Druck

KONZEPT

Druck ist das Verhältnis von Kraft zu der Oberfläche, über die er ausgeübt wird. Obwohl Feststoffe Druck ausüben, betreffen die interessantesten Beispiele für Druck Flüssigkeiten – dh Gase und Flüssigkeiten — und insbesondere Wasser und Luft. Druck spielt im täglichen Leben eine Reihe wichtiger Rollen, darunter seine Funktion beim Betrieb von Pumpen und hydraulischen Pressen. Die Aufrechterhaltung des normalen Luftdrucks ist für die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden unerlässlich: der Körper ist perfekt für den normalen Druck der Atmosphäre geeignet, und wenn dieser Druck signifikant verändert wird, kann eine Person schädliche oder sogar tödliche Nebenwirkungen erfahren.

FUNKTIONSWEISE

Kraft und Oberfläche

Wenn eine Kraft senkrecht auf eine Oberfläche ausgeübt wird, übt sie Druck auf diese Oberfläche aus, der dem Verhältnis von F zu A entspricht, wobei F die Kraft und A die Oberfläche ist. Daher lautet die Formel für Druck (p) p = F / A. Eine interessante Konsequenz dieses Verhältnisses ist die Tatsache, dass der Druck ohne Kraftänderung zunehmen oder abnehmen kann — mit anderen Worten, wenn die Oberfläche kleiner wird, wird der Druck größer und umgekehrt.

Wenn eine Cheerleaderin eine andere Cheerleaderin auf ihren Schultern halten würde, wobei das Mädchen oben auf den Schulterblättern des Mädchens unten stehen würde, würden die Füße des oberen Mädchens einen gewissen Druck auf die Schultern des unteren Mädchens ausüben. Dieser Druck wäre gleich dem Gewicht des oberen Mädchens (F, das in diesem Fall ihre Masse multipliziert mit der Abwärtsbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist) geteilt durch die Oberfläche ihrer Füße. Angenommen, das obere Mädchen führt eine herausfordernde akrobatische Bewegung aus und bringt ihren linken Fuß an ihr rechtes Knie, so dass ihr rechter Fuß allein die volle Kraft ihres Gewichts ausübt. Jetzt ist die Fläche, auf die die Kraft ausgeübt wird, auf die Hälfte reduziert worden, und somit ist der Druck auf die Schulter des unteren Mädchens doppelt so groß.

Aus dem gleichen Grund — das heißt, dass die Verringerung der Oberfläche den Nettodruck erhöht — ist ein gut gelieferter Karate-Chop viel effektiver als eine offene Ohrfeige. Wenn man ein Brett direkt mit der Handfläche schlagen würde, wäre das einzige wahrscheinliche Ergebnis ein starker stechender Schmerz an der Hand. Aber wenn man stattdessen einen Schlag auf das Brett gab, mit der Hand senkrecht gehalten – vorausgesetzt natürlich, man wäre ein Karate-Experte -, könnte das Brett in zwei Teile geteilt werden. Im ersten Fall ist der Bereich der Kraftausübung groß und der Nettodruck auf das Brett relativ klein, während im Falle des Karate—Chops die Oberfläche viel kleiner ist – und daher der Druck viel größer ist.

Manchmal ist eine größere Oberfläche vorzuziehen. So sind Schneeschuhe viel effektiver für das Gehen im Schnee als gewöhnliche Schuhe oder Stiefel. Gewöhnliches Schuhwerk ist nicht viel größer als die Oberfläche des Fußes, perfekt geeignet für das Gehen auf Pflaster oder Gras. Bei Tiefschnee erhöht diese relativ kleine Oberfläche jedoch den Druck auf den Schnee und lässt die Füße sinken. Der Schneeschuh, weil er eine Oberfläche hat, die bedeutend größer ist als die eines normalen Schuhs, reduziert das Verhältnis von Kraft zu Oberfläche und senkt daher den Nettodruck.

