Kann man mit Luft im Bauch tauchen?


Johannes Mayer

"Es ist immer wieder schön, wenn ich Schülerinnen und Schülern Alltagsphänomene physikalisch erklären kann. So auch die Frage nach dem 'Tauchen mit Luft im Bauch'."

Wir alle kennen aus unserem Schwimmunterricht das Nach-dem-Ring-Tauchen. Dabei müssen wir vom Beckenboden einen Gummiring greifen und diesen mit an die Wasseroberfläche bringen. Doch wie machen wir das eigentlich?

Ein U-Boot lässt Luft aus seinen Tanks, um zu sinken. Doch wir lassen nie die ganze Luft aus unseren Lungen, denn dann würden wir einatmen müssen, was unter Wasser durchaus ein Problem darstellt. Trotzdem können wir ja tauchen, auch ohne Geräte z.B. einer Pressluftflasche. Wir alle haben das schon mal im Pool im Urlaub oder in der Schwimmhalle ausprobiert. Aber einfach untergehen tun wir nicht. Wir müssen uns aktiv bemühen, quasi „abstrampeln“, um uns nach unten zu bringen und den Ring unter Wasser zu erreichen. Nur so können wir mit Luft im Bauch bzw. der Lunge tauchen.

Die meisten Fische haben tatsächlich Luft im Bauch (in ihrer Schwimmblase), müssen sich aber im Wasser nicht „abstrampeln“.   Wieso haben denn Fische kein Problem mit der Luft im Bauch zu tauchen?

Um uns dem Problem des Tauchens mit Luft im Bauch zu nähern, müssen wir uns zunächst klarmachen, welche Kräfte auf einen Körper im Wasser wirken. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um zwei Kräfte, die wir uns näher ansehen wollen. Zum Ersten: die Gewichtskraft. Sie ist die Kraft, mit der alles auf der Erde zum Erdmittelpunkt gezogen wird. Mathematisch betrachtet, ist die Gewichtskraft das Produkt aus der Masse eines Körpers und dem Ortsfaktor. Zum Zweiten: die Auftriebskraft. Sie ist die Kraft, die alle Körper in Wasser oder Luft „leichter“ macht. Sie wirkt also der Gewichtskraft entgegen. In unserer Betrachtung benötigen wir die statische Auftriebskraft. Sie ergibt sich aus dem Volumen eines Körpers, der Dichte des Mediums, in dem sich der Körper befindet (Wasser) und dem Ortsfaktor.

Wenn sich ein Fisch nun im Wasser und in einer bestimmten gleichbleibenden Tiefe befindet, so gleichen sich die Gewichts- und Auftriebskraft genau aus. Wir nennen diesen Zustand Schweben (auch wenn oft umgangssprachlich von Schwimmen die Rede ist).
Wenn die Gewichtskraft größer ist als die Auftriebskraft, so wird der Fisch zum Meeresgrund (Erdmittelpunkt) gezogen, er sinkt also. Ist die Auftriebskraft aber größer als die Gewichtskraft, dann steigt der Körper auf. Im Falle des Fisches würde dieser dann auftauchen.

Doch wie kann der Fisch diese Kräfte vergrößern oder verkleinern?
Der Fisch erreicht dies, indem er seine Schwimmblase nutzt. Die Schwimmblase ist ein Organ des Fisches, das im Grunde genommen eine umhüllte Luftblase ist. Diese Luftblase kann kleiner oder größer gemacht werden. Um zu verstehen, warum ein Fisch die Schwimmblase und damit sein Volumen kleiner oder größer macht, müssen wir uns noch eine letzte Größe anschauen: die Dichte.
Die Dichte eines Körpers ist abhängig von seiner Masse und seinem Volumen. Wenn das Volumen bei gleicher Masse kleiner wird, dann wird die Dichte größer und umgekehrt. Ein weiterer Zusammenhang besteht zwischen der Dichte und dem Schweben, Sinken und Auftauchen. Wenn die Dichte eines Körpers, zum Beispiel eines Fisches, größer ist als die des Wassers, dann sinkt der Fisch. Wenn die Dichte kleiner ist als die des Wassers, dann taucht er auf und ist sie gleich groß, dann schwebt der Fisch im Wasser.
Wenn ein Fisch nun im Wasser schwimmt und über sich eine Mücke an der Wasseroberfläche sieht, die er fressen will, dann vergrößert der Fisch seine Schwimmblase, verringert dadurch seine Dichte und steigt aus der Tiefe an die Oberfläche auf. Umgekehrt sieht ein anderer Fisch eine schmackhafte Muschel, dann verkleinert er seine Schwimmblase senkt so seine Dichte und taucht zu ihr hinab.

Aber wie machen das die Fische?
Es gibt zwei Arten von Techniken, die Fische nutzen um das Volumen ihrer Schwimmblase zu erhöhen oder zu verkleinern. Fische, die zu den sogenannten Physoclisten gehören, verfügen über eine abgeschlossene Schwimmblase. An der Schwimmblase setzen Muskeln an, die an- oder entspannt werden können. Spannen die Fische diese Muskeln an, so wird die Schwimmblase zusammengedrückt, die Luft komprimiert und das Volumen sinkt. Beim Entspannen der Muskeln kann sich die Schwimmblase ausdehnen und das Volumen steigt. Fische, die zu den sogenannten Physostomen gehören, haben keine abgeschlossene Schwimmblase. Diese Fische schlucken Luft, die dann über eine Art Ventil vom Darm in die Schwimmblase gelangt. Will der Fisch abtauchen, lässt er die Luft einfach aus der Schwimmblase über den Darm entweichen. Will der Fisch nun wieder auftauchen, so filtert er die im Wasser vorhandene Luft über seine Kiemen heraus und drückt diese dann wieder über den Darm in die Schwimmblase.

Es gibt aber auch Fische, zum Beispiel Haie, die über keine Schwimmblase verfügen. Auch Wale haben keine Schwimmblase, sie sind Säugetiere und müssen, wie wir Menschen, die Luft unter Wasser anhalten. Diese Tiere müssen, um ab- oder aufzutauchen, passende Bewegungen mit ihren Flossen machen. Sie können ihre Dichte nicht ändern, sondern bewegen sich mit Hilfe ihrer Flossen aktiv in die Tiefe oder eben zur Wasseroberfläche. Haie haben außerdem übermäßig große Lebern, die zum großen Teil aus Fett bestehen, was ihnen das Auftauchen erleichtert, da Fett eine geringere Dichte als Wasser hat und so für viel Auftrieb sorgt.

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Quellen:

  1. Artikel "Die Schwimmblase: Struktur und Funktion". Von: Ulrich Kattmann. In: friedrich-verlag.de/biologie. (Abgerufen: 22. Februar 2021, 22:00 UTC).
  2. Artikel "Was macht eine Schwimmblase?"[. In: Wissen macht Ah! Bibliothek auf wdr.de. (Abgerufen: 22. Februar 2021, 22:00 UTC).
  3. Seite "Schwimmblase". In: Bio-Lexikon auf biologie-seite.de. (Abgerufen: 22. Februar 2021, 22:00 UTC).
  4. Seite "Schwimmen wie ein Fisch". In: Druck und Auftrieb auf LEIFIphysik. (Abgerufen: 22. Februar 2021, 22:00 UTC).

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