Auftrieb ist die Fähigkeit eines Objekts, in einer Flüssigkeit zu schwimmen. Das Verhältnis des Gewichts des Objekts zum Gewicht des verdrängten Wassers bestimmt, ob das Objekt schwimmt; Obwohl Größe und Form des Objekts einen Einfluss haben, sind sie nicht der Hauptgrund dafür, dass ein Objekt schwimmt oder sinkt. Verdrängt ein Gegenstand mehr Wasser als sein Gewicht, schwimmt er. Der Auftrieb ist ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung vieler Objekte und bei einer Reihe von Wassersportaktivitäten wie Bootfahren oder Tauchen.
Das Archimedes-Prinzip
Dem Mathematiker Archimedes, der im dritten Jahrhundert v. Chr. lebte, wird zugeschrieben, dass er viel über die Funktionsweise des Auftriebs entdeckt hat. Der Legende nach stieg er eines Tages in ein Bad und bemerkte, dass je mehr er in das Wasser eintauchte, desto höher der Wasserstand stieg. Er bemerkte, dass sein Körper das Wasser in der Wanne verdrängte. Später stellte er fest, dass ein Objekt unter Wasser weniger wog als ein Objekt in der Luft. Durch diese und andere Erkenntnisse begründete er das, was als Archimedes-Prinzip bekannt wurde:
Ein in Flüssigkeit befindlicher Gegenstand wird durch eine Kraft nach oben getragen, die dem Gewicht der Flüssigkeit entspricht, die der Gegenstand verdrängt.
Positiver, negativer und neutraler Auftrieb
Ein Objekt, das in einer Flüssigkeit schwimmt, hat einen positiven Auftrieb. Das bedeutet, dass die vom Objekt verdrängte Wassermenge mehr wiegt als das Objekt selbst. Ein Boot, das beispielsweise 50 kg wiegt, aber 23 kg Wasser verdrängt, schwimmt leicht. Das Boot verdrängt aufgrund seiner Größe und Form teilweise mehr Wasser als sein Gewicht; Der größte Teil des Inneren eines Bootes besteht aus Luft, die sehr leicht ist. Dies erklärt, warum riesige Ozeanriesen schwimmen: Solange das verdrängte Wasser mehr wiegt als die Schiffe selbst, werden sie nicht sinken.
Negativer Auftrieb verursacht das Sinken von Objekten. Es bezieht sich auf ein Objekt, dessen Gewicht größer ist als das Gewicht der Flüssigkeit, die es verdrängt. Ein Kieselstein kann beispielsweise 25 Gramm wiegen, aber wenn er nur 15 Gramm Wasser verdrängt, kann er nicht schwimmen. Wenn das 50 kg schwere Boot mit 23 kg Fracht beladen würde, würde es nicht mehr schwimmen, weil sein Gewicht (75 lbs oder 34 kg) schwerer ist als das Gewicht des Wassers, das es verdrängt (125 lbs .). oder 56.69kg).
Es ist auch möglich, dass ein Objekt neutral schwimmt. Das bedeutet, dass das Gewicht des Objekts und die von ihm verdrängte Flüssigkeitsmenge ungefähr gleich sind. Ein neutral schwimmfähiges Objekt schwebt in der Flüssigkeit, weder sinkt noch schwimmt es. Ein U-Boot kann sein Gewicht anpassen, indem es Wasser in speziellen Tanks, sogenannten Ballasttanks, hinzufügt oder ausstößt. Durch den richtigen Ballastausgleich kann das U-Boot auf verschiedenen Ebenen unter der Wasseroberfläche schweben, ohne zu sinken.
Größe und Form
Wie viel von der Oberfläche eines Objekts das Wasser berührt, hat einen Einfluss auf seinen Auftrieb. Ein sehr großes Schiff hat viel Fläche, was bedeutet, dass sich das Gewicht des Schiffes auf viel Wasser verteilt, das alles auf das Schiff drückt. Wenn das gleiche Schiff mit dem Bug nach unten im Wasser wäre, würde es zu sinken beginnen, weil das gesamte Gewicht auf einen kleinen Bereich konzentriert ist und das Wasser, das es verdrängt, weniger wiegt als das Gewicht des Schiffes.
Ein übliches Beispiel, um dies zu demonstrieren, ist eine Person, die im Wasser schwimmt. Wenn die Person auf dem Rücken schwimmt, kann ihr ganzer Körper auf oder nahe der Wasseroberfläche bleiben. Wenn sie mit den Füßen nach unten im Wasser schwimmt, sinkt sie weiter; normalerweise bleibt nur ihr Oberkörper oben im Wasser.
Stabilität
Die Stabilität in einer Flüssigkeit hängt von der Lage des Auftriebszentrums eines Objekts in Bezug auf seinen Schwerpunkt ab. Der Schwerpunkt eines Objekts ist der Punkt im Objekt, an dem das gesamte Gewicht des Objekts konzentriert zu sein scheint; es kann auch als durchschnittliche Position des Gewichtes des Objekts betrachtet werden. Der Auftriebsschwerpunkt ist der Schwerpunkt des Wassers, das das Objekt verdrängt hat. Dieser liegt nicht im Wasser, sondern im darauf schwimmenden Objekt.
Wenn der Auftriebsschwerpunkt direkt über dem Schwerpunkt liegt, ist das Objekt stabil. Liegt der Schwerpunkt jedoch über dem Auftriebszentrum – wie bei einem Schiff, das hoch über der Wasserlinie mit Fracht beladen ist – wird das Objekt instabil. Wenn sich die Fracht aus irgendeinem Grund zur Seite verschiebt, stimmen Schwerpunkt und Auftriebsmittelpunkt nicht mehr überein. Das Schiff kippt um, wenn der Auftriebsschwerpunkt wieder über den Schwerpunkt zu steigen versucht.
Beim menschlichen Körper liegt der Schwerpunkt meist im Bereich des Nabels. Der Auftriebsschwerpunkt liegt etwas höher, weshalb ein Körper dazu neigt, aufrecht zu schweben, wobei Schultern und Rumpf über den Beinen liegen. Auf den Kopf gestellt, wo die Beine über dem Rumpf sind, liegt der Körperschwerpunkt über dem Auftriebszentrum. Dadurch wird der Körper instabil und die Position kann nur mit Anstrengung gehalten werden.
Auftrieb in der Praxis
Durch die Anwendung der Auftriebsprinzipien können Ingenieure Boote, Schiffe und Wasserflugzeuge entwerfen, die im Wasser über Wasser und stabil bleiben. Dies gilt für viele andere Objekte, wie zum Beispiel Rettungsringe und Pontons. Fast alles, was für Wasser entwickelt wurde, basiert auf dem Verständnis dieser Prinzipien.
Viele Schwimmer wissen, dass es Möglichkeiten gibt, ihrem Körper mehr Auftrieb zu verleihen, wie zum Beispiel auf dem Rücken zu liegen oder den Atem anzuhalten. Darüber hinaus ist der Versuch, auf den Grund eines Pools zu tauchen, anstrengend, da der Körper von Natur aus schwimmt. Insbesondere Taucher müssen wissen, wie man schwimmt, schwebt und sinkt, und sie tragen oft zusätzliche Gewichte und andere Ausrüstung, um diese Manöver zu bewältigen.