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"Oasis of the Seas" ist das größte Kreuzfahrtschiff der Welt mit einer Masse von 100.000 Tonnen und schwimmt dennoch. Schiffskonstrukteure wenden das Archimedes-Prinzip an. Damit ein Boot schwimmen kann, muss es ein gleiches Wasservolumen mehr als sein eigenes Gewicht verdrängen. Dieses komplexe Konzept wird den Studierenden durch interessante Demonstrationen und Experimente wie die unten beschriebenen näher gebracht.
Wie alles begann
Im antiken Griechenland ließ König Hiero II. Von einem örtlichen Goldschmied eine Krone anfertigen. Er bezweifelte, dass es sich um reines Gold handelte, und gab dem Philosophen und Wissenschaftler Archimedes die Aufgabe, dies herauszufinden. Archimedes stieg in ein warmes Bad und sah, wie Wasser über die Seite floss, als er in die Wanne sank und feststellte, dass das verdrängte Wasser dem Volumen seines Körpers entsprach. "Eureka!", Rief er aus, als er feststellte, dass er diese Technik der Verschiebung verwenden könne, um das Volumen und die Dichte der Krone zu berechnen. Sein Test ergab, dass die Kronen eine geringere Dichte als Gold aufwiesen, sodass die Krone kein reines Gold war.
Ball gegen Rumpf
Auf die Frage, warum ein Aluminiumzylinder untergeht, antwortet ein Schüler möglicherweise fälschlicherweise: „Weil er mehr wiegt.“ Geben Sie den Schülern zwei 5-Zoll-mal-5-Zoll-Aluminiumfolien. Finde die Masse von beiden. Bitten Sie die Schüler, ein Quadrat Folie zu einem engen Ball zu zerkleinern, ihn ins Wasser zu werfen und zu beobachten, wie er sinkt. Experimentieren Sie mit dem zweiten Quadrat, bis Sie einen Weg gefunden haben, das Aluminium schweben zu lassen. Wenn das Aluminium wie ein Boot geformt ist, schwimmt es, weil das Volumen stark zugenommen hat, während die Masse gleich geblieben ist. Der Rumpf des Bootes ist mit Luft gefüllt, wodurch das Volumen erhöht wird, ohne dass ein erhebliches Gewicht hinzukommt. Das Boot schwimmt, wenn die Masse des Bootes geringer ist als das verdrängte Wasser. Mit einem hohlen Rumpf verdrängt das Boot mehr Wasser als der Ball.
Schwebender Heliumballon
••• Comstock / Stockbyte / Getty ImagesDie Schwerkraft hängt von der Masse des Objekts ab, um es durch eine Flüssigkeit nach unten zu ziehen. Wenn das Objekt zu sinken beginnt, wirkt eine Auftriebskraft, um das Objekt nach oben zu drücken. Wenn die Schwerkraft größer als die Auftriebskraft ist, sinkt das Objekt. Heliumballons schweben in der Luft, weil die Masse der Luft, die sie verdrängen, größer ist als die Masse von Helium und Ballon. Binden Sie ein Band an einen Heliumballon und dieser schwimmt, da die Auftriebskraft größer ist als die Gravitationskraft. Erhöhen Sie die Schwerkraft durch Erhöhen des Gewichts. Binde Brezeln an das Band und erhöhe das Gewicht, bis der Ballon sinkt. Jetzt knabbern kleine Stücke der Brezel, bis der Ballon langsam zu steigen beginnt. Wenn Sie den Ballon zum Schweben bringen können, entspricht die Gravitationskraft der Auftriebskraft.
Schwimmende Traube
Mit dem Prinzip von Archimedes können die Schüler bestimmen, ob ein Objekt in verschiedenen Flüssigkeiten sinkt oder schwimmt. Bereiten Sie ein klares Glas mit warmem Wasser vor. Fügen Sie eine Traube hinzu und es wird sinken. Fügen Sie Salz zum Glas hinzu und die Traube beginnt zu schwimmen. Denken Sie an Archimedes Prinzip: Wenn ein Objekt mehr wiegt als sein eigenes Volumen an Flüssigkeit, sinkt es. Das Hinzufügen von Salz zum Wasser erhöht die Masse pro Volumeneinheit, bis sie gleich oder dichter als die Traube ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Traube schwimmen.