Gleichgewicht und Bewegung flüssiger Körper.
Die flüssigen Körper unterscheiden sich von den festen durch die größere Verschiebbarkeit ihrer Theile. Sie können niemals wie diese eine ihnen eigenthümliche Gestalt besitzen, sondern müssen die Form des Gefäßes annehmen, von welchem sie eingeschlossen sind. Nur sehr kleine Flüssigkeitsmassen zeigen das Bestreben, die Kugelform anzunehmen, und bilden Tropfen. Größere Flüssigkeitsmassen stellen an ihrer Oberfläche eine wagerechte Ebene dar.
Fig. 29.
133. Warum steht Wasser oder irgend eine andere Flüssigkeit in zwei Gefäßen gleich hoch, wenn diese so mit einander verbunden sind, daß die Flüssigkeit frei aus dem einen in das andere treten kann?
Weil der Druck des Wassers in dem einen Gefäße genau so groß sein muß, als der Druck des Wassers in dem andern, und dies nicht anders der Fall sein kann, als wenn das Wasser in Beiden gleich hoch steht. Da nämlich das Wasser, wie jeder andere Körper, das Bestreben hat, zu fallen, bis es am weiteren Fallen gehindert wird, so würde, wenn das Wasser in dem einen Gefäße höher stünde als in dem andern, Ersteres auf das in der Verbindungsröhre befindliche Wasser einen größeren Druck ausüben als das Wasser in dem andern Gefäße, in welchem es niedriger stünde. Die Folge davon würde sein, daß das Wasser in dem ersteren Gefäße so lange Wasser aus der Verbindungsröhre in das andere Gefäß drängen würde, bis der Druck des Wassers in beiden Gefäßen auf das Wasser in der Verbindungsröhre gleich wäre, d. h. das Wasser in beiden Gefäßen gleich hoch stünde. So verbundene Gefäße nennt man communicirende Gefäße (oder Röhren).
Fig. 30.
134. Warum springt das Wasser aus der kürzeren von zwei communicirenden Röhren heraus, wenn der Stand des Wassers in der längeren höher als die kürzere Röhre ist?
Weil das Gleichgewicht des Wassers nicht hergestellt ist, so lange das Wasser in der einen Röhre höher steht als in der anderen, und der Druck des Wassers in der längeren Röhre daher so lange aus der Verbindungsröhre in die kürzere drängen muß, bis es in beiden gleich hoch steht. Da nun aber die Höhe der kürzeren Röhre nicht ausreicht, um das Wasser zu fassen, so muß es nothwendig oben herausspringen und zwar, wenn die Reibung an den Wänden der Röhre, an den Rändern der Ausflußöffnung und der Widerstand der Luft nicht hinderlich wären, genau so hoch, daß die Höhe des Wasserstrahles der Höhe des Wasserstandes in der längeren Röhre gleichkäme.
135. Warum springt das Wasser aus den sogenannten Springbrunnen so hoch empor?
Weil auch Springbrunnen nur communicirende Röhren sind, die das Wasser aus höher gelegenen Behältern der tiefer gelegenen Springbrunnenöffnung zuführen, und daher der Druck der gesammten Wassermasse, welche sich über dem Niveau dieser Oeffnung befindet, das Wasser hinaustreibt.
136. Warum kann man ein mit Wasser angefülltes, gehörig verschlossenes Faß, in das man eine 6 bis 9 Meter lange Röhre festkittet, und zwar so, daß sie mit dem Wasser im Fasse in Verbindung steht, sprengen, sobald man in diese Röhre Wasser hineingießt?
Weil der durch das Wasser in der Röhre auf das im Fasse befindliche Wasser verursachte Druck sich nicht nur den Wassertheilchen mittheilt, die unmittelbar unter der Röhre liegen, sondern durch dieselben sich auch gleichmäßig nach allen Richtungen auf alle darunter und daneben befindlichen Theilchen fortpflanzt. Da nun das Wasser im Fasse keinen Raum findet, wohin es, durch den Druck des Wassers der Röhre gedrängt, ausweichen könnte, so muß es auf die Wände des Fasses drücken und diese, wenn sie nicht stark genug sind, auseinandertreiben.