Das gleiche Prinzip gilt für Schnee- und Wasserski. Wie ein Schneeschuh ermöglicht ein Ski dem Skifahrer, auf der Oberfläche des Schnees zu bleiben, aber im Gegensatz zu einem Schneeschuh ist ein Ski lang und dünn, so dass der Skifahrer effektiver einen schneebedeckten Hügel hinuntergleiten kann. Wie beim Skifahren auf dem Wasser können Menschen, die Erfahrung in diesem Sport haben, barfuß Ski fahren, aber es ist schwierig. Die meisten Anfänger benötigen Wasserski, die den Nettodruck, den das Gewicht des Skifahrers auf die Wasseroberfläche ausübt, erneut reduzieren.

Messdruck

Der Druck wird durch eine Reihe von Einheiten in den englischen und metrischen—oder, wie es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft genannt wird, SI—Systemen gemessen. Da p = F / A ist, stellen alle Druckeinheiten ein gewisses Verhältnis von Kraft zu Oberfläche dar. Die prinzipielle SI-Einheit wird Pascal (Pa) oder 1 N / m2 genannt. Ein Newton (N), die SI-Krafteinheit, ist gleich der Kraft, die erforderlich ist, um 1 Kilogramm Masse mit einer Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde im Quadrat zu beschleunigen. Somit ist ein Pascal gleich dem Druck von 1 Newton über eine Fläche von 1 Quadratmeter.

Im englischen oder britischen System wird der Druck in Pfund pro Quadratzoll gemessen, abgekürzt als lbs./in2. Dies entspricht 6,89 · 103 Pa oder 6.890 Pa. Wissenschaftler — selbst in den Vereinigten Staaten, wo das britische Einheitensystem vorherrscht – bevorzugen die Verwendung von SI-Einheiten. Die britische Druckeinheit ist jedoch ein vertrauter Teil des täglichen Lebens eines amerikanischen Fahrers, da der Reifendruck in den USA normalerweise in Pfund pro Quadratzoll berechnet wird. (Der empfohlene Reifendruck für ein mittelgroßes Auto beträgt typischerweise 30-35 lb / in2.)

Ein weiteres wichtiges Maß für den Druck ist die Atmosphäre (atm), die der durchschnittliche Druck von Luft auf Meereshöhe ausgeübt. In englischen Einheiten entspricht dies 14,7 lbs./ in2 und in SI-Einheiten auf 1,013 · 105 Pa — also 101.300 Pa. Es gibt auch zwei andere spezialisierte Einheiten der Druckmessung im SI-System: die Bar, gleich 105 Pa, und der Torr, gleich 133 Pa. Meteorologen, Wissenschaftler, die Wettermuster studieren, verwenden den Millibar (mb), der, wie der Name schon sagt, 0,001 Balken entspricht. Auf Meereshöhe beträgt der atmosphärische Druck ungefähr 1.013 mb.

DAS BAROMETER.

Der Torr, einst als „Millimeter Quecksilber“ bekannt, entspricht dem Druck, der erforderlich ist, um eine Quecksilbersäule (chemisches Symbol Hg) um 1 mm anzuheben. Es ist nach dem italienischen Physiker Evangelista Torricelli (1608-1647) benannt, der das Barometer erfand, ein Instrument zur Messung des atmosphärischen Drucks.

Das 1643 von Torricelli konstruierte Barometer bestand aus einem langen Glasrohr, das mit Quecksilber gefüllt war. Das Rohr war an einem Ende offen, und auf den Kopf gestellt in eine Schale mit mehr Quecksilber: daher, das offene Ende wurde in Quecksilber getaucht, während das geschlossene Ende an der Spitze ein Vakuum gebildet—das ist, ein Bereich, in dem der Druck viel niedriger als 1 atm.

Der Druck der Umgebungsluft drückte auf die Oberfläche des Quecksilbers in der Schüssel, während das Vakuum an der Oberseite des Rohrs einen Bereich praktisch ohne Druck bereitstellte, in den das Quecksilber aufsteigen konnte. Somit stellte die Höhe, auf die das Quecksilber in der Glasröhre stieg, den normalen Luftdruck dar (dh 1 atm.) Torricelli entdeckte, dass bei normalem Atmosphärendruck die Quecksilbersäule auf 760 Millimeter anstieg.Der Wert von 1 atm wurde somit als gleich dem Druck ermittelt, der auf eine 760 mm hohe Quecksilbersäule bei einer Temperatur von 0 ° C (32 ° F) ausgeübt wurde. Darüber hinaus wurde Torricellis Erfindung schließlich zu einem festen Bestandteil sowohl der wissenschaftlichen Laboratorien als auch der Haushalte. Da sich Änderungen des atmosphärischen Drucks auf das Wetter auswirken, enthalten viele Heim-Indoor-Outdoor-Thermometer heute auch ein Barometer.

