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Versuchsdurchführung
a) Auftrieb mit Federwaage
Die Gewichtskraft einer Plexiglaskugel wird mithilfe einer Federwaage gemessen. Anschließend wird die Federwaage mit der Plexiglaskugel abgesenkt, sodass die Kugel vollständig in ein Wasserbad eintaucht. Aus der Differenz zwischen der Gewichtskraft in Luft und Wasser ergibt sich somit die Auftriebskraft.
\(F_{Auf}=F_{Luft}-F_{Wasser}\)
Nun wird die Auftriebskraft eines Tischtennisballs mit gleichem Volumen bestimmt, indem der Tischtennisball über eine schwere Umlenkrolle unter Wasser gezogen wird. Die nötige Kraft um den Tischtennisball unter Wasser zu ziehen wird mit der Federwaage gemessen, sodass der Auftrieb direkt ablesbar ist.
Es zeigt sich, dass die Auftriebskraft für beide Kugeln identisch ist, da diese das gleiche Volumen besitzen.
Es gilt:
\(F_{Auf}={\rho }_{Wasser}\cdot V_{Kugel}=1\ \frac{\text{g}}{\text{cm}^3}\cdot 28,3\ \text{cm}^3 \approx 0,28\ \text{N}\)
b) Auftrieb mit Metallzylinder
Zu einem Hohlzylinder aus Metall ist ein Vollzylinder vorhanden, der sehr genau in den Hohlzylinder hineinpasst. Beide Körper werden an eine elektronische Waage angehängt und die Waage wird tariert.
Nun wird der oben hängende Hohlzylinder mit einer Spritzflasche genau bis zum Rand mit Wasser gefüllt. Die Anzeige der Waage zeigt das Gewicht des eingefüllten Wassers an.
Nun wird ein Becherglas, welches mit Wasser gefüllt ist, von unten mit einem Laborboy nach oben gefahren, bis der Vollzylinder ganz ins Wasser eingetaucht ist.
Es kann beobachtet werden, dass die Waage wieder genau tariert ist.
Es wird somit gezeigt, dass der Auftrieb des Vollzylinders im Wasser genau dem Gewicht des verdrängten Wasservolumens entspricht.
c) Kartesischer Taucher
Ein Kartesischer Taucher ist ein Körper, der an seiner Unterseite eine Öffnung und einen Hohlraum aufweist. Der Hohlraum ist teilweise mit Wasser gefüllt, sodass der Taucher gerade noch genug Auftrieb besitzt um sich an der Wasseroberfläche zu halten.
Der Kartesische Taucher befindet sich in einer verschlossenen PET Flasche. Übt man von außen Druck auf die Flasche aus, so kann beobachtet werden, dass der Taucher in der Flasche nach unten sinkt. Beim reduzieren des Drucks taucht er dagegen wieder auf und hält sich an der Wasseroberfläche.
Es wird durch den Kartesischen Taucher gezeigt, dass die Erhöhung des Drucks in der Flasche zu einer Kompression des Luftvolumens im Taucher führt, wodurch letztlich der Auftrieb reduziert wird, sodass der Taucher nach unten sinkt.
d) Aräometer
Aräometer sind Schwimmkörper, die eine Dichtebestimmung von Flüssigkeiten ermöglichen. Dabei wird die Eintauchtiefe des Aräometers in der Flüssigkeit anhand einer Skala abgelesen.
Es sind verschiedene Aräometer für verschiedene Flüssigkeiten (z.B. Wasser, Salzwasser, Ethanol oder Mineralöl) vorhanden.