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Die Geschichte von Buoyancy

The concept of buoyancy was discovered by the Greek mathematician and physicist Archimedes (287-212 BCE) in one of history's most famous "eureka" moments. According to the legend, King Hiero II of Syracuse had commissioned a goldsmith to make a crown of pure gold. Suspecting that the goldsmith had substituted some silver for gold, the king asked Archimedes to determine if the crown was pure gold without damaging it.

Während er ein Bad nahm, bemerkte Archimedes, dass der Wasserstand stieg, als er in die Wanne trat. Er erkannte, dass das Volumen des verdrängten Wassers gleich dem Volumen des Teils seines Körpers war, der eingetaucht war. Diese Einsicht gab ihm eine Methode, um das Volumen von unregelmäßigen Objekten wie der Krone zu messen. Durch Vergleich des Gewichtes der Krone mit dem Gewicht eines gleichen Volumens von reinem Gold konnte er feststellen, ob die Krone reines Gold war oder andere Metalle enthielt.

So excited was Archimedes by this discovery that he reportedly ran naked through the streets of Syracuse shouting "Eureka!" (I have found it!). The crown was indeed found to displace more water than an equal weight of pure gold, proving it was not made of pure gold.

Buoyancy verstehen

Die Auftriebskraft wird von einem Fluid (Flüssig oder Gas) ausgeübt, das dem Gewicht eines eingetauchten Objektes entgegenwirkt. Diese Kraft tritt auf, weil der Druck in einem Fluid durch das Gewicht des oben genannten Fluids mit der Tiefe zunimmt und eine Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite eines Tauchobjekts erzeugt.

Es gibt drei Zustände der Auftrieb, die ein Objekt erleben kann:

• Positive Auftrieb:Wenn die Auftriebskraft größer ist als das Gewicht des Objekts, wodurch es schweben oder steigen.
• Negative Auftriebe:Wenn die Auftriebskraft kleiner ist als das Gewicht des Objekts, wodurch es sinkt.
• Neutraler Auftrieb:Wenn die Auftriebskraft dem Gewicht des Objekts entspricht, so dass es in konstanter Tiefe suspendiert bleibt.

Faktoren, die die Buyanz beeinflussen

Mehrere Schlüsselfaktoren bestimmen den Auftrieb eines Objekts:

1. Dichte:Der primäre Faktor, der feststellt, ob ein Objekt schwimmt oder absinkt. Objekte mit Dichten niedriger als die Flüssigkeit werden schwimmen, während diejenigen mit höheren Dichten sinken.
2. Band:Je größer das Volumen eines Objekts ist, umso mehr Fluid es verschiebt und umso größer die Auftriebskraft.
3. Form:Auch dichte Materialien können schwimmen, wenn sie geformt sind, um genügend Flüssigkeit zu verdrängen. Dies erklärt, warum Stahlschiffe schweben, obwohl Stahl dichter als Wasser ist.
4. Flüssigkeitsdichte:Denser-Flüssigkeiten (wie Salzwasser im Vergleich zu Süßwasser) üben größere Auftriebskräfte auf Tauchobjekte aus.

Real-World Anwendungen

Buyancy-Prinzipien sind in vielen technologischen und alltäglichen Anwendungen unerlässlich:

• Schiffe und Boote:Entwickelt mit Hohlhüllen, die genug Wasser verdrängen, um eine buyante Kraft größer als ihr Gewicht zu erzeugen.
• U-Boote:Steuern Sie ihre Auftriebe mit Ballasttanks. Durch die Einnahme von Wasser erhöhen sie ihre Dichte und sinken; durch Austreiben von Wasser mit Druckluft verringern sie ihre Dichte und steigen.
• Heißluftballons:Verwenden Sie erhitzte Luft (die weniger dicht ist als umgebende kühle Luft), um Auftrieb in der Atmosphäre zu schaffen.
• Tauchen:Divers verwenden Auftriebs-Kompensator-Geräte (BCDs), um neutrale Auftriebe in unterschiedlichen Tiefen zu erreichen, um Druckänderungen einzustellen.
• Fische schwimmen Blasen:Erlauben Sie Fisch, die neutrale Auftrieb zu halten, indem Sie das Gasvolumen in ihren Schwimmblasen einstellen.
• Durchmesser:Instrumente, die Auftriebsprinzipien verwenden, um die Dichte oder die spezifische Schwerkraft von Flüssigkeiten zu messen.

Die Physik der Flüssigkeiten

Buoyancy ist innig mit mehreren anderen Prinzipien der Fluidphysik verbunden:

• Druck und Tiefe:Der Fluiddruck steigt mit der Tiefe linear an, wodurch der Druckgradient entsteht, der die Auftriebskraft erzeugt.
• Versetzung:Das von einem Objekt verdrängte Volumen des Fluids entspricht dem Volumen des Teils des Gegenstandes, der eingetaucht ist.
• Offenes Gewicht:Das scheinbare Gewicht eines Objekts in einer Flüssigkeit entspricht dem tatsächlichen Gewicht abzüglich der Auftriebskraft.
• Stabilität:Die Stabilität des Objekts in einem Fluid hängt von den relativen Lagen seines Schwerpunkts und seines Auftriebszentrums (der Massenschwerpunkt des verdrängten Fluids) ab.

Buyanz ist die Aufwärtskraft, die von einem Fluid auf ein darin eingetauchtes Objekt ausgeübt wird. Diese Kraft ist gleich dem Gewicht des durch das Objekt verschobenen Fluids.

Um die Auftriebskraft zu berechnen, folgen Sie diesen Schritten:

1. 1
   Messen des Volumens des Tauchobjekts
2. 2
   Bestimmung der Dichte des Fluids
3. 3
   Multiplizieren des Volumens durch die Fluiddichte und Gravitationsbeschleunigung

Gemeinsame Materialdichten (kg/m3):

• Wasser: 1000
• Aluminium: 2700
• Stahl: 7850
• Holz (Spinn): 500
• Luft: 1.225