Auftriebskraft

Die Auftriebskraft ist eine nach oben gerichtete Gleichgewichtskraft, die auf Körper in Flüssigkeiten und Gasen einwirkt. Die Ursache der Auftriebskraft ist, dass der Druck der Flüssigkeit an der Unterseite eines Körpers größer ist als der Luftdruck an der Oberseite.

Was ist der Auftrieb?

Auftrieb ist eine Kraft, die sich aus der Dichte eines Körpers ergibt, dann spricht man von einem statischen Auftrieb.

Auftrieb ist aber auch eine Kraft, die aus der Umströmung eines Körpers entsteht, dies ist dann ein dynamischer Auftrieb.

Die Auftriebskraft ist ein Gegenspieler des Gewichts eines Körpers. Liegt ein Körper in einer Flüssigkeit oder in einem Gas, so verringert sich scheinbar sein Gewicht. Das kann experimentell nachgewiesen werden: Man befestigt an einem Körper einen Federkraftmesser und bestimmt sein Gewicht. Nun taucht man den Körper ins Wasser und stellt fast dass der Federkraftmesser ein deutlich geringeres Gewicht anzeigt. In der Flüssigkeit oder dem Gas muss also dem Gewicht des Körpers eine andere Kraft entgegenwirken. Diese Kraft wird Auftriebskraft genannt.

Das archimedische Gesetz

Bereits Archimedes von Syrakus (287 v. Chr. – 212 v. Chr.) erkannte schon den Auftrieb und fasste ihn in ein physikalisches Gesetz. Archimedes war ein berühmter griechischer Gelehrter der Antike. Er war der bedeutendste Mathematiker, Physiker und Techniker seiner Zeit. Zeitgenossen von ihm waren ARISTOTELES (384 v. Chr. – 322 v. Chr.) und EUKLID (um 295 v. Chr.).

Das von Archimedes aufgestellte Gesetz besagt:

„Für einen Körper, der sich in einer Flüssigkeit oder in einem Gas befindet, gilt: Die auf den Körper wirkende Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der von ihm verdrängten Flüssigkeits- bzw. Gasmenge.“

Die Auftriebskraft an einem Körper ist direkt abhängig vom Volumen. Der eingetauchte Körper verdrängt mit seinem Volumen ein gleiches Volumen der Flüssigkeit. Die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit ist proportional mit Ihrem Volumen. Damit ergibt sich die Beziehung zwischen der Auftriebskraft eines Körpers und der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit oder des verdrängten Gases. Diese Beziehung beschreibt das archimedische Gesetz.
Es wird also festgestellt: „Die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit ist von deren Masse abhängig. Die Masse einer Flüssigkeit oder eines Gases ist wiederum von Dichte und Volumen abhängig“

Bedeutung des Auftriebs und seine Verwendung!

Vom Auftriebs hängt es ab, ob ein Körper im Wasser oder in der Luft auf den Boden sinkt, schwebt, aufsteigt oder schwimmt. Natur, Technik und Alltag liefern viele Beispiele dafür.

Für Fische schweben unter Wasser. Sie also steigen oder sinken nicht von selbst. Das wird natürlich durch die Schwimmblase erreicht. Sie enthält soviel Luft, dass die Auftriebskraft gleich groß ist mit der Gewichtskraft.

Bei Schiffen werden so konstruiert, dass sie sicher auf den Gewässern schwimmen. Dafür muss die Auftriebskraft des Schiffes so groß sein, dass es mit voller Beladung ausreichend weit aus dem Wasser herausragt. Der Auftrieb der Schiffe ist aber auch vom Salzgehalt des Wassers abhängig. Die Dichte des salzhaltigen Wassers ist größer und somit auch die Auftriebskraft. Für das Fahren oder das Tauchen von U-Booten ist der Auftrieb von essenzieller Bedeutung.

In der Luftfahrt wie dem Fliegen von Heißluftballons und Luftschiffen sowie Flugzeuge ist die Auftriebskraft nicht minder wichtig. Das ist der dynamische Auftrieb. Dieser wird von Vögeln und Flugzeugen genutzt. Der dynamische Auftrieb kommt auch bei Autos, wie Sport- und Rennwagen ins Spiel. Durch Spoiler und andere tragflächenähnliche Anordnungen erreicht man, dass die Kraft der durchströmenden Luft nach unten wirkt und das Fahrzeug kräftig gegen die Fahrbahn gepresst wird. Das gewährt ein schnelles Abbremsen, Beschleunigen und Durchfahren der Kurven.

Wie groß die Auftriebskraft an einer Tragfläche z.B. beim Flugzeug ist, hängt vom Profil der Fläche mit ab. Der Anstellwinkel der Tragfläche gegenüber der Strömungsrichtung spielt eine große Rolle und die Strömungsgeschwindigkeit zwischen Tragfläche und Luft muss ebenfalls bei deren Konstruktion berücksichtigt werden.