Was passiert mit dem Wasserstand, wenn ein Stein über Bord fällt?

Physikfragen sind Am meisten Spaß macht es, wenn sich die Leute nicht sofort auf die Antwort einigen können. Was sich intuitiv oder offensichtlich anfühlt – ist es manchmal nicht. Wir können stundenlang unterhaltend über die Lösung streiten und am Ende vielleicht sogar etwas lernen.

Hier ist eine dieser scheinbar offensichtlichen Fragen, die es schon seit langem gibt: Angenommen, ein großer Stein befindet sich auf einem Boot, das in einem sehr kleinen Teich schwimmt. Wenn der Stein über Bord geworfen wird, steigt, sinkt oder bleibt der Wasserspiegel des Teiches unverändert?

Diskutieren Sie darüber mit Ihren Freunden und Ihrer Familie. Während Sie sie davon überzeugen, dass Ihre Antwort richtig ist, ist hier ein Bild meines Bootes mit einem Stein darin:

OK, es ist eigentlich kein Boot, es ist Teil einer Plastikflasche. Außerdem ist der „Stein“ ein Bleigewicht und der „Teich“ ein Becher. Aber so können wir sehen, was mit dem Wasserstand passiert, wenn wir einen Gegenstand hineinwerfen.

Wenn ein Boot auf dem Wasser schwimmt, wirken zwei Kräfte auf es. Erstens gibt es die nach unten ziehende Gravitationskraft, die gleich der Masse des Bootes und allem darauf (m) mal dem Gravitationsfeld (g = 9,8 Newton pro Kilogramm) ist. Wir nennen dieses Produkt oft das „Gewicht“.

Die andere Kraft ist die nach oben drängende Auftriebswechselwirkung mit dem Wasser. Über diese Auftriebskraft sind zwei Dinge wahr. Erstens: Wenn das Boot schwimmt, muss der Auftrieb nach oben gleich dem Gewicht des Bootes sein. Zweitens ist die Auftriebskraft gleich dem Gewicht des vom Boot verdrängten Wassers.

Wir können diese Auftriebskraft berechnen, indem wir das Volumen des verdrängten Wassers nehmen (V_D) und unter Verwendung der Dichte von Wasser (ρ_w) zusammen mit dem Gravitationsfeld (g).