137. Warum zerspringen Flaschen, wenn sie mit Wasser oder Wein bis an den Rand gefüllt sind, und man dann einen Kork auf die Mündung aussetzt und mit einem leichten Schlage einzutreiben versucht?
Weil auch ein von außen geübter Druck nach allen Richtungen durch die ganze Flüssigkeitsmasse sich fortpflanzt und daher auch auf die Wände der Flasche wirkt, die ihrer Zerbrechlichkeit wegen einem solchen Schlage nicht widerstehen können. Man muß daher beim Füllen von Weinflaschen die Vorsicht üben, stets eine zollhohe Luftschicht über dem Weine zu lassen, durch deren leichte Zusammendrückbarkeit jede Gefahr beseitigt wird.
Fig. 31.
138. Warum kann ein mit Wasser gefüllter Cylinder dadurch in drehende Bewegung versetzt werden, daß man unten in der Nähe des Bodens mehrere Röhren anbringt, die sämmtlich nach derselben Seite hin umgebogen sind, und durch welche das Wasser ausfließt?
Weil, wenn das Wasser aus einer solchen umgebogenen Röhre ausfließt, es nur auf die gegenüberstehende Wand einen Seitendruck ausübt, und das Gefäß daher, wenn es beweglich ist, nach dieser Richtung hin ausweichen muß. Da der Druck des ausfließenden Wassers bei allen diesen Röhren nach derselben Richtung wirkt, so muß eine Drehung des Gefäßes erfolgen. Darauf beruht das sogen. Segner'sche Wasserrad. ([Fig. 31].)
Fig. 32.
139. Warum ist der Druck des Wassers auf den Boden in zwei Gefäßen, von denen das eine sich nach oben erweitert, das andere nach oben verengt, doch völlig gleich, wenn beide eine gleichgroße Bodenfläche haben und in beiden das Wasser gleich hoch steht? ([Fig. 32].)
Fig. 33.
Weil bei der Verschiebbarkeit der Flüssigkeitstheilchen jedes Theilchen nicht blos nach unten, sondern auch nach allen Seiten drückt, jedes Theilchen an der Bodenfläche daher den gleichen Druck erleiden muß, und der Gesammtdruck auf die Bodenfläche darum nicht von der Menge der vorhandenen Flüssigkeit, sondern nur von der Höhe derselben und von der Größe der Bodenfläche abhängen kann. Der Druck auf den Boden eines Gefäßes ist also unter allen Umständen dem Gewicht einer Flüssigkeitssäule gleich, welche den Boden zur Grundfläche und die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zur Höhe hat. Daraus geht hervor, daß man mit einer kleinen Wassermasse einen bedeutend größeren Druck ausüben kann, als das Gewicht der Wassermasse beträgt. Man macht davon bei der Real'schen Presse ([Fig. 33]) zum Auspressen von Pflanzensäften Gebrauch, indem man in ein oben verschlossenes starkwandiges Gefäß eine sehr dünne Röhre einkittet, und diese mit Wasser füllt. Der Druck ist dabei so stark, als ob das Gefäß selbst die ganze Höhe der Röhre hätte und mit Wasser gefüllt wäre.
140. Warum werden leere Flaschen, die man in bedeutende Meerestiefe hinabsenkt, zerdrückt oder mit Wasser gefüllt?
Weil nicht blos der Boden und die Seitenwände eines Gefäßes, sondern auch jede Stelle im Innern der Flüssigkeit einen Druck erleidet und zwar einen Druck, welcher dem Gewichte der darüber stehenden Flüssigkeitssäule gleich ist. Jeder Körper, der an Stelle der Flüssigkeitstheilchen einen Raum im Innern der Flüssigkeit einnimmt, erleidet also denselben Druck, und dieser wird in einer Meerestiefe von 400 Metern, wenn man das Gewicht eines Kubikdecimeters Wasser zu 2 Pfund annimmt, auf jeden Quadratmeter Fläche 800000 Pfund betragen. Natürlich kann eine Flasche einem solchen Drucke nicht widerstehen, sondern wird entweder zerdrückt, oder es wird der Pfropfen, durch den sie verschlossen ist, in dieselbe hineingetrieben. Wegen dieses Druckes können auch Thiere in großen Meerestiefen nicht mehr leben.
Fig. 34.
141. Warum kann man vermittelst einer hydraulischen Presse bei Anwendung einer sehr mäßigen Kraft einen ungeheuren Druck ausüben?
