Mechanik

Auftrieb und Luftdruck

Cartesischer Taucher

  • Warum schwimmen manche Körper im Wasser und andere nicht?
  • Wie stark ist eigentlich der Luftdruck?
  • Warum wird auf Bergen die Luft immer dünner?

Cartesischer Taucher

Verschiedene Cartesische Taucher
Abb. 1 Kunstvoll gefertigte cartesische Taucher (links und mitte). Ein kleines Glasröhrchen, in dem einmal Backaroma drin war, eignet sich ebenfalls als cartesischer Taucher.

Herkunft des Namens

Cartesische Taucher, gelegentlich auch Flaschentaucher genannt, sind häufig filigrane Spielzeuge aus Glas. Benannt sind Cartesische Taucher nach Rene Descartes - von ihm stammt der berühmte Ausspruch "Ich denke, also bin ich."
Einen einfachen Ersatz zu gekauften Tauchern bieten simple Backaroma-Röhrchen. Diese sehen zwar optisch nicht so schön aus, dafür kannst du die physikalischen Vorgänge bei einem solchen "Backaroma-Taucher" besonders gut sehen. Zu Demonstrationszwecken kann auch ein Reagenzglas genutzt werden. 

Versuchsaufbau

Du musst einen Cartesischen Taucher oder das leere Backaroma-Röhrchen in eine vollständig bis zum Rand mit Wasser gefüllte Plastikflasche geben. Beim Aroma-Röhrchen sollte die Öffnung nach unten zeigen. Nun musst du die Flasche anschließend verschließen. Der Taucher schwimmt an der Oberfläche bzw. stößt oben gegen den Deckel der Flasche.

Versuchsdurchführung

Drückst Du nun von außen auf die Flasche, so beginnt der Taucher zu sinken. Mit etwas Geschick und dem richtigen Druck von außen auf die Flasche kannst du den Taucher sogar zum Schweben in der Mitte der Flasche bringen.

Verständnisaufgabe

1) Beschreibe, was du im Video während der Versuchsdurchführung beobachten kannst. Gehe dabei insbesondere auf den Wasserstand innerhalb des Cartesischen Tauchers ein.

Lösung

1) Wird von außen eine Kraft auf die Flasche ausgeübt, so steigt der Wasserstand im Cartesischer Taucher an. Ab einem bestimmten Wasserstand beginnt der Taucher zu sinken. Wird die von außen auf die Flasche wirkende Kraft reduziert, so sinkt der Wasserstand im Taucher wieder und der Taucher steigt an die Oberfläche.

2a) Erkläre, warum sich der Cartesische Taucher bei steigendem Druck von außen langsam mit Wasser füllt.

2b) Erläutere unter Nutzung der Begriffe Gewichtskraft \(F_{\rm{g}}\) und Auftriebskraft \(F_{\rm{a}}\), warum der Taucher zu sinken beginnt, wenn der Wasserstand eine bestimmte Höhe erreicht hat.

Lösung

2a) Bei wachsendem Druck von außen auf die Flasche steigt auch der Druck, der auf die Luftblase im Taucher wirkt. Dadurch wird die Luft komprimiert, sie nimmt ein geringeres Volumen ein und der freiwerdende Raum wird von nachströmendem Wasser eingenommen.

2b) Füllt sich der Taucher mit Wasser, so nimmt seine Masse zu. Daher steigt seine Gewichtskraft \(F_{\rm{g}}\). Seine Auftriebskraft \(F_{\rm{a}}\) bleibt jedoch konstant, da sich das Volumen des Tauchers nicht verändert. Ist nun so viel Wasser in den Tacuher geströmt, dass die Gewichtskraft \(F_{\rm{g}}\) des Tauchers größer ist als seine Auftriebskraft \(F_{\rm{a}}\), so beginnt er zu sinken.

3) Stelle eine Hypothese auf, wie stark du die Flasche "zusammendrücken" musst, um den Taucher zum sinken zu bringen, wenn du die Flasche das Tauchers nicht bis oben hin, sondern nur zu 3/4 mit Wasser füllst. Prüfe deine Hypothese anschließend mit dem Backaroma-Taucher.

Lösung

3) Ist die Flasche nicht vollständig mit Wasser gefüllt, so musst du zum Tauchen die Flasche stärker "zusammendrücken" als wenn die Flasche vollständig gefüllt ist. Ursache hierfür ist, dass nun nicht nur die Luft im Taucher komprimiert wird, sondern auch die Luft in der Flasche.

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