm. Man sagt: Die Dichte von Wasser beträgt 1 kg durch 1 dm3. Die Dichte von Fichtenholz beträgt 0,5 kg/dm3; sie ist viel kleiner als die von Wasser. Ein gleich großer Würfel aus Granit hat dagegen eine Masse von 2,7 kg pro einem Liter: Granit hat also eine Dichte von 2,7 kg/dm3; das ist etwa die dreifache Dichte von Wasser.
Um den Auftrieb zu verstehen, wird ein leerer Würfel mit dem Volumen 1 Liter in Wasser eingetaucht. Der Tiefendruck des Wassers an seiner Unterseite wächst immer mehr an. Deshalb wirkt eine Auftriebskraft nach oben, die auf einen Wert von 10 Newton ansteigt. Die Auftriebskraft hängt also nicht von der Wassertiefe ab.
Auf die drei gleichen Würfel aus Granit, Wasser und Holz von jeweils einem Liter wirkt nach oben die gleiche Auftriebskraft von 10 N. Nach unten wirken Gewichtskräfte von 10 N, 27 N und 5 N. Deshalb also sinkt Granit im Wasser, ist aber scheinbar um 10 N leichter geworden. Holz wird nach oben gedrückt und schwimmt dann. Bei Wasser sind die Kräfte ausgeglichen, deshalb schwebt ein Wasservolumen in gleicher Tiefe.
Das Naturgesetz lautet: Materialien schweben in Wasser, wenn sie genau die gleiche Dichte haben. Bei größerer Dichte sinken sie, bei kleinerer schwimmen sie.
Die Dichte von Flüssigkeiten
Ähnliche Regeln gelten auch für Flüssigkeiten: Öl schwimmt auf Wasser, weil Öl eine geringere Dichte hat als Wasser. Das nützt man bei Tankerunfällen aus, um wenigsten einen Teil des Ölteppichs abzusaugen. Oder wie findet ein Weinbauer heraus, ob sein frisch gepresster Traubensaft genügend Zucker enthält, damit es später ein guter Wein wird? Er benützt ein Messgerät, das er im Traubensaft schwimmen lässt. Zu diesem Thema führen Schüler in der Sendung ein Experiment durch. Sie vergleichen Cola light mit zuckerhaltigem Cola. Die Flasche mit Cola light schwimmt besser als das Normal-Cola, weil der Zucker die Dichte von Wasser erhöht.
Faszinierende Wasserfahrzeuge: Schiff und U-Boot
Die Dichte einer gut aufgepumpten Luftmatratze ist viel kleiner als die von Wasser. Die maximale Auftriebskraft ist immer so groß wie die Gewichtskraft des verdrängten Wassers. Die ersten Boote der Menschen waren Einbäume. Deshalb dachten die Menschen lange Zeit, dass Boote immer aus Holz gebaut sein müssen. Die ersten Schiffe aus Eisen lösten große Verwunderung aus. Aber die Eisenschiffe können sogar extrem viel Ladung aufnehmen und ragen dann noch immer weit über den Meeresspiegel. Ihre Auftriebskraft ist umso größer, je mehr Wasser das Schiff verdrängt. Deshalb werden Schiffe nach den verdrängten Tonnen Wasser ("Bruttoregistertonnen") eingeteilt.
Besonders interessante Schiffe sind U-Boote. Sie können im Wasser sinken, schweben und steigen. Damit das funktioniert, muss die Dichte des U-Boots ungefähr der des Wassers entsprechen. Um zu sinken, wird Wasser in die Auftriebstanks des U-Boots gepumpt – es wird schwerer. Hat das Boot die gleiche Dichte wie Wasser, schwebt es. Pumpt man wieder Luft in die Tanks und verdrängt damit das Wasser, so wird es leichter und steigt. Die Regeln des Auftriebs gelten auch bei Menschen: Bei der Tauchausbildung muss ein Schüler lernen, seinen Auftrieb jeweils an die Wassertiefe anzupassen.
Wie schwimmen verschiedene Wasserbewohner?
Das Prinzip der Auftriebsanpassung finden wir auch bei Fischen. In ihrem Körper gibt es eine Schwimmblase. Das ist ein Luftsack, der den Auftrieb des Fisches kontrolliert, indem sie den Fischkörper gerade soviel aufbläht, dass er im Wasser schwebt. Schwimmt ein Fisch also in größerer Tiefe, wird seine Schwimmblase durch den Wasserdruck zusammengedrückt. Dadurch verringert sich der Auftrieb. Fische können dies verhindern, indem sie aus ihren Blutgefässen Gase in die Schwimmblase abgeben. Dadurch wird der Auftrieb größer und der Fisch kann ohne großen Energieaufwand schweben.
Immer unterwegs - der Hai
Aber nicht alle Fische haben eine Schwimmblase. Bei Haien fehlt dieses Organ. Sie müssen 24 Stunden am Tag in Bewegung bleiben, sonst würden sie hilflos zu Boden sinken. Ihre rastlose Bewegung hat ihnen das Image von gierigen Jägern eingebracht. Ihr Körper ist jedoch so stromlinienförmig gebaut, dass ihre Schwimmbewegungen nur sehr wenig Energie benötigen. Die schwimmenden Säugetiere wie Wale oder Delphine müssen ebenfalls dauernd Schwimmbewegungen ausführen, damit sie nicht absinken. Dies kostet viel Energie. Zudem benötigen sie trotz ihrer gut isolierten Körper viel Energie für ihre höhere Körperwärme.
Im Meer gibt es viele andere Bewohner, die sich auf ungewöhnliche Weise fortbewegen. Für alle gilt gleich, dass ihre Körperdichte in etwa der des Wassers entspricht, damit sie mit sparsamen Schwimmbewegungen ihren Auftrieb steuern können. Die Qualle z. B. bewegt sich fort, indem sie ihren Körper in regelmäßigen Abständen zusammenzieht und dann wieder entspannt. Durch die Muskelbewegung nimmt sie Wasser auf und presst es als Wasserstrahl wieder hinaus, der sie nach vorne treibt.