Weil sich der Druck, der hier auf eine Flüssigkeitssäule von geringem Durchmesser ausgeübt wird, durch eine communicirende Röhre auf eine Flüssigkeitssäule von sehr bedeutendem Querschnitt fortpflanzt und die Oberfläche derselben nun einen Druck erleidet, der gerade so groß ist, als ob jeder Theil derselben dem ursprünglichen Druck ausgesetzt gewesen wäre. Diese hydraulische Presse ([Fig. 34]) besteht nämlich aus zwei Cylindern von sehr verschiedenen Querschnitten, welche durch ein Rohr mit einander verbunden sind, und in welchen sich Kolben auf und nieder bewegen lassen. Der kleinere Cylinder hat die Einrichtung einer Druckpumpe, und durch das Spiel seines Kolbens wird Wasser in den hohlen Raum des andern Cylinders getrieben, das nun hier den Kolben desselben in die Höhe schiebt. In demselben Verhältniß, in welchem der Querschnitt des Druckkolbens von der untern Fläche des Preßkolbens übertroffen wird, in demselben Verhältniß wird auch die Kraft, mit welcher man den Druckkolben niederdrückt, von der Kraft übertroffen, mit welcher der Preßkolben gehoben wird. Beträgt z. B. der Querschnitt des Druckkolbens 1 □Centimeter, der des Preßkolbens 100 □Centimeter, und wendet man zum Niederdrücken des Druckkolbens eine Kraft von 50 Pfund an, so wird zunächst der Druck, den der Druckkolben erfährt, da er durch Vermittelung eines Hebels ausgeübt wird, beispielsweise um das 6fache vermehrt, und die Fläche des Preßkolbens erleidet also einen Druck von 100 × 300 Pfund oder 30000 Pfund. Bekanntlich werden solche Pressen besonders zum Pressen von Tuch und Papier, zum Auspressen von Oelsamen und zum Heben und Fortschieben großer Lasten angewandt. (Hydraulische Aufzüge!)
142. Warum sinken manche Körper im Wasser unter, während andere auf demselben schwimmen und nur mit Gewalt in dasselbe hineingedrückt werden können?
Weil ein Körper im Wasser nur dann dem Drucke des Wassers das Gleichgewicht halten kann, wenn sein Gewicht dem einer Wassermenge von gleichem Rauminhalt oder Volumen gleich ist. Körper, deren Gewicht größer ist, als das Gewicht des gleichen Volumens Wasser, oder die specifisch schwerer sind als das Wasser, müssen untersinken, da der Gegendruck des Wassers ihnen nicht widerstehen kann. Körper aber, deren Gewicht geringer ist, als das der gleichen Raummenge Wasser, oder die specifisch leichter sind, schwimmen auf demselben, weil ihr Druck geringer ist als der Gegendruck des Wassers.
143. Warum tritt das Oel, auf welches man Wasser oder eine andere Flüssigkeit gießt, auf die Oberfläche des Wassers oder der Flüssigkeit und schwimmt oben auf?
Weil Oel weniger wiegt als eine gleich große Menge Wasser, oder mit anderen Worten, weil Oel ein geringeres specifisches Gewicht hat als Wasser, und daher das auf das Oel gegossene Wasser, weil es von dem Oele nicht getragen werden kann, auf den Boden des Gefäßes sinken muß. Es folgt zugleich daraus, daß, wenn mehrere Flüssigkeiten, z. B. drei, zusammengegossen würden, die specifisch schwerste zu unterst, die specifisch leichteste oben auf, die Flüssigkeit von mittlerem specifischen Gewichte aber sich in der Mitte zwischen Beiden lagern würde.
144. Warum schwimmt eine dünne hohle Metallkugel auf dem Wasser?
Weil ein Volumen Wasser, das dem Inhalte der Kugel gleich kommt, mehr wiegt als die hohle Metallkugel, und sie daher nur so weit in das Wasser einsinken kann, bis das Gewicht des dadurch aus der Stelle getriebenen Wassers dem der Metallkugel gleich ist. Würde dagegen die Metallkugel zusammengedrückt, so würde sie, da sie nun einen bedeutend kleinern Raum einnähme, und das Metall selbst specifisch schwerer ist als das Wasser, sogleich im Wasser untersinken.
