Mechanik
Schweredruck, Auftrieb und hydraulische Anlagen
Warum der Druck mit der Tiefe wächst, warum Stahlschiffe schwimmen und wie ein Wagenheber tonnenschwere Autos hebt.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
Ein Nagel geht im Wasser unter, ein Schiff aus demselben Stahl schwimmt. Ein U-Boot kann beides, ohne dass sich sein Material ändert.
Die Erklärung steckt nicht im Stahl, sondern im Wasser. Genauer: darin, dass der Wasserdruck mit der Tiefe zunimmt. Aus dieser einen Tatsache folgt der Auftrieb, folgt das Schwimmen, folgt das Tauchen, und mit derselben Druckbetrachtung hebt ein Wagenheber ein Auto mit der eines Arms.
Das kannst du nach diesem Kapitel
den Schweredruck erklären und seine Abhängigkeiten angeben.
den Schweredruck mit berechnen.
begründen, warum die Gefäßform keine Rolle spielt.
den Auftrieb als Folge des Schweredrucks erklären.
Sinken, Schweben, Steigen und Schwimmen unterscheiden und vorhersagen.
die Wirkungsweise einer hydraulischen Anlage erklären und berechnen.
Der Schweredruck
Eine Wassersäule hat eine , und die drückt auf alles darunter. Je tiefer man geht, desto mehr Wasser steht über einem, desto größer der . Diesen Anteil nennt man Schweredruck.
Der Versuch bestätigt zwei Abhängigkeiten:
- Je tiefer, desto größer. Ein Gefäß mit Löchern in verschiedenen Höhen spritzt unten am weitesten.
- Je dichter die Flüssigkeit, desto größer. In Quecksilber ist der Druck in gleicher Tiefe viel höher als in Wasser.
Die Formel dazu lässt sich herleiten. Betrachte eine Flüssigkeitssäule der Höhe über einer Fläche :
Ihr Volumen ist , ihre also und ihre Gewichtskraft
Diese verteilt sich auf die Fläche , der Druck ist also
Die Fläche kürzt sich heraus, und übrig bleibt
🔴 Dass herausfällt, ist die eigentliche Aussage. Der Schweredruck hängt nicht von der Fläche ab und deshalb auch nicht von der Menge Wasser. In einem dünnen Röhrchen von Höhe herrscht unten derselbe Druck wie im tiefen See. Das heißt hydrostatisches Paradoxon und widerspricht der Alltagserwartung so stark, dass man es einmal gesehen haben muss.
Für den Gesamtdruck in einer offenen Flüssigkeit kommt noch der Luftdruck von oben dazu:
Die drei Druckpfeile verhalten sich wie 1 : 2 : 3, genau wie die Tiefen. Beachte, was im Bild NICHT vorkommt: die Form des Gefäßes und die Wassermenge. In p = ρ · g · h stehen sie auch nicht.
Auftrieb: die Folge des Schweredrucks
Ein Quader hängt vollständig unter Wasser. Auf seine Oberseite (Tiefe ) drückt das Wasser nach unten, auf seine Unterseite (Tiefe ) nach oben. Weil unten der größer ist, ist auch die von unten größer.
Die Seitenflächen heben sich paarweise auf. Übrig bleibt eine resultierende Kraft nach oben: der Auftrieb .
Rechnet man das aus, ergibt sich das archimedische Prinzip:
In Worten: Der Auftrieb ist so groß wie die der verdrängten Flüssigkeit.
Zwei Dinge fallen daran auf, die häufig missverstanden werden:
- Es steht die der Flüssigkeit in der Formel, nicht die des Körpers.
- Es steht das verdrängte Volumen, also nur der eingetauchte Teil des Körpers.
Hier entsteht der Auftrieb vor deinen Augen: Weil der mit der Tiefe wächst, drückt das Wasser von unten stärker als von oben. Die seitlichen heben sich paarweise auf, oben und unten nicht, und was übrig bleibt, zeigt nach oben.
