Auftrieb verstehen:Formel, Beispiele und alltägliche Anwendungen

Haben Sie schon einmal erlebt, dass Sie sich leichter fühlen, wenn Sie im Pool schwimmen, oder dass sich ein Eimer leichter anfühlt, wenn Sie Wasser aus einem Brunnen schöpfen? Wenn Sie dies tun, kommt es bei diesen Ereignissen zu Auftrieb. Beim Auftrieb erfährt ein Körper, wenn er in Wasser oder eine andere Flüssigkeitsquelle eingetaucht ist, eine Kraft von unten nach unten, die der Richtung der Anziehungskraft entgegengesetzt ist.

Aus diesem Grund erleben wir in diesem Fall eine Gewichtsabnahme. Dies kann auch der Grund dafür sein, dass Nadeln sinken und Plastikflaschen schwimmen, unabhängig vom Gewicht.

Nun, in dieser Lektüre werden wir untersuchen, was Auftrieb ist, sein Diagramm, seine Anwendungen, seinen Zweck, seine Ursachen, seine Arten und wie Auftrieb erreicht wird. Außerdem lernen Sie die Dichte und die damit verbundene Dichte kennen und erfahren, warum Objekte im Wasser schwimmen oder sinken

Fangen wir an!

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Auftrieb oder Auftrieb ist eine nach oben gerichtete Kraft, die von einer Flüssigkeit ausgeübt wird und dem Gewicht eines teilweise oder vollständig eingetauchten Objekts entgegenwirkt. Man sagt auch, dass es sich um die Kraft handelt, die Objekte zum Schweben bringt. Auftrieb entsteht, wenn auf gegenüberliegenden Seiten eines in einer statischen Flüssigkeit eingetauchten Objekts Druckunterschiede auftreten.

Sie wird auch Auftriebskraft genannt, da Auftrieb das Phänomen ist, das auf der Auftriebskraft beruht. In einer Flüssigkeitssäule steigt der Druck aufgrund des Gewichts der darüber liegenden Flüssigkeit mit der Tiefe. Daher ist der Druck am Boden einer Flüssigkeitssäule größer als der am oberen Ende der Säule.

Ebenso ist der Druck am Boden eines in eine Flüssigkeit eingetauchten Objekts größer als an der Oberseite des Objekts. Dieser Druckunterschied führt zu einer Nettoaufwärtskraft auf das Objekt.

Das Prinzip von Archimedes erklärte auch, dass die Größe der Kraft proportional zur Druckdifferenz ist und dem Gewicht der Flüssigkeit entspricht, die andernfalls die Flüssigkeit verdrängen würde; Die Kraft kann das Objekt über Wasser halten. Aus diesem Grund neigt ein Objekt dazu, zu sinken, dessen durchschnittliche Dichte größer ist als die der Flüssigkeit, in die es eingetaucht ist.

Wenn das Objekt jedoch weniger dicht ist als die Flüssigkeit, kann die Kraft das Objekt über Wasser halten. Dies geschieht nur in einem nicht trägen Bezugssystem, das über ein Gravitationsfeld verfügt oder aufgrund einer anderen Kraft als der Schwerkraft beschleunigt. Dies definiert eine „Abwärts“-Richtung.

Die Einheit einer Auftriebskraft ist Newton (N).

Auftrieb kann also als die nach oben gerichtete Kraft definiert werden, die die Flüssigkeit auf das Objekt oder den Körper ausübt, wenn ein Objekt in die Flüssigkeit eingeführt oder darin eingetaucht wird.

Der Auftriebsschwerpunkt eines Körpers ist der Schwerpunkt des verdrängten Flüssigkeitsvolumens. Es ist der Punkt auf dem Objekt, an dem die Kraft wirkt bzw. der Punkt, an dem die Auftriebskraft ausgeübt wird. Die Auftriebskraft ist vertikal, daher ist der Auftriebsschwerpunkt der Punkt, der im Schwerpunkt der Flüssigkeit liegt, die durch das eingetauchte Objekt verdrängt wird.

