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Aufgabe

Auftriebskraft - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben rund um die Auftriebskraft zu lösen, musst du häufig die Gleichung \(F_{\rm{A}} = \rho \cdot V \cdot g\) nach einer unbekannten Größe auflösen. Wie das geht, zeigen wir in der folgenden Animation.

Die Gleichung\[{\color{Red}{F_{\rm{A}}}} = {\rho} \cdot {V} \cdot {g}\]ist bereits nach \({\color{Red}{F_{\rm{A}}}}\) aufgelöst. Du brauchst also keine Umformungen durchzuführen.
Um die Gleichung\[{F_{\rm{A}}} = {\color{Red}{\rho}} \cdot {V} \cdot {g}\]nach \({\color{Red}{\rho}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\color{Red}{\rho}} \cdot {V} \cdot {g} = {F_{\rm{A}}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {V} \cdot {g}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {V} \cdot {g}\) im Nenner steht.
\[\frac{{ {\color{Red}{\rho}} \cdot {V} \cdot {g}}}{ {V} \cdot {g}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {V} \cdot {g}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {V} \cdot {g}\).\[{\color{Red}{\rho}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {V} \cdot {g}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{\rho}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{F_{\rm{A}}} = {\rho} \cdot {\color{Red}{V}} \cdot {g}\]nach \({\color{Red}{V}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\rho} \cdot {\color{Red}{V}} \cdot {g} = {F_{\rm{A}}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {g}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {\rho} \cdot {g}\) im Nenner steht.
\[\frac{{ {\rho} \cdot {\color{Red}{V}} \cdot {g}}}{ {\rho} \cdot {g}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {\rho} \cdot {g}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {g}\).\[{\color{Red}{V}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {\rho} \cdot {g}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{V}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{F_{\rm{A}}} = {\rho} \cdot {V} \cdot {\color{Red}{g}}\]nach \({\color{Red}{g}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\rho} \cdot {V} \cdot {\color{Red}{g}} = {F_{\rm{A}}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {V}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {\rho} \cdot {V}\) im Nenner steht.
\[\frac{ {\rho} \cdot {V} \cdot {\color{Red}{g}}}{ {\rho} \cdot {V}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {\rho} \cdot {V}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {V}\).\[{\color{Red}{g}} = \frac{{F_{\rm{A}}}}{ {\rho} \cdot {V}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{g}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der Formel für die Auftriebskraft nach den vier in der Formel auftretenden Größen

Rechne bei den folgenden Aufgaben mit \(g_{\rm{Erde}}=10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\).

a)

Ein Marmorquader mit dem Volumen \(15\,\rm{cm}^3\) wird vollständig in Wasser, das die Dichte \(1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) besitzt, eingetaucht.

Berechne den Betrag der Auftriebskraft auf den Marmorquader.

b)

Eine Aluminiumkugel mit dem Volumen \(29{,}6\,\rm{cm}^3\) wird in eine Flüssigkeit eingetaucht. Ist die Kugel vollständig eingetaucht, erfährt sie eine Auftriebskraft von \(0{,}23\,\rm{N}\).

Berechne die Dichte der Flüssigkeit.

c)

Eine Metallkugel wird vollständig in Spiritus mit der Dichte \(830\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) eingetaucht und erfährt dabei eine Auftriebskraft von \(0{,}10\,\rm{N}\).

Berechne das Volumen der Metallkugel.

d)

Ein Astronaut auf dem Mond taucht eine Stahlkugel mit dem Volumen \(128\,\rm{cm}^3\) vollständig in Wasser, das die Dichte \(1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) besitzt, ein. Er misst dabei eine Auftriebskraft von \(0{,}207\,\rm{N}\).

Berechne den Ortsfaktor auf dem Mond.

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken
a)

Mit \(\rho = 1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\), \(V=15\,\rm{cm}^3=0{,}000015\,\rm{m}^3\) und \(g=g_{\rm{Erde}}=10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) nutzen wir die Formel für die Auftriebskraft\[F_{\rm{A}} = \rho \cdot V \cdot g\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (mit zwei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[F_{\rm{A}} = 1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3} \cdot 0{,}000015\,\rm{m}^3 \cdot 10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}} = 0{,}15\,\rm{N}\]

b

Mit \(F_{\rm{A}}=0{,}23\,\rm{N}\), \(V=29{,}6\,\rm{cm}^3=0{,}0000296\,\rm{m}^3\) und \(g=g_{\rm{Erde}}=10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) erhalten wir mit der Formel für die Auftriebskraft\[{F_{\rm{A}}} = \rho  \cdot V \cdot g \Leftrightarrow \rho  = \frac{{{F_{\rm{A}}}}}{{V \cdot g}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (mit zwei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[\rho  = \frac{0{,}23\,\rm{N}}{{0{,}0000296\,\rm{m}^3 \cdot 10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}}}=780\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\]

c)

Mit \(F_{\rm{A}}=0{,}10\,\rm{N}\), \(\rho = 830\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) und \(g=g_{\rm{Erde}}=10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) erhalten wir mit der Formel für die Auftriebskraft\[{F_{\rm{A}}} = \rho  \cdot V \cdot g \Leftrightarrow V = \frac{{{F_{\rm{A}}}}}{{\rho  \cdot g}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (mit zwei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[V = \frac{0{,}10\,\rm{N}}{{830\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}  \cdot 10\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}}}=0{,}000012\,\rm{m}^3=12\,\rm{cm}^3\]

d)

Mit \(F_{\rm{A}}=0{,}207\,\rm{N}\), \(\rho = 1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) und \(V=128\,\rm{cm}^3=0{,}000128\,\rm{m}^3\) erhalten wir mit der Formel für die Auftriebskraft\[{F_{\rm{A}}} = \rho  \cdot V \cdot g \Leftrightarrow g = \frac{{{F_{\rm{A}}}}}{{\rho  \cdot V}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert (mit drei gültigen Ziffern Genauigkeit)\[g = \frac{0{,}207\,\rm{N}}{{1\,000\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}  \cdot 0{,}000128\,\rm{m}^3}}=1{,}62\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Druck und Auftrieb