145. Warum sinken Glasflaschen, die mit Wasser angefüllt sind, im Wasser unter?
Weil sie in diesem Falle specifisch schwerer als das Wasser sind, da zwar das Wasser im Wasser nicht wiegt, das Glas aber, woraus die Flaschen bestehen, specifisch schwerer als Wasser ist. Leere Flaschen schwimmen nur deshalb auf dem Wasser, weil sie mit Luft gefüllt sind, und ein ihrem Umfange gleiches Volumen Wasser schwerer ist als die Glasmasse der Flaschen und die von ihnen Umschlossene Luft zusammengenommen.
146. Warum kommen Ertrunkene, die einige Tage unter dem Wasser gelegen haben, auf die Oberfläche desselben?
Weil während dieser Zeit wegen eintretender Fäulniß ihr Körper aufschwillt und, da dieses Aufschwellen nur von Luftarten herrührt, welche sich durch die Verwesung entwickeln, an specifischem Gewichte abnimmt. Im lebenden Zustande ist aber schon der Körper der meisten Menschen etwas leichter als das Wasser, und nur beim Ertrinken ist er in Folge des eingedrungenen Wassers etwas schwerer geworden. Durch die in seinem Innern entwickelten Luftarten muß er daher wieder leichter geworden sein als das Wasser und deswegen auf die Oberfläche gehoben werden.
147. Warum schwimmt das Eis auf dem Wasser?
Weil das Eis specifisch leichter als das Wasser ist und daher in demselben nicht untersinken kann. Das Wasser hat nämlich die besondere Eigenthümlichkeit, daß es beim Festwerden oder Erstarren, statt, wie die meisten anderen Körper, sich zusammenzuziehen und dichter zu werden, sich ausdehnt. Eine bestimmte Menge Wasser nimmt als Eis einen um 1/13 größeren Raum ein. Eis ist also specifisch leichter als Wasser.
148. Warum schwimmen Schiffe mit Lasten, die so schwer sind, daß sie, für sich allein in das Wasser geworfen, sogleich untersinken würden, auf demselben?
Weil ein Volumen Wasser, das dem Umfange oder Volumen eines Schiffes gleich kommt, mehr wiegt als das Schiff mit allen darin befindlichen Lasten, da die große Menge der Luft, welche die Wände des Schiffes umschließen, wegen der großen specifischen Leichtigkeit derselben das Gewicht der schwereren Lasten mehr als ausgleicht. Der Druck, den das Schiff vermöge seiner Schwere auf das Wasser ausübt, vermag daher nicht den Gegendruck des Wassers völlig aufzuheben; das Schiff sinkt deshalb nur so weit in das Wasser ein, bis es eine seinem Gewichte gleiche Menge Wasser aus der Stelle getrieben hat.
149. Warum schwimmen Menschen ohne alle Anstrengung auf dem Wasser, wenn sie unter den Armen über der Brust große mit Luft gefüllte Blasen befestigen?
Weil diese mit Luft angefüllten Blasen, welche bei weitem specifisch leichter als das Wasser sind, bewirken, daß der ganze Umfang des Menschen und der Blasen zusammengenommen weniger wiegt, als eine Wassermenge von gleichem Umfange; so daß der Mensch also nicht untersinken kann, sondern auf der Oberfläche des Wassers bleibt. Gürtel oder Jacken aus Kork bewirken dasselbe.
150. Warum fällt auf den Boden der Gefäße, worin manche Flüssigkeiten enthalten sind, ein Satz nieder, wenn man sie einige Zeit ruhig stehen läßt?
Weil die in der Flüssigkeit enthaltenen kleinen festen Körperchen ungeachtet ihrer Kleinheit ein größeres specifisches Gewicht haben als das Wasser, und daher der Schwerkraft folgend zu Boden sinken, wenn nicht der Druck des Wassers durch einen hinzutretenden anderweitigen Druck vermehrt wird, der die kleinen Körperchen schwimmend erhält. Ein solcher anderweitiger Druck wird aber durch Schütteln, Kochen und überhaupt durch jede innere Bewegung der Wassermasse verursacht, da die kleinen Körperchen vermöge ihrer Kleinheit von den bewegten Wassertheilchen mit fortgerissen und so am Untersinken verhindert werden.