Sinken, Schweben, Steigen, Schwimmen
Auf einen eingetauchten Körper wirken zwei : die nach unten und der Auftrieb nach oben. Ihr Vergleich entscheidet alles:
| Fall | Bedingung | Über die | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Sinken | Stein, Nagel | ||
| Schweben | Fisch, U-Boot | ||
| Steigen | Luftblase, Kork | ||
| Schwimmen | bei teilweisem Eintauchen | Boot, Eisberg |
Steigen und Schwimmen gehören zusammen: Ein Körper mit kleinerer Dichte steigt so lange, bis er so weit aus dem Wasser ragt, dass der verbleibende eingetauchte Teil gerade genug Auftrieb liefert. Dann schwimmt er.
Warum ein Stahlschiff schwimmt. Entscheidend ist nicht die Dichte des Stahls, sondern die mittlere Dichte des ganzen Schiffs einschließlich der eingeschlossenen Luft. Ein Schiffsrumpf ist überwiegend Hohlraum, seine mittlere Dichte liegt bei etwa , weit unter der von Wasser. Schlägt der Rumpf leck, füllt Wasser die Hohlräume, die mittlere Dichte steigt über , und das Schiff sinkt.
Wie ein U-Boot steuert. Es verändert gezielt seine mittlere Dichte: Tauchtanks werden mit Wasser geflutet (Dichte steigt, es sinkt) oder mit Druckluft ausgeblasen (Dichte sinkt, es steigt). Der Fisch macht dasselbe mit seiner Schwimmblase.
Warum ein Eisberg zu neun Zehnteln unter Wasser liegt. Eis hat , Meerwasser etwa . Im Gleichgewicht muss der eingetauchte Anteil dem Verhältnis der Dichten entsprechen: . Rund liegen also unter Wasser.
Alle sechs Pfeile stehen im selben Maßstab, nur so darfst du sie vergleichen. Ob ein Körper sinkt oder steigt, entscheidet kein „schwer“ oder „leicht“, sondern immer der Vergleich zweier .
Hydraulische Anlagen
In einer eingeschlossenen Flüssigkeit breitet sich ein von außen aufgebrachter nach allen Seiten gleichmäßig aus. Das ist der Kern jeder Hydraulik.
Zwei Kolben verschiedener Fläche sind über eine Flüssigkeit verbunden. Weil der Druck überall derselbe ist:
Der große Kolben liefert also eine entsprechend größere . Bei wird aus Handkraft eine Hubkraft von .
Auch hier gilt die Goldene Regel. Die Flüssigkeit ist praktisch nicht zusammendrückbar, das verschobene Volumen ist also auf beiden Seiten gleich:
Wer die Kraft verfünfzigfacht, muss den kleinen Kolben fünfzigmal weiter bewegen. Deshalb pumpt man einen Wagenheber viele Male, statt einmal zu drücken.
Anwendungen: Wagenheber, Bremsanlage im Auto, Bagger, Hebebühne, Müllpresse.
In der ganzen Flüssigkeit herrscht derselbe . Auf der zehnmal größeren Fläche entsteht deshalb die zehnfache , und der kleine Kolben muss zehnmal so weit wandern. Es ist dieselbe Regel wie beim Flaschenzug: Kraft gespart heißt Weg bezahlt.
Schweredruck beim Tauchen
Ein Taucher ist tief. Die von Wasser beträgt , , der Luftdruck an der Oberfläche .
a) Wie groß ist der Schweredruck des Wassers?
b) Wie groß ist der Gesamtdruck?
c) Wie groß ist die auf die Tauchmaske () von außen?
d) Warum spürt der Taucher diese Kraft nicht als Schmerz?
- 1
a) Einsetzen in die Schweredruckformel:
Merkwert bestätigt: je rund .
