Sinkende Objekte: Gewicht vs. maximale Auftriebskraft
1 · Vorhersagen
Ein Senkkörper aus Metall wird ins Wasser geworfen und bleibt vollständig eingetaucht auf dem Boden liegen. Ändert es, wie stark es untergetaucht ist, wenn es schwerer ist, wenn es vollständig eingetaucht ist?
- Ein schwererer Senkkörper taucht noch stärker unter (über 100 %).
- Es ist bereits vollständig eingetaucht (100 %), sodass keine weitere Masse es noch weiter eintauchen kann.
- Ein schwererer Senkkörper taucht weniger unter, da er schneller absinkt.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset „Fluid-Sink“ und drücken Sie „Zurücksetzen“. Der Senkkörper fällt durch das Wasser und kommt auf dem Tankboden zur Ruhe.
- Aktivieren Sie die Tauchfraktionssonde am Senkkörper.
- Stellen Sie die Masse des Senkkörpers für jeden Versuch ein, lassen Sie ihn absetzen und notieren Sie den eingetauchten Anteil.
3 · Daten sammeln
| Sinkermasse m (kg) | Gewicht mg (N) | Untergetauchter Bruchteil |
|---|---|---|
| 3.00 | ||
| 4.00 | ||
| 5.00 |
Tragen Sie für Ihre drei Versuche den eingetauchten Anteil (y-Achse) gegen das Gewicht (x-Achse) auf.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie das volle Volumen des Senkkörpers aus seinem Radius (0.4 m) und der maximal möglichen Auftriebskraft ρ·g·V_full unter Verwendung der Wasserdichte 1000 kg/m³. Vergleichen Sie es mit dem Gewicht jedes Versuchs.
- Erklären Sie, warum der untergetauchte Anteil bei 1.0 (100 %) begrenzt bleibt, sobald das Gewicht die maximale Auftriebskraft überschreitet, unabhängig davon, wie viel schwerer das Sinker wird.
5 · Vertiefen
- Die maximale Auftriebskraft dieses Senkkörpers beträgt etwa 24.6 N – jede Masse unter etwa 2.5 kg würde stattdessen schwimmen. Vergleichen Sie dies mit dem Fluid-Float-Experiment: Was bestimmt, ob ein Objekt schwimmt oder sinkt?
- Meerwasser ist dichter als Süßwasser. Würde ein Senkkörper, der vollständig in Süßwasser eintaucht, zwangsläufig vollständig in Meerwasser eintauchen? Erklären Sie dies mit der Auftriebskraftformel.
Die Physik hinter diesem Experiment
Archimedisches Prinzip (maximal)
Die größte Auftriebskraft, die ein Objekt jemals aufnehmen kann, ist ρ·g·V_full – das Gewicht der Flüssigkeit, die es verdrängen würde, wenn es vollständig untergetaucht wäre. Sobald das Gewicht eines Objekts diese Höchstgrenze überschreitet, sinkt es und bleibt vollständig unter Wasser; Durch Hinzufügen von mehr Masse kann es nicht weiter eingetaucht werden, da es bereits sein gesamtes Volumen verdrängt.