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Wie der Auftrieb tonnenschwere Schiffe über Wasser hält | Terra X plus

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Das Wichtigste aus dem Video

Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.

Transkriptautomatisch erstellt · 28 Zeilen
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  1. Das ist das aktuell größte Containerschiff der Welt – die Ever Ace! Sie kann mehr als 200.000 Tonnen transportieren! Das ist etwa so viel wie 200.000 Kleinwagen. Aber wieso geht so ein schweres Schiff eigentlich nicht unter? – Und gibt es ein Gewichtslimit für Ozeanriesen?
  2. Ich bin Carla aus dem Terra x plus-Team und erkläre euch jetzt warum diese riesigen Schiffe überhaupt schwimmen. Um das zu klären, fangen wir einmal ganz von vorne an: auf alle Gegenstände auf der Erde wirkt die Erdanziehungskraft, auch Gewichtskraft genannt.
  3. Sie ist dafür verantwortlich, dass du und alles andere auf der Erde zum Erdmittelpunkt gezogen werden. Auch auf Schiffe im Wasser wirkt diese Gewichtskraft. Eigentlich müssten sie also untergehen, weil sie von der Gewichtskraft Richtung Meeresboden gezogen werden.
  4. Aber irgendetwas hält sie an der Oberfläche: eine Kraft, die der Gewichtskraft entgegenwirkt! Die Auftriebskraft. Sie wirkt immer dann, wenn sich ein Körper, ganz oder teilweise in einer Flüssigkeit, etwa im Wasser befindet.
  5. Damit etwas an der Oberfläche schwimmt, muss die Auftriebskraft genau so groß sein wie die Gewichtskraft. Ist sie kleiner, geht der Körper unter. Aber woran liegt es denn, dass der eine Körper untergeht während der andere schwimmt? Liegt es am Gewicht?
  6. Dieses Stück Knete hier wiegt 200 Gramm. Dieses Stück Holz hier wiegt auch 200 Gramm, ist also genauso schwer wie die Knete. Wenn ich jetzt beide ins Wasser werfe, dann seht ihr: die Knete geht sofort unter, das Holzstück, das schwimmt aber.
  7. Das Gewicht eines Körpers entscheidet also nicht, ob er schwimmt. Aber was denn dann? Der griechische Mathematiker Archimedes von Syrakus hat vor über 2.000 Jahren herausgefunden:
  8. Die Auftriebskraft ist so groß, wie das Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeitsmenge. Komplizierter Satz! Was er bedeutet, zeig ich euch mal in einem kleinen Experiment.
  9. Diese wundervolle Vase hier ist mit Wasser gefüllt. Und jetzt nehme ich unser Stück Holz, das wiegt ja 200 Gramm, haben wir ja eben gewogen. So und wie ihr seht, wenn ich das jetzt hier so reintue: Dann steigt das Wasser an und zwar um genau 200 Milliliter! Das seht ihr hier an dieser Markierung.
  10. Kleiner Reminder: 200 Milliliter Wasser entsprechen bei Zimmertemperatur auch 200 Gramm Wasser. Das Stück Holz taucht also so weit in das Wasser ein, bis es genau so viel Wasser verdrängt, wie es wiegt.
  11. Denn dann ist die Gewichtskraft, die das Holz nach unten zieht, genau so groß, wie die Auftriebskraft! So, das Holz, das kommt jetzt wieder raus. Und jetzt lege ich die Knete in das Wasser.
  12. Die wiegt ja auch 200 Gramm, haben wir ja eben auch gewogen und sie geht unter und verdrängt dabei auch Wasser. Aber: Der neue Wasserstand, den seht ihr hier, bleibt bei unter diesen 200 Millilitern. Die Knete verdrängt also etwas weniger als 200 Milliliter. Und damit verdrängt sie weniger Wasser, als sie selbst wiegt. Deshalb geht sie unter.
  13. Ein Körper schwimmt also nur dann, wenn er genauso viel Flüssigkeit verdrängt, wie er wiegt. So wie das Stück Holz hier. Und das ist auch das, was Archimedes mit diesem wahnsinnig komplizierten Satz meinte.