- 2
b) Der Luftdruck drückt zusätzlich von oben auf die Wasseroberfläche:
- 3
c) Kraft aus Druck und Fläche. Erst umrechnen: .
Das ist die von über einer halben Tonne.
- 4
d) Weil im Inneren derselbe Druck herrscht. Der Taucher atmet Luft, die der Atemregler auf den Umgebungsdruck bringt. Damit drückt es von innen genauso stark nach außen wie von außen nach innen, und es liegt Kräftegleichgewicht vor.
Was er dagegen sehr wohl spürt, sind Druckunterschiede: In den Ohren und Nasennebenhöhlen bleibt der Druck zunächst zurück, deshalb muss man beim Abtauchen einen Druckausgleich machen. Ohne ihn kann das Trommelfell reißen.
Und wer beim Auftauchen die Luft anhält, bekommt das umgekehrte Problem: Die Lungenluft dehnt sich aus, weil der Außendruck sinkt. Das kann die Lunge zerreißen. Deshalb lautet die erste Regel jedes Tauchkurses: beim Auftauchen niemals die Luft anhalten.
a) b) c) d) weil innen derselbe herrscht; gefährlich sind nur Druckunterschiede.
Schwimmt oder sinkt der Körper?
Ein Holzwürfel () mit Kantenlänge wird in Wasser gelegt (, ).
a) Schwimmt, schwebt oder sinkt er?
b) Wie tief taucht er ein?
c) Welchen Anteil des Volumens macht das aus?
- 1
a) vergleichen. , der Körper ist also leichter als das gleiche Volumen Wasser. Er schwimmt.
- 2
b) Gleichgewichtsbedingung aufstellen. Beim Schwimmen ist der Auftrieb genauso groß wie die :
Auf beiden Seiten steht , es kürzt sich heraus. Das ist ein nützliches Zwischenergebnis: Schwimmen hängt nicht vom Ortsfaktor ab, ein Boot schwimmt auf dem Mond genauso.
- 3
Nach dem eingetauchten Volumen auflösen:
- 4
Eintauchtiefe berechnen. Die Grundfläche des Würfels ist :
- 5
c) Anteil bestimmen:
Das ist genau das Verhältnis der Dichten. Allgemeine Regel: Der eingetauchte Anteil eines schwimmenden Körpers ist .
Probe am Eisberg: , also rund unter Wasser. Passt zum bekannten Wert.
Der Würfel schwimmt und taucht tief ein, das sind seines Volumens, genau das Verhältnis der Dichten.
Typischer Fehler
„In einem großen See ist der Wasserdruck in Tiefe größer als in einem schmalen Rohr von Höhe, weil im See viel mehr Wasser ist."
Das klingt zwingend und ist trotzdem falsch. Der Schweredruck beträgt in beiden Fällen , und in dieser Formel kommt weder die Wassermenge noch die Gefäßform vor.
Warum das so sein muss, sieht man an der Herleitung: Die der Säule ist , aber der ist , und dabei kürzt sich heraus. Mehr Wasser drückt zwar mit mehr , verteilt diese Kraft aber auf entsprechend mehr Fläche. Der Quotient bleibt gleich.
Der Versuch dazu heißt hydrostatisches Paradoxon: Gefäße völlig verschiedener Form, aber gleicher Füllhöhe, werden auf denselben Bodenmesser gestellt. Alle zeigen denselben Druck an, obwohl das eine einen Liter und das andere zwanzig Liter enthält.
Praktische Folge: Ein Wasserturm muss nicht groß sein, um Druck zu liefern, er muss hoch sein. Und ein Staudamm wird nach der Wassertiefe berechnet, nicht nach dem Volumen des Stausees. Deshalb sind Staumauern unten dick und oben dünn: Der Druck wächst mit der Tiefe, nicht mit der Menge.
Übung 1
leichtBerechne den Schweredruck (, ):
a) in Wassertiefe
b) in Wassertiefe
c) am Grund eines hohen Aquariums
Tipp anzeigen
Die Grundfläche spielt keine Rolle.