Druck und Fluide

Physikalisch werden sowohl Gase als auch Flüssigkeiten als Fluide bezeichnet — also Substanzen, die der Form ihres Behälters entsprechen. Luftdruck und Wasserdruck sind somit spezifische Themen unter der größeren Überschrift „Flüssigkeitsdruck.“ Eine Flüssigkeit reagiert auf Druck ganz anders als ein Feststoff. Die Dichte eines Feststoffs macht ihn widerstandsfähig gegen kleine Druckanwendungen, aber wenn der Druck ansteigt, erfährt er Spannung und letztendlich Verformung. Im Falle einer Flüssigkeit bewirkt die Spannung jedoch, dass sie fließt, anstatt sich zu verformen.

Es gibt drei wesentliche Merkmale des Drucks, den ein Behälter auf Flüssigkeiten ausübt. Erstens übt ein Fluid in einem Behälter, das keine äußere Bewegung erfährt, eine Kraft senkrecht zu den Wänden des Behälters aus. Ebenso üben die Behälterwände eine Kraft auf das Fluid aus, und in beiden Fällen ist die Kraft immer senkrecht zu den Wänden.

In jeder dieser drei Eigenschaften wird angenommen, dass der Behälter endlich ist: mit anderen Worten, die Flüssigkeit kann nirgendwo anders hingehen. Daher die zweite Aussage: Der auf das Fluid ausgeübte Außendruck wird gleichmäßig übertragen. Beachten Sie, dass die vorhergehende Aussage durch den Begriff „extern“ qualifiziert wurde: Die Flüssigkeit selbst übt Druck aus, dessen Kraftkomponente gleich ihrem Gewicht ist. Daher hat die Flüssigkeit auf der Unterseite aufgrund des Gewichts der Flüssigkeit darüber einen viel größeren Druck als die Flüssigkeit auf der Oberseite.

Drittens ist der Druck auf jeder kleinen Oberfläche des Fluids gleich, unabhängig von der Ausrichtung dieser Oberfläche. Mit anderen Worten erfährt ein Fluidbereich senkrecht zu den Behälterwänden den gleichen Druck wie einer parallel oder in einem Winkel zu den Wänden. Dies scheint dem ersten Prinzip zu widersprechen, dass die Kraft senkrecht zu den Wänden des Behälters ist. Tatsächlich ist Kraft eine Vektorgröße, was bedeutet, dass sie sowohl Größe als auch Richtung hat, während Druck ein Skalar ist, was bedeutet, dass er Größe, aber keine spezifische Richtung hat.

REALE ANWENDUNGEN

Pascal-Prinzip und die hydraulische Presse

Die drei oben beschriebenen Eigenschaften des Flüssigkeitsdrucks haben eine Reihe von Implikationen und Anwendungen, darunter das sogenannte Pascal-Prinzip. Wie die SI-Druckeinheit ist Pascals Prinzip nach Blaise Pascal (1623-1662) benannt, einem französischen Mathematiker und Physiker, der die zweite der drei Aussagen formulierte: Dass der auf eine Flüssigkeit ausgeübte äußere Druck gleichmäßig auf den gesamten Körper dieser Flüssigkeit übertragen wird. Pascals Prinzip wurde zur Grundlage für eine der wichtigsten Maschinen, die jemals entwickelt wurden, die hydraulische Presse.Eine einfache hydraulische Presse der Sorte, die verwendet wird, um ein Auto in einer Autowerkstatt anzuheben, besteht typischerweise aus zwei großen Zylindern nebeneinander. Jeder Zylinder enthält einen Kolben, und die Zylinder werden an der Unterseite durch einen Kanal angeschlossen, der Flüssigkeit enthält. Ventile steuern den Durchfluss zwischen den beiden Zylindern. Wenn man Kraft ausübt, indem man den Kolben in einem Zylinder (dem Eingangszylinder) nach unten drückt, ergibt sich ein gleichmäßiger Druck, der den Ausstoß im zweiten Zylinder bewirkt und einen Kolben hochdrückt, der das Auto anhebt.

