Der Druck
Schlagwörter: Druck, Stempeldruck, Gasdruck, Luftdruck, Gasdruck, Manometer, Barometer, Pascale, U-Rohr-Manometer
Welchen Nutzen haben Schneeschuhe ►01? Warum legt die Feuerwehr bei Rettungen auf dem Eis Leitern oder Schläuche aus ►02? Warum ist es so schmerzhaft, wenn uns jemand mit dem Absatz eines Schuhs auf den Fuß tritt ►03?
Die Antwort liefert die physikalische Größe des Drucks.
Der Druck ρ ist die physikalische Größe, die das Verhältnis von wirkender Kraft F zur Fläche A angibt.
Je kleiner die Fläche A ist, auf die eine Kraft F wirkt, desto größer ist der Druck.
- Die Schneeschuhe vergrößern die Auflagefläche. Dadurch sinkt der Wanderer weniger in den Schnee ein.
- Die Leitern oder Rettungsschläuche vergrößern die Auflagefläche. Dadurch wird die Kraft, die auf die Eisfläche wirkt, auf eine größere Eisfläche verteilt.
- Die Absätze haben eine sehr kleine Fläche. Dadurch wirkt die Gewichtskraft auf eine sehr kleine Fläche.
In allen Fällen ändert sich die wirkende Kraft nicht. Es ändert sich nur die Fläche auf die die Kraft wirkt.
zur Formel
{\large p\,=\,\frac{F}{A}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(F\bot A)}
- Je größer die Kraft, desto größer der Druck.
- Je kleiner die Fläche, desto größer der Druck.
Die Einheit
Die Einheit des Drucks p ergibt sich aus dem Verhältnis von Kraft und Fläche:
{\large \left[ p\,=\,\frac{F}{A} \right]\,=\,\frac{1\,N}{1\,{{m}^{2}}}\,=\,1\,Pa\,\,(Pascale) }
Wenn eine Kraft von 1 N senkrecht auf eine Fläche von 1 m2 wirkt, dann entspricht das einem Druck von 1 Pa.
zur Entwicklung der Einheiten => hier
Die Einheit 1 Pa ist eine SI-Einheit. Bei der Einheit des Drucks begegnen uns aber auch noch viele ältere Einheiten.
Die Einheit 1 bar entspricht 100.000 Pa.
Bis vor einigen Jahren wurde der Luftdruck beim Wetterbericht stets in der Einheit Millibar (1 mbar) angegeben. Der Normaldruck beträgt 1013 mbar.
{\large\begin{array}{l}1\,bar\,=\,100.000\,Pa\,=\,100\,kPa\\1000\,mbar\,=100\,kPa\,=\,1000\,hPa\end{array} }
Durch die Verwendung des Einheitenpräfixes Hektor (h) können die gleichen Zahlenwerte verwendet werden.
1013 mbar = 1013 hPa
⇒ zur historischen Herkunft der Einheiten 1 bar und 1 Torr
Messgerät
Messgeräte für den Druck sind Manometer bzw. Barometer. Dabei wird der Begriff Manometer allgemein für Druckmesser genutzt. Geräte, mit denen man den Luftdruck misst, nennen wir Barometer.
Bild ►06 zeigt ein Barometer, wie es früher in vielen Wohnzimmern hing. Auf dem Barometer können wir 2 Skalen in den Einheiten 1 mmHg und 1 hPa erkennen. Am Reifendruckmesser erkennen wir die Einheiten 1 bar und 1 psi.
Aufbau Funktion der Manometer
U-Rohr Manometer
Rohr-Manometer ►08. Es besteht aus einem U-Rohr, das an einem Ende verschlossen ist.
Ändert sich der Druck (rechte Öffnung des U-Rohrs), dann ändert sich die Höhe der Flüssigkeitssäule. Der höhere Druck auf der Seite der Öffnung drückt die Flüssigkeitssäule soweit in das U-Rohr, bis sich auf beiden Seiten ein Gleichgewicht einstellt. Der Druck auf der Seite der Öffnung ist jetzt genauso groß, wie der Druck der oben eingeschlossenen Luftmenge.
Die Höhendifferenz Δh ist ein Maß für den Druck
►09 (A) In das Manometer wird bei Normaldruck eine Flüssigkeit eingefüllt. Da beide Seiten offen sind, stellt sich auf beiden Seiten des U-Rohrs die gleiche Höhe der Flüssigkeitssäule ein.
►09 (B) Das U-Rohr wird am oberen Ende luftdicht verschlossen.
►09 (C) Wenn der Druck von außen steigt, dann verschiebt sich die Flüssigkeitssäule. Die eingeschlossene Luft wird komprimiert, bis sich ein Druckgleichgewicht einstellt.
►09 (D) Wenn der Druck von außen sinkt, dann verschiebt sich die Flüssigkeitssäule. Die eingeschlossene Luft expandiert, bis sich ein Druckgleichgewicht einstellt.
Manometer mit Membran
Das Manometer mit Membran besteht im Wesentlichen aus einer Membran, die über ein Gestänge mit einem Zeiger verbunden ist. Unterhalb der Membran befindet sich das System, in dem der Druck gemessen werden soll.
Wenn sich der Druck in dem System erhöht, dann dehnt sich die Membran aus. Das Gestänge wird nach oben gedrückt. Der Zeiger bewegt sich in Uhrzeigerrichtung.
Die hier angegebene Einheit 1 bar kann auch durch die Einheit 1000 hPa ersetzt werden.
Weitere Manometer
Es gibt noch weitere Manometer Aufbauten, die werden unter folgenden Links näher beschrieben:
- Dosenbarometer
- Dehnungsmesstreifen
- Goethe-Barometer
- Wassersäulen Barometer