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Anwendungen

Die Anwendung des Auftriebs ist so umfangreich, da er Objekte im Wasser über Wasser halten kann, worauf wir Menschen nicht verzichten können. Auftrieb wird in U-Booten und Heißluftballons genutzt; Sogar Fische und Schwimmer nutzen das gleiche Prinzip. Nachfolgend finden Sie einige Anwendungen des Auftriebs in der realen Welt.

• Heißluftballon: Weil die Atmosphäre Luft enthält, die auf jedes Objekt eine Auftriebskraft ausübt. Ein Ballon mit heißer Luft schwimmt aufgrund der Auftriebskraft. Er sinkt, wenn das Gewicht des Ballons höher ist als die Auftriebskraft. Dies liegt daran, dass der Ballon stationär wird, wenn das Gewicht der Auftriebskraft entspricht.
• U-Boot: U-Boote machen sich das Prinzip des Auftriebs zunutze. Ein U-Boot verfügt über einen großen Ballasttank, der dazu dient, seine Position und Tiefe von der Meeresoberfläche aus zu steuern. Bei U-Booten lässt man Wasser in den Ballasttank eindringen, so dass dessen Gewicht größer wird als die Auftriebskraft.
• Schiff: Schiffe können auf der Meeresoberfläche schwimmen, da das vom Schiff verdrängte Wasservolumen ausreicht, um ein Gewicht zu haben, das dem Gewicht des Schiffes entspricht. Schiffe sind so konstruiert, dass sie hohle Formen haben, wodurch die Gesamtdichte eines Schiffes geringer ist als die des Meerwassers. Aus diesem Grund ist die auf das Schiff wirkende Auftriebskraft groß genug, um sein Gewicht zu tragen.
• Fisch: Wie bereits erwähnt, nutzen einige bestimmte Gruppen von Fischen und Schwimmern auch das Prinzip des Archimedes, um sich im Wasser auf und ab zu bewegen. Um an die Wasseroberfläche zu gelangen, füllen die Fische ihre Schwimmblase (Luftsäcke) mit Gasen. Diese Gase diffundieren von ihrem eigenen Körper zur Blase, wodurch ihr Körper leichter wird und der Fisch dadurch aufsteigen kann.

Formel

Die Auftriebsformel (auch bekannt als Archimedes-Prinzip ) ist

Auftriebskraft (Fb)=ρ⋅V⋅g\text{Auftriebskraft (} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

Wo:

• FbF_b =Auftriebskraft (in Newton, N)

• ρ\rho =Dichte der Flüssigkeit (in kg/m³)

• VV =Volumen der verdrängten Flüssigkeit (in m³)

• gg =Erdbeschleunigung (≈ 9,81 m/s²)

Beispiel:

Wenn ein Objekt 0,5 m³ verdrängt von Wasser (Dichte =1000 kg/m³), die Auftriebskraft beträgt:

Fb=1000⋅0,5⋅9,81=4905 NF_b =1000 \cdot 0,5 \cdot 9,81 =4905 \, \text{N}

Das bedeutet, dass das Wasser eine Auftriebskraft von 4905 Newton ausübt auf dem Objekt.

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Ursachen und Beispiele für Auftrieb

Es ist wichtig zu wissen, dass der Auftrieb durch den Druck der Flüssigkeit verursacht wird, in die das Objekt eingetaucht ist. Außerdem ist die Auftriebskraft, die das Objekt erfährt, immer nach oben gerichtet. Dies liegt daran, dass der Druck der Flüssigkeit mit der Tiefe zunimmt. Einige Beispiele für Auftrieb sind auch:

