Auftrieb
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Der Auftrieb beschreibt die Kraft, die von einem gasförmigen oder flüssigen Medium auf einen darin befindlichen Körper ausgeübt wird. Für Taucher ist nur der statische Auftrieb relevant, der durch Verdrängung des umgebenden Mediums entsteht und entgegen der Schwehrkraft gerichtet ist.
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Das Archimedische Prinzip
Der Grundgedanke des Auftriebs wird durch das Archimedische Prinzip beschrieben:
- Ein Körper verliert beim Eintauchen in ein gasförmiges oder flüssiges Medium scheinbar soviel an Gewichtskraft, wie das von ihm verdrängte Volumen an Gewichtskraft aufbringt.
Übersteigt dieser "Verlust" die eigentliche Gewichtskraft, so erfährt der Körper einen Auftrieb. Grundsätzlich gilt das Archimedische Prinzip für alle Gase und Flüssigkeiten.
Physikalische Begründung
Phsikalisch lässt sich der Auftrieb durch den Druckunterschied, der an Ober- und Unterseite des Körpers entsteht, herleiten.
Taucht man (der Einfachheit halber) einen Würfel in einen mit Wasser gefüllten Behälter, so ergibt sich abhängig von der Wassertiefe ein Druck auf jede Seitenfläche des Körpers. Dabei sind die Drücke auf Vorder- und Rückseite sowie auf die linke und rechte Seite des Würfels gleich stark und heben sich daher gegeneinander auf. Da die Unterseite des Würfels in einer größeren Tiefe liegt als die Oberseite, muss der Druck auf die Unterseite größer sein als der Druck auf die Oberseite.
Da Ober- und Unterseite gleich groß sind, ergibt sich mit
F = p x A
dass die Kraft auf den Boden des Würfels größer ist als die Kraft auf die Oberseite, der Würfel verliert scheinbar an Gewichtskraft.
Rechnerische Betrachtung
Nach dem Archimedischen Prinzip ist der scheinbare Verlust an Gewichtskraft genau der Gewichtskraft die das verdrängte Volumen aufbringt. Damit lässt sich dieser Verlust mit
F = m x g beziehungsweise F = ρ x V x g
berechnen. Dabei steht ρ für die Dichte des Mediums, V für das verdängte Volumen (=Volumen des Körpers) und g für den Ortsfaktor (g ≈ 9,81 m/s²).
Einen Auftrieb erfährt der Körper genau dann, wenn dieser Verlust die Gewichtskraft übersteigt, also wenn
F(Gewicht) < F(Verlust)
gilt und damit
ρ(Körper) < ρ(Medium).
Für den Fall dass die Dichte des Körpers größer der Dichte des umgebenden Mediums ist, erfährt der Körper eine Abtriebskraft.
Folgen für Taucher
Um beim Tauchen ein hydrostatisches Gelichgewicht zu erreichen ist es notwendig die (durschnittliche) Dichte des Tauchers der des Wassers anzupassen. Dazu gibt es je nach Situation mehrere Möglichkeiten:
- Erhöhen/Veringern des Volumens
- Ein-/Ausatmen (nicht bei Rebreather)
- Jacket mit Gas füllen/entlehren
- Trockentauchanzug mit Gas füllen/entlehren
- Erhöhen/Veringern der Masse
- Gewicht aufnehmen (z.B. Steine)
- Blei abwerfen
Normalerweise werden beim Tauchen nur die ersten drei Möglichkeiten verwendet; ein Verändern der Masse ist nur in besonderen Ausnahmesituationen oder Notfällen wichtig.
Änderung des Auftriebs durch veränderten Umgebungsdruck
Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte ändert sich das Volumen eines Körpers umgekehrt proportional zum Druck der auf den Körper einwirkt. Durch den erhöhten Umgebungsdruck nimmt also zum Beispiel das Anzugvolumen eines Tauchers in der Tiefe ab. Dadurch sinkt der Auftrieb, was durch Aufblasen des Jackets ausgeglichen werden muss.
Sinkt in der Austauchphase der Umgebungsdruck, so kann sich das Gasvolumen im Jacket ausdehnen, der Auftrieb erhöht sich. Um die maximale Aufstiegsgeschwindigkeit nicht zu überschreiten muss ein Taucher während des Aufsteigens also Luft aus dem Jacket ablassen.
Literatur
- H. A. Suart, G. Klages: Kurzes Lehrbuch der Physik Springer, 16. Auflage, 2000, ISBN 3-540-67758-5.
