Druck, Luftdruck und Wasserdruck

Kräfte erzeugen Druck. Auch die Gewichtskraft von Luft und Wasser erzeugt gehörig Druck – aber was bedeutet das konkret für unseren Alltag? Hier erfährt man, warum manche Tiere auf großem Fuß leben und wie Schiffsschleusen funktionieren.

Arbeitsmittel

Auf die Fläche kommt es an

Viele Tiere, die im Schnee leben, haben große Pfoten. Das bringt ihnen Vorteile. Auch der Mensch macht sich dieses Prinzip zunutze – mit Schneeschuhen. Das Prinzip lautet: Je größer die Fläche, auf die eine Kraft wirkt, umso geringer die Verformung.

Schneeeule
Die dichten Federn an den Füßen der Eule vergrößern die Fläche und verhindern das Einsinken im Schnee.

Bei uns Menschen ist die Gravitation (Gewichtskraft) die Kraft, und die Standfläche ist die Fläche, die durch den Schneeschuh größer wird. Der Schnee verformt sich weniger, weil unser Gewicht auf einer größeren Fläche verteilt wird.

Ein Wanderer mit Schneeschuhen geht einen verschneiten Berg hinauf
Was bei der Schnee-Eule die Federn an den Füßen sind, sind bei uns Menschen die Schneeschuhe.

Der Druck auf den Schnee wird geringer, weil die Kraft auf einer größeren Fläche verteilt wird.

Druck ist definiert als Kraft pro Fläche:

Druck ist die Kraft pro Fläche.

Der Druck ist umso größer ...

  • je größer die Kraft ist (bei gleicher Fläche)
  • je kleiner die Fläche ist (bei gleicher Kraft)

Der Druck ist eine physikalische Größe mit einer abgeleiteten Einheit: Pascal

$$ [p] = \frac{N}{m^2} = {Pa} = \frac{1}{100\,000} bar $$

Die Einheit bar ist im Alltag aber viel gebräuchlicher als die SI-Einheit Pascal:

1 bar = der Luftdruck auf Meereshöhe oder der Druck einer Wassersäule von 10 m Höhe.

Druck auf Fläche

Masse
Fläche

Luft und Wasser machen Druck

Die Ursache des Luftdrucks ist das Gewicht der Luft. Wenn wir einen hohen Berg besteigen, gibt es über uns weniger Luft (als auf Meereshöhe), die auf uns drücken kann. Auf dem Gipfel des Mount Everest (ca. 8 850 m) drückt die Luft nur mit 0,33 bar. Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe aber nicht linear ab. Ungefähr 99 % der Luftteilchen befinden sich innerhalb von 30 km über dem Meeresspiegel. Daran sieht man, dass die Erdatmosphäre im Vergleich zum Erddurchmesser (12 800 km) eine extrem dünne Schicht ist.

Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab, aber nicht linear.

Beim Tauchen im Wasser drückt auf uns nicht nur die Luft, sondern zusätzlich auch noch das Wasser über uns. Wasser ist viel schwerer als Luft. Deshalb steigt der Druck unter Wasser mit zunehmender Tiefe sofort stark an, nämlich alle 10 m um 1 bar. Das kannst du auch spüren: Beim Untertauchen kommt es zu einem unangenehmen Druck, Stechen oder Pfeifen im Ohr, weil der Wasserdruck auf das Trommelfell drückt.

Vier Taucher im Meer
Unter Wasser steigt der Druck mit zunehmender Tiefe sofort stark an: 1 bar alle 10 m.

Gase (z. B. Luft) und Flüssigkeiten (z. B. Wasser) passen sich an jedes Gefäß an. Deshalb breitet sich auch der Druck überall gleich aus: Luft und Wasser drücken von allen Seiten gleich stark und sind nur von der Füllhöhe im Gefäß bzw. der Höhenlage abhängig.

Diese Eigenschaft von ruhenden Gasen und Flüssigkeiten wird Pascalsches Prinzip genannt.

Druck breitet sich in ruhenden Gasen und Flüssigkeiten nach allen Seiten aus und ist überall gleich groß.

Geschlossene Gefäße
Der Druck auf dem Boden der Gefäße ist gleich.

Wenn die Wasserhöhe in jedem Gefäß gleich ist, ist auch der Druck auf dem Boden der Gefäße gleich. Das sogenannte hydrostatische Paradoxon hat früher viele Forscherinnen und Forscher beschäftigt. Der Beweis dafür ist leicht erbracht, indem man die Gefäße am Boden verbindet.

Verbundene Gefäße
Wenn die Gefäße miteinander verbunden sind (kommunizierende Gefäße), ist die Wasserhöhe in allen Gefäßen gleich.

Bei verbundenen Gefäßen stellt sich derselbe Pegel ein, unabhängig von ihrer Form.

Druckmessung in verbundenen Gefäßen

Hier kannst du das Pascalsche Prinzip selbst ausprobieren. Fülle Wasser in die verschiedenen Gefäße und ziehe das Druckmessgerät auf unterschiedliche Stellen!

Diese Druckmessung wird von PhET, University of Colorado Boulder, zur Verfügung gestellt.

Bei vielen Konstruktionen macht man sich das Pascalsche Prinzip zunutze, zum Beispiel:

  • Schiffsschleusen in Flüssen
  • Schlauchwaagen
  • artesische Brunnen
Eine Schleuse für Schiffe an der Donau
Schleuse in der Donau bei Altenwörth
Artesischer Brunnen
Ein Brunnen unterhalb des Grundwasserspiegels, aus dem von selbst Wasser austritt, wird artesischer Brunnen genannt.
Schlauchwaage
Mit einer Schlauchwaage kann man über große Entfernungen bestimmen, ob das Höhenniveau gleich ist.
19. Druck, Luftdruck und Wasserdruck
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Druck, Luftdruck und Wasserdruck

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