• Ein Boot oder Schiff, das im Wasser schwimmt
• Ein im Wasser eingetauchter Korken schwimmt aufgrund des Auftriebs.
• Schwimmer sind gute Beispiele für Auftrieb.
• Ein auf dem Wasser schwimmendes Boot – Das Gewicht des Bootes wird durch die Auftriebskraft des Wassers ausgeglichen.
• Ein Heißluftballon steigt in den Himmel – warme Luft im Inneren des Ballons ist weniger dicht als kühlere Luft draußen, wodurch Auftrieb entsteht.
• Eisberg schwimmt im Ozean – Eis ist weniger dicht als Meerwasser und schwimmt daher.
• Ein Schwimmer, der auf dem Rücken schwimmt – Der menschliche Körper kann aufgrund der Luft in der Lunge und des Körperfetts, das weniger dicht als Wasser ist, schwimmen.
• Ein Stück Holz, das in einem Fluss schwimmt – Holz hat eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt daher.
• Eine Gummiente, die in einer Badewanne schwimmt – Die Ente ist aufgrund ihres hohlen, leichten Designs schwimmfähig.
• Eine Rettungsweste hält eine Person über Wasser – Rettungswesten schließen Luft ein und erhöhen den Gesamtauftrieb.
• Eine auf Meerwasser schwimmende Ölpest – Öl hat eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt daher.
• Ein Heliumballon steigt in die Luft – Helium ist leichter als Luft, wodurch der Ballon schwimmfähig ist.
• Ein Fisch passt seine Tiefe mithilfe einer Schwimmblase an – Der Fisch steuert den Auftrieb, indem er das Gasvolumen in seiner Schwimmblase ändert.
• Ein U-Boot schwimmt oder taucht durch Anpassen der Ballasttanks – U-Boote regulieren den Auftrieb mithilfe von Luft und Wasser in ihren Tanks.
• Ein Wasserball, der auf den Meereswellen schaukelt – er ist mit Luft gefüllt und verdrängt genug Wasser, um über Wasser zu bleiben.
• Ein Frachtschiff schwimmt, während es schwere Container trägt – Trotz der Ladung verdrängt der Rumpf genug Wasser, um schwimmfähig zu bleiben.
• Eine versiegelte leere Flasche, die in einem See schwimmt – die Luft im Inneren sorgt dafür, dass sie schwimmt.
• Die Kleckse einer Lavalampe steigen und fallen – Auftrieb ändert sich aufgrund der Erwärmung und Abkühlung der Wachskleckse.
• Ein Papierboot, das in einer Pfütze schwimmt – Die leichte Papierstruktur verdrängt genug Wasser, um (vorübergehend) über Wasser zu bleiben.
• Schwimmende Laternen während Festivals – Heiße Luft im Inneren sorgt dafür, dass sie in der kühleren Umgebungsluft schwimmen.
• Ein Plastikbehälter, der schwimmt, wenn er in einen Pool geworfen wird – der Behälter hat eine geringere Dichte als Wasser.
• Luftblasen steigen an die Oberfläche einer Limonade – Blasen sind leichter als die Flüssigkeit, daher werden sie durch den Auftrieb nach oben gedrückt.
• Ein Reifenschlauch, der in einem Fluss schwimmt – mit Luft gefüllt, verdrängt er genug Wasser, um Gewicht zu tragen und zu schwimmen.

Auftriebsarten

Nachfolgend sind die verschiedenen Arten des Auftriebs aufgeführt. Die drei Auftriebsarten sind positiver, negativer und neutraler Auftrieb.

Positive Auftriebsformen treten auf, wenn der eingetauchte Gegenstand leichter ist als die verdrängte Flüssigkeit. Aus diesem Grund schwebt das Objekt. Von negativen Auftriebsarten spricht man, wenn das eingetauchte Objekt dichter ist als die verdrängte Flüssigkeit, was dazu führt, dass das Objekt sinkt.

Schließlich treten neutrale Auftriebsarten auf, wenn das Gewicht des eingetauchten Objekts gleich der verdrängten Flüssigkeit ist. Nachfolgend sind die Faktoren aufgeführt, die die verschiedenen Arten des Auftriebs beeinflussen können.

• Die Dichte der Flüssigkeit.
• Das Volumen der verdrängten Flüssigkeit kann auch den Auftrieb beeinflussen. Zum Schluss
• Die lokale Erdbeschleunigung.

Zu den Faktoren, die die Auftriebskraft nicht beeinflussen, gehören die Dichte des eingetauchten Objekts und auch die Masse des eingetauchten Objekts.

Dichte und relative Dichte

Um das Konzept des Auftriebs zu verstehen, muss man das Konzept der Dichte und der relativen Dichte richtig verstehen.