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
Bei c) ist die Größe des Aquariums bewusst nicht angegeben, und sie wird auch nicht gebraucht: Nur die Tiefe zählt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht und was auffällig fehlt
Gegeben: , und drei Tiefen (, , ). Gesucht ist jeweils der Schweredruck. Über Grundflächen oder Wassermengen steht nichts da, und das ist Absicht.
- 2
Warum im Schweredruck keine Fläche vorkommt
Es gilt . Die Fläche fällt heraus, weil eine größere Grundfläche zwar mehr Wasser trägt, dieses Gewicht sich aber auch auf entsprechend mehr Fläche verteilt. Beide Wirkungen heben sich exakt auf.
- 3
a) bis c) Die drei Drücke berechnen
Dichte mal Ortsfaktor mal Tiefe. Bei und ergibt das je Meter Tiefe genau .
ergibt , und
Zwischenergebnis
· ·
- 4
Ergebnisse deuten: das Aquarium beweist die Regel
Bei c) ist die Größe des Aquariums bewusst nicht angegeben, und sie wird auch nicht gebraucht. Nur die Tiefe zählt. Damit bestätigt die Teilaufgabe genau das, was der Gesetzesschritt behauptet hat.
Übung 2
mittelEin hydraulischer Wagenheber hat einen Pumpkolben mit und einen Hubkolben mit .
a) Welche hebt der Wagenheber, wenn man mit auf den Pumpkolben drückt?
b) Wie weit muss der Pumpkolben insgesamt bewegt werden, damit sich das Auto um hebt?
c) Warum pumpt man dabei viele Male, statt einmal durchzudrücken?
Tipp anzeigen
a) b) Goldene Regel:
Lösung anzeigen
a)
Das entspricht der von , also einem Kleinwagen.
b)
c) Weil der Pumpkolben insgesamt Weg zurücklegen muss, und niemand einen Hebel um zehn Meter durchdrücken kann. Deshalb zerlegt man den Weg in viele kurze Hübe von wenigen Zentimetern. Ein Rückschlagventil verhindert, dass die Flüssigkeit beim Zurückziehen wieder zurückläuft.
Die Goldene Regel gilt hier unverändert: Kraft mal fünfzig, Weg geteilt durch fünfzig. Kontrolle: und .
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht am Wagenheber
Gegeben: Pumpkolben , Hubkolben , Handkraft und die Hubhöhe . Gesucht: a) die Hubkraft, b) der Weg des Pumpkolbens, c) eine Erklärung fürs Pumpen.
- 2
a) Warum der Druck in der Flüssigkeit überall gleich ist
Eine eingeschlossene Flüssigkeit gibt einen von außen aufgeprägten unvermindert nach allen Seiten weiter. An beiden Kolben herrscht deshalb derselbe Druck, und aus folgt .
- 3
a) Die Hubkraft berechnen
Das Flächenverhältnis ist einheitenfrei, weil Fläche durch Fläche geteilt wird. Die Handkraft wird also mit multipliziert.
Zwischenergebnis
, entspricht rund
- 4
b) Der Weg des Pumpkolbens
Die Flüssigkeitsmenge, die der Pumpkolben verdrängt, muss der Menge entsprechen, die den Hubkolben anhebt: . Der kleine Kolben legt deshalb den fünfzigfachen Weg zurück.
Zwischenergebnis
- 5
c) Ergebnis deuten: warum man viele Male pumpt
Weil der Pumpkolben insgesamt zurücklegen muss, und niemand einen Hebel um zehn Meter durchdrückt. Deshalb zerlegt man den Weg in viele kurze Hübe von wenigen Zentimetern.
