Tauchphysik

Gesetz von Archimedes

Wenn man ein Modellboot ins Wasser gleiten lässt, schwimmt es. Wenn wir ein gleich schweres Stück Blei ins Wasser fallen lassen, geht es unter. Noch verblüffender ist es aber für uns Taucher, dass wir unter Wasser unsere Tiefe beliebig steuern können, uns auf jeder Tiefe austarieren, also schweben können. Den Schlüssel dafür liefert das:

Gesetz von Archimedes

Der Verlust an Gewichtskraft eines Körpers beim Eintauchen in eine Flüssigkeit entspricht der Gewichtskraft der Flüssigkeit, die von dem Körper verdrängt wird.

Das bedeutet, dass die Auftriebskraft eines Körpers der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit entspricht. Woher kommt aber die Auftriebskraft? Wir wissen, dass der Druck einer Flüssigkeit stetig zunimmt, je weiter man sich von der Oberfläche entfernt. Ein in Flüssigkeit eingetauchter Gegenstand ist daher an seiner oberen Oberfläche einem geringeren Druck ausgesetzt als an seiner unteren Oberfläche, was generell dazu führen würde, dass der Gegenstand steigt. Dem entgegen steht aber das Gewicht des Gegenstands, das generell nach unten wirkt, also ein Sinken verursachen würde.

Ist daher ein Gegenstand schwerer als die von ihm an dieser Stelle verdrängte Flüssigkeit, sinkt er, ist er leichter, steigt er und ist er gleich schwer befindet er sich im hydrostatischen Gleichgewicht und schwebt. Da ja bei einem vollständig untergetauchten Gegenstand das Volumen des Körpers dem Volumen der verdrängten Flüssigkeit entspricht, muss die unterschiedliche Gewichtskraft mit der Dichte zu tun haben. Durch die Berechnung von Dichte:

Dichte ist das Verhältnis von Masse zu Volumen (p=m/V <kg/m3>)

Wir können also sagen, dass Körper mit einer geringeren Dichte als die sie umgebende Flüssigkeit steigen, die mit einer höheren Dichte sinken. Um zum oberen Beispiel zurückzukehren: 1 cm³ Wasser ist schwerer als 1 cm³ Holz und leichter als 1 cm³ Blei, weshalb Holz schwimmt und Blei sinkt.

Wir können sogar noch weiter gehen und daraus die Auftriebskraft ableiten als:

Statischer Auftrieb = (Dichte des Objekts - Dichte der Flüssigkeit) * Volumen der verdrängten Flüssigkeit.

Auswirkungen für den Taucher:

Auch für uns Taucher gilt natürlich das Archimedische Gesetz. Das bedeutet, dass wir zum Tauchen eine durchschnittliche Dichte haben müssen, die der des Wassers in dem wir tauchen entspricht. Durchschnittlich deshalb, weil die Teile unseres Körpers (luftgefüllte Körperhöhlen, Knochen) und unserer Ausrüstung (Neoprenanzug, Stahlflasche) natürlich jeweils eine unterschiedliche Dichte haben.

Wenn wir jetzt Tauchen als Sinken, Schweben und Steigen im Wasser bezeichnen und die tatsächliche Fortbewegung ignorieren, benötigen wir zum Sinken eine höhere, zum Schweben die gleiche und zum Steigen eine geringere Dichte als Wasser. Um dies zu erreichen benutzen wir verschiedene Tarierhilfsmittel wie Bleigurt und Tarierjacket um variabel tarieren zu können. Bei einem Tarierjacket spielen sogar zwei Faktoren mit, da sowohl eine (Gesamt-)Dichtereduzierung, als auch eine Volumenerhöhung stattfindet, aber letztere ist in diesem Fall unerheblich. Durch Einpumpen von Luft in das Jacket ändert sich auf den gesamten Taucher bezogen dessen durchschnittliche Dichte - der Taucher hat Auftrieb, ist also positiv tariert. Lässt er wieder Luft über den Inflator ab, erhöht er die Dichte des gesamten Tauchers. Entspricht diese Dichte der des umgebenen Wassers, befindet er sich im hydrostatischen Gleichgewicht, ist also neutral tariert. Lässt er weiter Luft ab (erhöht also weiter die Gesamtdichte), hat er Abtrieb, ist also negativ tariert.

Noch ein Wort zur Volumenänderung: Unterseeboote tarieren nach dem gleichen Prinzip wie Taucher, allerdings bleibt das Volumen gleich. Die Tarierung erfolgt über die Ballasttanks. Sind sie geflutet, ist die Gesamtdichte des U-Bootes größer als die des Wassers, d.h. es sinkt. Werden sie mit Luft ausgepumpt, verringert sich die Gesamtdichte und es steigt.

 

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