  14. Aber warum können manche Körper so viel Wasser verdrängen, wie sie wiegen? Und andere nicht? Das hat etwas mit den Eigenschaften des Körpers zu tun. Genauer gesagt mit seiner Dichte. Die Dichte beschreibt das Verhältnis der Masse, also das Gewicht eines Körpers, zu seinem Volumen, also wie viel in den Körper reinpasst.
  15. Ein Körper schwimmt auf dem Wasser, wenn seine Dichte geringer ist, als die des Wassers. So wie bei diesem Holz hier. Und dadurch verdrängt das Holz genau so viel Wasser, wie das gesamte Holz wiegt – wie wir ja gerade eben gesehen haben.
  16. Okay, aber wie sieht das jetzt bei einem Schiff aus Stahl aus? Die Dichte von Stahl ist viel höher als die von Wasser. Müsste ein Stahlschiff dann nicht automatisch untergehen? Die kurze Antwort lautet: ja, aber nur dann, wenn das Schiff aus einem massiven Stahlklotz bestehen würde.
  17. Um das zu erklären, schauen wir uns die Dichte noch einmal genauer an – Achtung, es wird kurz mathematisch: Das hier ist die Formel, mit der man die Dichte eines Stoffes berechnet.
  18. Die Dichte von einem Stahlwürfel können wir erst einmal nicht beeinflussen, sie ist eine physikalische Größe, die feststeht. Auch die Masse zu verringern, nützt uns nichts. Ein kleinerer und damit leichterer Stahlwürfel würde auch untergehen.
  19. Also bleibt das Volumen, an dem wir was verändern können. Wenn wir ein Schiff aus reinem Stahl bauen wollen, müssen wir sein Volumen so vergrößern, dass die Dichte kleiner wird.
  20. Und das schaffen wir, indem wir diesen Klotz in einen Hohlkörper umformen. Sein Volumen ist dann größer. Das Schiff kann dadurch genau so viel Wasser verdrängen, wie es selbst wiegt! Und bekommt so genügend Auftrieb, um zu schwimmen.
  21. Jetzt besteht ein Schiff natürlich nicht nur aus Stahl, sondern auch aus vielen anderen Materialien. Deshalb kommt es da auf die sogenannte mittlere Dichte an. Also alle Materialien auf dem Schiff zusammengenommen.
  22. Die mittlere Dichte des Schiffes muss letztendlich kleiner sein, als die des Wassers! Glaubt ihr noch nicht? Ich beweise es euch mal mit dieser Knete hier. Magda, schmeißte mir mal eben den Krams hier rüber? Ich danke dir.
  23. Die Dichte dieser massiven Knetkugel ist größer als die des Wassers, deshalb ist sie ja eben untergegangen. Wenn ich jetzt aber mit derselben Menge Knete so ne Art Schale forme. Mein Ziel ist es da son kleines Schiff rauszuformen.
  24. Verzeiht mir aber diese Hässlichkeit, ich hatte immer nur eine 3 in Kunst. So, ich glaub das passt. Ich habe also die Form der Knetkugel verändert. Der neue Körper, also diese wunderschöne Schale hier, hat dann ein größeres Volumen und ihr seht: Sie schwimmt!
  25. Das bedeutet also: Das Gewicht von Schiffen ist nicht unbedingt entscheidend. Dafür spielt das Volumen des Schiffes eine Rolle und das wird über die Form des Rumpfes angepasst. Rein physikalisch gesehen könnte man also extrem schwere Schiffe bauen. Dann müssten die Schiffe aber auch immer größer werden.
  26. Aber: Je schwerer und größer, desto schwieriger wird es für sie selbst durch breite Flüsse zu fahren und an Häfen anzulegen. Allein das setzt den Ozeanriesen gewisse Grenzen. Theoretisch könnten Schiffe also beliebig schwer werden – sofern sie so geformt sind, dass ihre mittlere Dichte kleiner ist als die von Wasser.
  27. Wie ein Schiff konstruiert werden muss, damit es schwimmt, das können Ingenieurinnen und Ingenieure zum Glück schon weit im Voraus berechnen. Dadurch kommt das hier nur relativ selten vor. Wann und wo habt ihr denn schon mal solche riesigen Schiffe gesehen?
  28. Schreibt uns das doch mal in die Kommentare und verpasst uns ein Abo, denn wir halten euch mit unseren Wissensvideos auf jeden Fall über Wasser.

Zum Nachlesen

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