Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Dichte Definition und Beispiele

Wenn man eine Münze in ein Glas Wasser wirft, sinkt die Münze. Viele würden sagen, dass die Münze schwerer ist und daher sinkt. Wird aber das Wasser im Glas und die Münze tatsächlich gewogen, wird festgestellt, dass die Münze doch leichter als das ganze Wasser im Glas ist. Noch krasser ist der Unterschied, wenn man die Münze in einen See wirft. Das ganze Wasser wiegt doch tausende von Tonnen, trotzdem sinkt die Münze.

Der Begriff des Gewichtes reicht daher nicht aus, um dieses Phänomen zu erklären. Wenn man eine 5 g schwere Münze und 5 g Wasser vergleicht, stellt man fest, dass das 5 g Wasser viel mehr Volumen hat, also viel mehr Platz einnimmt. Ein neuer Begriff ist hier notwendig, der Begriff der Dichte. Hier ist die Formel dafür:

$\rho ={m \over V}$

Diese Buchstaben stehen für die folgenden physikalischen Größen: $\rho$ (rho) steht für die Dichte, m steht für die Masse, V steht fürs Volumen.

Hier sind die Einheiten für diese physikalischen Größen:

Masse (m) wird in kg (Kilogramm), g, mg (Milligramm) usw. gemessen.
Volumen (V) wird in $m^{3}$ (Kubikmeter oder Meter hoch 3), $dm^{3}$ (Kubikdezimeter oder Dezimeter hoch 3), $cm^{3}$ (Kubikzentimeter oder Zentimeter hoch 3), $mm^{3}$ , $km^{3}$ usw. gemessen.
Dichte (ρ) wird in $kg/m^{3}$ (Kilogramm PRO Kubikmeter), $g/dm^{3}$ , $g/\ell$ , $kg/\ell$ usw. gemessen. (ein Liter $\ell$ ist ein $dm^{3}$ )

In Physik benutzen wir den genaueren Begriff „Masse“ anstatt „Gewicht“. Wenn man ein kg Heu und ein kg Eisen vergleicht, stellt man fest, dass Heu viel mehr Volumen hat. Heu hat eine geringere Dichte. Also: bei gleicher Masse ist die Dichte desto kleiner, je größer das Volumen ist.

Im Bild bleibt die Flüssigkeit mit der kleinsten Dichte oben

Wenn man ein Liter Eisen und ein Liter Wasser vergleicht, stellt man fest, dass Eisen viel schwerer ist, also mehr Masse hat. Eisen hat eine größere Dichte. Also: bei gleichem Volumen ist die Dichte desto größer, je größer die Masse ist.

Der Grund also, warum die Münze im Wasser sinkt, ist nicht weil sie schwerer ist. Der Grund liegt an der Dichte. Die Dichte der Münze (Masse PRO Volumeneinheit) ist größer als die Dichte des Wassers. Grob gesagt ist die Masse der Münze "enger verpackt" als die Masse im Wasser.^[1]^[2]

Aus dem gleichen Grund schwimmt Öl oder Holz im Wasser. Die Dichte vom Öl oder Holz ist kleiner als die des Wassers. Im Bild mit dem Glas (Flüssigkeitssäule) schwimmt oben der Stoff mit der kleinsten Dichte (Spiritus), dann Öl, Wasser und ganz unten der Stoff mit der größten Dichte (Sirup).

Man könnte fragen, wieso ein Schiff im Wasser nicht sinkt, obwohl es aus Eisen besteht. Die Antwort liegt an der mittleren Dichte. Im Schiffsrumpf gibt es viel Luft, die eine viel kleinere Dichte als Wasser hat. Die gesamte Dichte des Schiffes ist daher kleiner als die des Wassers.

Genauso kann ein Heißluftballon fliegen. Die Dichte der heißen Luft ist so klein, dass die mittlere Dichte des Luftballons kleiner als die Dichte der Luft ist. So steigt der Luftballon auf in den Himmel.

↑ Das kann man mit der Bevölkerungsdichte vergleichen. Wenn sich alle Personen einer Klasse an einen kleinen Platz versammeln, dann ist die "Bevölkerungsdichte" an diesem Platz größer, als wenn sie sich auf der ganzen Fläche verteilen. Die "Bevölkerungsdichte" zeigt uns in diesem Fall, wie eng nebeneinander die Personen sind. Je mehr "Platz" für die Personen vorhanden ist, desto weniger "eng" ist es. Je mehr Personen an einem "Platz" sind, desto "enger" wird es. Entsprechend können wir die Dichte beschreiben.
↑ Die Sprache ist relativ offen. Daher können wir theoretisch im Alltag das Wort „schwerer“ sowohl für die Masse als auch für die Dichte benutzen. Im letzteren Fall würde „schwerer“ als Synonym für „dichter“ gelten und „leichter“ als Synonym für „dünner“. In Physik wollen wir allerdings genauer sein, daher vermeiden wir die Wörter „schwer“ und „leicht“, wenn es um die Dichte geht.

[1] Das kann man mit der Bevölkerungsdichte vergleichen. Wenn sich alle Personen einer Klasse an einen kleinen Platz versammeln, dann ist die "Bevölkerungsdichte" an diesem Platz größer, als wenn sie sich auf der ganzen Fläche verteilen. Die "Bevölkerungsdichte" zeigt uns in diesem Fall, wie eng nebeneinander die Personen sind. Je mehr "Platz" für die Personen vorhanden ist, desto weniger "eng" ist es. Je mehr Personen an einem "Platz" sind, desto "enger" wird es. Entsprechend können wir die Dichte beschreiben.

[2] Die Sprache ist relativ offen. Daher können wir theoretisch im Alltag das Wort „schwerer“ sowohl für die Masse als auch für die Dichte benutzen. Im letzteren Fall würde „schwerer“ als Synonym für „dichter“ gelten und „leichter“ als Synonym für „dünner“. In Physik wollen wir allerdings genauer sein, daher vermeiden wir die Wörter „schwer“ und „leicht“, wenn es um die Dichte geht.

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