Schwimmen oder Sinken? – Wasserverdrängung

Aus dem täglichen Leben wissen wir natürlich, was auf Wasser schwimmt und was untergeht: Ein Schiff kann schwimmen, ein Metallgewicht wird sofort zu Boden sinken, das wissen wir aus eigener Erfahrung. Aber bei näherer Betrachtung ist das doch eigentlich merkwürdig, denn:

Auch ein Schiff besteht zu einem großen Teil aus Metall – warum kann es dann trotzdem schwimmen?

Auf einen Körper wirken im Wasser zwei entgegengesetzte Kräfte: Einerseits zieht ihn die Schwerkraft nach unten, andererseits wirkt auch eine Auftriebskraft nach oben, sobald der Körper ins Wasser eintaucht (s. Auftrieb). Ob der Körper schwimmt oder sinkt, kommt nun darauf an, welche Kraft größer ist.

Die Schwerkraft ist nichts anderes als das Gewicht des Körpers.

Die Auftriebskraft ist nach dem archimedischen Prinzip genauso groß wie das Gewicht der Flüssigkeitsmenge, die der Körper durch sein Volumen verdrängt.

Welche Kraft größer ist, hängt also davon ab, ob das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit größer oder kleiner ist als das Gewicht des Körpers selbst. Weil das Gewicht bei einem bestimmten Volumen umso größer ist, je größer die Dichte ist, kommt man schließlich zu folgendem Ergebnis:

Ob ein Körper in einer Flüssigkeit schwimmt oder sinkt, hängt davon ab, ob seine Dichte größer oder kleiner als die Dichte der Flüssigkeit ist!

Was schwimmt eigentlich?

Die Dichte von Holz oder Styropor ist kleiner als die Dichte von Wasser; sie schwimmen.

Die Dichte von Steinen und den meisten Metallen ist größer als die Dichte von Wasser; sie sinken zu Boden.

Es gibt noch einen dritten Fall: Wenn die Dichte eines Körpers gleich groß ist wie die Dichte des Wassers, dann schwebt er im Wasser.

Dass Schiffe aus Metall schwimmen können, liegt an ihrer besonderen Form: Der Schiffsrumpf enthält viele Hohlräume, sodass erstens die Dichte insgesamt kleiner wird und zweitens ein besonders großes Wasservolumen verdrängt wird. So erreicht man, dass das Schiff trotz seines Gewichts insgesamt leichter ist als das von ihm verdrängte Wasser und somit schwimmt. Wenn allerdings Wasser durch ein Leck in die Hohlräume eindringt, sinkt das Schiff.

Fische können die Dichte ihres Körpers der des Wassers anpassen, sodass sie in einer bestimmten Höhe im Wasser schweben. Dazu haben sie eine mit Gas gefüllte Schwimmblase. Wird die Gasmenge darin erhöht, steigt der Fisch höher; wird Gas entfernt, sinkt er.

Ein ähnliches System benützen U-Boote zum Ab- und Auftauchen.