Warum sinken schwere Gegenstände im Wasser?

Warum sinken schwere Gegenstände im Wasser? – Ein Tauchgang in die Physik

Die intuitive Vorstellung, dass schwere Gegenstände im Wasser untergehen, ist zwar oft richtig, aber vereinfacht die physikalischen Zusammenhänge erheblich. Denn die bloße Masse eines Objekts allein bestimmt nicht, ob es sinkt oder schwimmt. Der entscheidende Faktor ist die Dichte.

Stellen Sie sich zwei Würfel vor: einen aus Blei und einen aus Holz, beide gleich groß. Der Bleiwürfel ist deutlich schwerer als der Holzwürfel, doch während der Bleiwürfel sofort sinkt, schwimmt der Holzwürfel. Der Grund liegt in der unterschiedlichen Dichte der beiden Materialien.

Dichte wird definiert als Masse pro Volumen (ρ = m/V). Sie gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist. Ein Bleiwürfel besitzt bei gleichem Volumen eine viel höhere Masse als ein Holzwürfel, daher auch eine deutlich höhere Dichte. Wasser hat eine Dichte von ca. 1 g/cm³ bei 4°C. Ein Gegenstand sinkt, wenn seine Dichte größer als die des Wassers ist. Er schwimmt, wenn seine Dichte kleiner ist.

Die Größe des Objekts spielt dabei, wie bereits erwähnt, keine Rolle. Ein kleiner Bleiklumpen sinkt genauso wie ein großer Bleiblock, da die Dichte des Bleis in beiden Fällen gleich bleibt. Die Auftriebskraft, die das Wasser auf den Gegenstand ausübt, ist zwar proportional zum verdrängten Wasservolumen, aber die Gewichtskraft des Gegenstandes ist proportional zu seiner Masse. Da die Dichte das Verhältnis von Masse zu Volumen beschreibt, entscheidet sie letztendlich über das Sinken oder Schwimmen.

Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Regel. Ein großes, hohles Schiff aus Stahl kann schwimmen, obwohl Stahl eine deutlich höhere Dichte als Wasser hat. Der Grund hierfür liegt im verdrängten Wasservolumen. Durch die Hohlräume im Schiff wird ein so großes Wasservolumen verdrängt, dass die resultierende Auftriebskraft das Gewicht des Schiffes übersteigt. Dieser Effekt wird durch das Archimedische Prinzip beschrieben.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Ob ein Gegenstand im Wasser sinkt oder schwimmt, hängt nicht von seiner Masse allein, sondern von seinem Verhältnis von Masse zu Volumen, also seiner Dichte, ab. Nur wenn die Dichte des Gegenstandes größer als die des Wassers ist, überwiegt die Gewichtskraft die Auftriebskraft, und der Gegenstand sinkt. Die scheinbare Paradoxie schwerer, schwimmender Objekte erklärt sich durch die Berücksichtigung des verdrängten Wasservolumens und des Archimedischen Prinzips.