Übung 3
schwerEin Stein hat im Wasser (Kraftmesser) nur noch statt an Luft. (, )
a) Wie groß ist die Auftriebskraft?
b) Welches Volumen hat der Stein?
c) Welche hat er?
d) Ein Schüler sagt: „Der Stein ist im Wasser leichter geworden." Nimm Stellung.
e) Was zeigt der Kraftmesser, wenn man denselben Stein in Öl () taucht?
Tipp anzeigen
b) Der Auftrieb entspricht der des verdrängten Wassers.
Lösung anzeigen
a) Der Auftrieb ist genau die Differenz der beiden Anzeigen:
b) Aus folgt
c) aus der Gewichtskraft an Luft:
Das passt gut zu Granit oder Sandstein.
d) Die Aussage ist falsch. Die Masse des Steins ist unverändert , und seine Gewichtskraft ist unverändert . Was sich ändert, ist die , die der Kraftmesser aufbringen muss, weil ihm der Auftrieb abnimmt.
Richtig formuliert: „Der Stein scheint leichter zu sein, weil zusätzlich die Auftriebskraft nach oben wirkt." Diese Unterscheidung ist dieselbe wie zwischen Masse und Gewichtskraft aus Klasse 7, nur eine Stufe weiter.
e) Öl hat eine kleinere Dichte, also ist der Auftrieb kleiner:
Der Kraftmesser zeigt .
Der Stein sinkt in beiden Flüssigkeiten, denn .
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Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht beim Auftriebsversuch
Gegeben: Anzeige an Luft , Anzeige im Wasser , und . Gesucht: Auftriebskraft, Volumen, Dichte, eine Stellungnahme und die Anzeige in Öl.
- 2
a) Der Auftrieb als Differenz der Anzeigen
Im Wasser wirken auf den Stein drei Kräfte: Gewichtskraft nach unten, Fadenkraft und Auftrieb nach oben. Weil der Stein ruht, gilt , der Auftrieb ist also genau die Differenz der beiden Anzeigen.
- 3
a) Die Auftriebskraft
Die Differenz der beiden Kraftmesser-Anzeigen ergibt unmittelbar den Auftrieb.
Zwischenergebnis
- 4
b) Vom Auftrieb auf das Volumen schließen
Der Auftrieb ist die Gewichtskraft des verdrängten Wassers: . Nach umgestellt lässt sich daraus das Volumen des Steins bestimmen.
Zwischenergebnis
- 5
c) Die Dichte des Steins
Die Masse folgt aus der Anzeige an Luft: . Zusammen mit dem Volumen ergibt sich die Dichte.
;
Zwischenergebnis
- 6
d) „Im Wasser leichter geworden"? Die Aussage prüfen
Die Aussage ist falsch. Die Masse des Steins ist unverändert , seine Gewichtskraft unverändert . Was sich ändert, ist allein die Kraft, die der Kraftmesser aufbringen muss, weil ihm der Auftrieb abnimmt.
- 7
e) Ergebnis deuten: derselbe Stein in Öl
Öl hat mit eine kleinere Dichte, also ist der Auftrieb kleiner: . Der Kraftmesser zeigt .
Zusammenfassung
In einer Flüssigkeit wächst der mit der Tiefe, weil eine immer höhere Säule darüber steht: . Bei der Herleitung kürzt sich die Fläche heraus, und deshalb spielt die Gefäßform keine Rolle. Genau aus diesem Tiefenunterschied folgt der Auftrieb: Unten drückt es stärker nach oben als oben nach unten, und die Differenz ist so groß wie die der verdrängten Flüssigkeit. Ob ein Körper sinkt, schwebt, steigt oder schwimmt, entscheidet damit allein der Vergleich der , und für schwimmende Körper ist der eingetauchte Anteil genau das Dichteverhältnis. Ein Stahlschiff schwimmt, weil seine mittlere Dichte dank der Hohlräume weit unter der von Wasser liegt. In einer eingeschlossenen Flüssigkeit breitet sich Druck gleichmäßig aus, und darauf beruht die Hydraulik, die vervielfacht und dafür Weg verlangt.


