Schwimmen und Sinken: Auftrieb einfach erklärt

Vielleicht denkst du: „Schwere Dinge sinken, leichte schwimmen.“ Das reicht nicht. Ein schweres Schiff kann schwimmen, während eine kleine Metallkugel sinkt. Größe, Löcher oder Form allein entscheiden ebenso wenig.

Bei einem frei im Wasser befindlichen Körper betrachten wir zunächst zwei Kräfte: Die Gewichtskraft zieht nach unten, die Auftriebskraft des Wassers wirkt nach oben. Auch ein sinkender Körper erfährt Auftrieb.

Wasser drückt einen eingetauchten Körper von allen Seiten. Der Wasserdruck nimmt mit der Tiefe zu. Darum ist die Druckwirkung unten nach oben stärker als oben nach unten. Bei einer einfachen Betrachtung gleichen sich seitliche Druckkräfte aus. Die verbleibende Kraft zeigt nach oben.

Die Wasserverdrängung bestimmt die Größe der Auftriebskraft. Der Druckunterschied erklärt ihre Ursache.

Für einen Körper, den du aus der Ruhe loslässt, vergleichst du zwei Kräfte. Die Gewichtskraft zieht nach unten. Der Auftrieb drückt nach oben. Andere Kräfte, etwa Reibung im Wasser, lassen wir hier weg.

Ist der Auftrieb größer, steigt der ganz eingetauchte Körper zunächst. An der Oberfläche taucht ein Teil aus dem Wasser. So verdrängt er weniger Wasser und der Auftrieb nimmt ab. Beim ruhigen Schwimmen sind beide Kräfte gleich groß.

Eine massive Knetkugel hat ein kleines äußeres Volumen. Vollständig eingetaucht verdrängt sie nur dieses Volumen an Wasser. Überwiegt ihre Gewichtskraft, sinkt sie.

Formst du dieselbe Knete zu einer breiten, dichten Schale, hält sie Wasser draußen. Das Boot kann schon teilweise eingetaucht viel mehr Wasser verdrängen. Seine Masse bleibt gleich, aber die mögliche Auftriebskraft wächst. Es schwimmt, sobald die Gewichtskraft des verdrängten Wassers so groß ist wie die Gewichtskraft von Boot und Ladung.

Dasselbe Prinzip gilt für ein Stahlschiff. Der Stahl ist dicht, doch der hohle Rumpf umfasst viel Raum. Ein ruhig schwimmendes Schiff verdrängt Wasser mit derselben Gewichtskraft wie Schiff und Ladung. Mit mehr Ladung taucht es tiefer ein. Reicht das nutzbare Rumpfvolumen nicht aus oder läuft Wasser hinein, kann es sinken.

Ein fairer Versuch verändert möglichst nur eine Bedingung. Für den Formvergleich teilst du Knete in zwei gleich schwere Portionen. Forme eine kompakte Kugel und eine dichte Schale. Sage das Ergebnis voraus, setze beide vorsichtig ins Wasser und notiere, ob sie sinken oder schwimmen. Läuft die Schale durch ein Loch voll Wasser, musst du den Versuch wiederholen: Dann hat sich auch die Wassermenge in der Schale geändert.

Die Dichte beschreibt, wie viel Masse in einem bestimmten Raum steckt. Ein Stück Metall ist bei gleicher Größe schwerer als ein Stück Holz. Bei einem hohlen Körper zählt der ganze Raum einschließlich des Hohlraums. Ist ein ganz eingetauchter Körper im Mittel dichter als Wasser, beginnt er zu sinken. Bei gleicher Dichte schwebt er; bei geringerer Dichte steigt er.

Das archimedische Prinzip beschreibt den Auftrieb: Er ist so groß wie die Gewichtskraft des verdrängten Wassers. Wie viel Wasser verdrängt wird, hängt vom eingetauchten Teil ab. Der größere Wasserdruck unten erklärt, warum die Kraft nach oben zeigt.