Die Dichte von Materialien kann als ihre Masse pro Volumeneinheit definiert werden. Es ist ein Maß dafür, wie dicht Materie zusammengepackt ist. Es ist numerisch definiert als:

Dichte, ρ=MassVolume=MV

• Die SI-Einheit der Dichte wird in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3) gemessen.
• Die Dichte beträgt 0,9584 Gramm pro Kubikzentimeter bei 100° Celsius.

Die relative Dichte einer Substanz ist definiert als das Verhältnis der Dichte der Substanz zur Dichte von Wasser bei C. Sie wird auch als spezifisches Gewicht einer Substanz bezeichnet.
Relative Dichte =Dichte einer Substanz/Dichte von Wasser bei 4°C

Da die relative Dichte ein Verhältnis ähnlicher Größen ist, hat sie keine Einheit.

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Warum schwimmen oder sinken Objekte im Wasser?

Der Grund, warum Objekte im Wasser schwimmen oder sinken, kann berücksichtigt werden, wenn man sich vorstellt, dass Wasser aus übereinander liegenden Schichten besteht. Das ist einer über dem anderen mit unterschiedlichem Druck. Der Druck am Boden der Flüssigkeit ist größer als an der Oberseite, weshalb wir in einigen Schichten in der Flüssigkeit versinken. Diese Schichten neigen dazu, zuzunehmen, wenn das Objekt sinkt.

Durch den Druckunterschied in den Flüssigkeitsschichten entsteht eine zusammengesetzte Kraft nach oben. Diese Kraft führt zu einer Beschleunigung des eingetauchten Objekts nach oben. Die Kraft ist immer in vertikaler Richtung.

Mit anderen Worten kann man auch sagen, dass die Größe der nach oben gerichteten Kraft im Wesentlichen der Druckdifferenz an der Spitze entspricht. Die letzte Schicht entspricht auch dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit.

Die Konsequenz des obigen Konzepts ist das, was wir Floating nennen. Das Objekt sollte weniger dicht sein als das Wasser; andernfalls führt eine höhere Dichte zum Absinken des Objekts.

Schlussfolgerung

Auftrieb ist die von einer Flüssigkeit ausgeübte Auftriebskraft, die dem Gewicht eines darin eingetauchten Objekts entgegenwirkt. Dieses Grundprinzip erklärt, warum Objekte schwimmen oder sinken und spielt eine entscheidende Rolle in der Strömungsmechanik, im Schiffbau, in der Luftfahrt und sogar in Wettersystemen.

Nach dem Archimedischen Prinzip hängt der Auftrieb vom Gewicht der verdrängten Flüssigkeit und der Dichte des Objekts ab. Das Verständnis des Auftriebs hilft beim Entwurf schwimmender Strukturen, bei der Vorhersage des Flüssigkeitsverhaltens und bei der Lösung realer technischer und wissenschaftlicher Probleme.

FAQs zum Thema Auftrieb

Was ist Auftrieb?

Auftrieb ist die nach oben gerichtete Kraft, die von einer Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) ausgeübt wird und das Gewicht eines darin eingetauchten Objekts trägt.

Was bestimmt, ob ein Objekt schwimmt oder sinkt?

Wenn die Dichte des Objekts geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit, schwimmt es; wenn mehr, sinkt es.

Was ist das Prinzip von Archimedes?

Es besagt, dass die Auftriebskraft auf ein untergetauchtes Objekt gleich dem Gewicht der Flüssigkeit ist, die es verdrängt.

Gilt der Auftrieb auch bei Gasen?

Ja, Auftrieb gilt sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase – zum Beispiel beim Aufstieg von Heißluftballons in die Atmosphäre.

Kann der Auftrieb negativ sein?

Ja. Wenn das Gewicht des Objekts die Auftriebskraft übersteigt, hat es einen negativen Auftrieb und sinkt.

Warum schwimmen Schiffe aus Stahl?

Obwohl Stahl dicht ist, sind Schiffe mit hohlen Formen konstruiert, die genug Wasser verdrängen, um eine Auftriebskraft zu erzeugen, die größer als ihr Gewicht ist.

https://studentlesson.com/buoyancy-definition-applications-zweck-causes-types/