151. Warum tauchen manche Körper, die auf dem Wasser schwimmen, tiefer ein als andere, Eichenholz z. B. tiefer als Fichtenholz?
Weil die einen ein größeres specifisches Gewicht als die anderen haben, schwerere Körper aber bei gleichem Raumumfang eine größere Menge Wasser aus der Stelle treiben müssen, wenn ihrem Drucke das Gleichgewicht gehalten werden soll. Ein auf dem Wasser schwimmender Körper taucht nämlich stets so tief ein, daß das Gewicht des durch den eingetauchten Theil verdrängten Wassers genau dem ganzen Gewichte des Körpers gleich ist.
152. Warum sinken Schiffe im Flußwasser tiefer ein, als im Meerwasser?
Weil das Meerwasser wegen seines Salzgehaltes specifisch schwerer als das Flußwasser ist. Da nun feste Körper, die auf dem Wasser schwimmen, immer so viel Wasser aus der Stelle treiben, als sie selbst wiegen, so braucht natürlich nur eine geringere Menge von Meerwasser aus der Stelle verdrängt zu werden als von Flußwasser, um doch das gleiche Gewicht zu erhalten. Wird aber weniger Wasser aus der Stelle getrieben, so kann das Schiff auch nicht so tief einsinken, als in dem Falle, wenn eine größere Menge Wasser aus der Stelle getrieben wird.
153. Warum schwimmt ein Hühnerei in starkem Salzwasser, während es in süßem Wasser untersinkt?
Weil starkes Salzwasser specifisch schwerer als ein Hühnerei, süßes Wasser aber specifisch leichter als dasselbe ist, der Druck daher, den das Hühnerei auf das Salzwasser ausübt, durch den Gegendruck desselben überwältigt wird, so daß es nicht untersinken kann. Im süßen Wasser dagegen kann das Ei seiner Schwerkraft ungehindert folgen und sinkt deswegen zu Boden, indem sein Druck den Gegendruck des süßen Wassers überwindet. Es ergiebt sich zugleich hieraus, daß Salzwasser specifisch schwerer als süßes Wasser sein muß.
154. Warum steigt das Wasser in einem Gefäße, wenn ein Pfund Eisen hineingethan wird, höher, als wenn ein Pfund Blei in dasselbe hineingelegt wird?
Weil ein Pfund Eisen einen größeren Raumumfang oder ein größeres Volumen hat als ein Pfund Blei, und es daher auch mehr Wasser aus der Stelle treiben muß als das Blei, das Wasser also im ersteren Falle im Gefäße höher steigen muß als im letzteren.
155. Warum ist der Branntwein desto besser, je tiefer die Branntweinwage in denselben einsinkt, während das Bier desto besser ist, je weniger tief die Bierwage in dasselbe einsinkt?
Weil der Branntwein desto besser ist, je geringeres specifisches Gewicht er hat, was dann der Fall ist, wenn er mehr specifisch leichteren Alkohol und weniger specifisch schwereres Wasser enthält; weil das Bier aber desto besser ist, je größer sein specifisches Gewicht ist, was dann stattfindet, wenn dasselbe mit mehr Malz bereitet wurde, also mehr Gummi und Zucker enthält. Ein fester Körper sinkt aber um so tiefer in eine Flüssigkeit ein, je geringer das specifische Gewicht derselben ist.
156. Warum ist das Gewicht der Körper im Wasser leichter als außerhalb desselben?
Weil alle Körper im Wasser so viel an Gewicht verlieren, als das Wasser wiegt, welches sie aus der Stelle treiben, oder mit andern Worten, so viel als das Wasser wiegt, dessen Menge hinreichen würde, den Raum dieser Körper einzunehmen. Man bezeichnet dieses Gesetz mit dem Namen des Archimedischen Prinzips, weil es von Archimedes in Sicilien (220 vor Christo) zuerst angewandt sein soll.
157. Warum vermag ein Hund einen untergesunkenen Menschen wieder auf die Oberfläche des Wassers zurückzubringen und ihn im Wasser bis an das Ufer zu schleppen?
Weil der Mensch, wie jeder andere Körper, im Wasser an seinem Gewichte verliert, und zwar so viel, als ein seinem Körperumfange gleiches Volumen Wasser wiegt. Da der Mensch aber meist sogar etwas specifisch leichter, selten wenig specifisch schwerer als das Wasser ist, so bleibt von seinem Gewichte im Wasser auch im ungünstigsten Falle nur so wenig übrig, daß ein Hund es leicht tragen und aus der Tiefe emporziehen kann.
158. Warum kann ein Hund einen schweren Stein wohl vom Grunde des Wassers heraufholen, muß ihn aber über der Oberfläche fallen lassen?
Weil der Stein im Wasser so viel weniger wiegt, als das Gewicht des von ihm verdrängten Wassers beträgt, er außerhalb desselben aber wieder mit seinem ganzen Gewichte drückt.
159. Warum vermag man einen in Wasser getauchten Eimer mit dem kleinen Finger bis an die Oberfläche des Wassers zu ziehen?
Weil ein mit Wasser angefüllter Eimer im Wasser noch leichter ist, als ein leerer Eimer außerhalb desselben, da das Gewicht des im Eimer befindlichen Wassers durch den Gegendruck des umgebenden Wassers aufgehoben wird, also nur noch das Gewicht des Holzes übrig bleibt, welches aber bekanntlich geringer ist, als das des Wassers und daher vom Wasser getragen wird. Der gefüllte Eimer bietet daher im Wasser gar keine Last dar, und es ist beim Aufziehen desselben nur der Widerstand der darüber befindlichen Wassertheilchen zu überwinden.
160. Warum erhält sich der Mensch auf der Oberfläche des Wassers, wenn er mit den Händen oder Füßen gewisse Bewegungen macht, d. h. schwimmt?
Weil durch die künstlichen Schwimmbewegungen, die in einem Stoß der Füße und der flachen Hände gegen das Wasser bestehen, ein hinreichender Gegendruck gegen das Wasser geübt wird, um den schon an sich das Wasser gar nicht oder wenig an specifischer Schwere übertreffenden Körper am Tiefersinken zu verhindern. Da die meisten Menschen 1/9 bis 1/10 leichter als Flußwasser zu sein pflegen, so können sie auch ruhig auf dem Rücken im Wasser liegend, mit über dem Kopf zusammengeschlagenen Armen und gespreizten Beinen, ohne die geringste Bewegung sich auf der Oberfläche des Wassers erhalten. In jeder andern Lage würde freilich das Gesicht unter das Wasser tauchen und dadurch die Athmung verhindert werden, wenn nicht durch die Schwimmbewegungen der Kopf wieder darüber gehoben würde. Beine, Arme und Kopf haben das größte Gewicht unter allen Körpertheilen, wie überhaupt die Knochenmasse das Gewicht vermehrt, während die Fettmasse es vermindert; weshalb auch fette Menschen leichter schwimmen als magere. Das geringste Gewicht hat die Brust wegen der Höhlung, die sie umschließt. Jedes Ein- und Ausathmen ist mit einer abwechselnden Erweiterung und Verengung der Brusthöhle verbunden und bedingt darum auch ein abwechselndes Heben und Sinken des Körpers im Wasser. Die meisten Menschen würden, wenn sie in das Wasser fallen, nur bis zur Nase einsinken und darum durch Zurücklegen des Kopfes leicht im Stande sein, Mund und Nase über dem Wasser zu erhalten, wenn sie nicht in besinnungsloser Angst gewöhnlich selbst ihre Rettung dadurch vereitelten, daß sie die Arme über das Wasser emporstrecken und so den Kopf zwingen, zur Wiederherstellung des Gleichgewichts unterzutauchen.
161. Warum können die Fische sich nach Belieben im Wasser auf- und abwärts bewegen?
Weil sie im Innern ihres Leibes eine lufterfüllte Schwimmblase haben, welche sie durch eine Rippenbewegung willkürlich zusammendrücken oder erweitern können. Durch Zusammendrücken der Schwimmblase erlangen sie aber ein größeres specifisches Gewicht und bewegen sich darum abwärts. Durch Erweiterung der Schwimmblase werden sie specifisch leichter und bewegen sich deshalb aufwärts. Die Flossen des Fisches unterstützen diese Bewegung noch, indem sie mit ihren breiten Flächen den Fisch gleichsam nach oben oder unten oder seitwärts fortschnellen.