Nach dem Pascalschen Prinzip ist der Druck in der gesamten hydraulischen Presse gleich und entspricht immer dem Verhältnis zwischen Kraft und Druck. Solange dieses Verhältnis gleich ist, können die Werte von F und A variieren. Im Falle eines Wagenhebers in einer Werkstatt hat der Eingangszylinder eine relativ kleine Oberfläche, und somit ist auch die aufzubringende Kraft relativ gering. Der Ausgangszylinder hat eine relativ große Oberfläche und übt daher eine relativ große Kraft aus, um das Auto anzuheben. Dies, kombiniert mit dem Höhenunterschied zwischen den beiden Zylindern (diskutiert im Zusammenhang mit mechanischem Vorteil an anderer Stelle in diesem Buch), ermöglicht es, ein schweres Automobil mit einem relativ geringen Aufwand zu heben.

DER HYDRAULISCHE STÖßEL.

Der Wagenheber ist ein einfaches Modell der hydraulischen Presse in Betrieb, aber tatsächlich hat Pascals Prinzip viel mehr Anwendungen. Dazu gehört der hydraulische Stößel, der in Maschinen verwendet wird, die von Bulldozern bis zu hydraulischen Aufzügen reichen, die von Feuerwehrleuten und Versorgungsarbeitern verwendet werden, um Höhen zu erreichen. In einem hydraulischen Stößel sind jedoch die Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangszylinder von denen eines Wagenhebers umgekehrt.

Der Eingangszylinder, der Geberzylinder genannt, hat eine große Oberfläche, während der Ausgangszylinder (der Nehmerzylinder genannt) eine kleine Oberfläche hat. Darüber hinaus — obwohl dies wiederum ein Faktor ist, der eher mit dem mechanischen Vorteil als mit dem Druck an sich zusammenhängt – ist der Hauptzylinder kurz, während der Nehmerzylinder hoch ist. Aufgrund der größeren Oberfläche des Geberzylinders im Vergleich zu der des Nehmerzylinders wird der hydraulische Stößel hinsichtlich des mechanischen Vorteils nicht als effizient angesehen: mit anderen Worten, der Krafteintrag ist viel größer als der Kraftausstoß.

Nichtsdestotrotz eignet sich der hydraulische Stößel für seinen Zweck genauso gut wie ein Wagenheber. Während der Wagenheber zum Anheben eines schweren Automobils über eine kurze vertikale Strecke ausgelegt ist, befördert der Hydraulikstempel eine viel leichtere Ladung (normalerweise nur eine Person) durch eine viel größere vertikale Reichweite — zum Beispiel zur Spitze eines Baumes oder Gebäudes.

Druckunterschiede ausnutzen

PUMPEN.

Eine Pumpe verwendet das Pascalsche Prinzip, aber anstatt Flüssigkeit in einem einzigen Behälter zu halten, lässt eine Pumpe die Flüssigkeit entweichen. Insbesondere verwendet die Pumpe eine Druckdifferenz, wodurch sich das Fluid von einem Bereich mit höherem Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck bewegt. Ein sehr einfaches Beispiel dafür ist ein Siphonschlauch, mit dem Erdöl aus dem Gastank eines Autos gezogen wird. Das Ansaugen an einem Ende des Schlauches erzeugt einen Bereich mit niedrigem Druck im Vergleich zu dem relativ Hochdruckbereich des Gastanks. Schließlich kommt das Benzin aus dem Niederdruckende des Schlauches. (Und mit etwas Glück kann die Person, die absaugt, dies antizipieren, so dass sie keinen Schluck Benzin bekommt!)

Die komplexere, aber immer noch recht einfache Kolbenpumpe besteht aus einem vertikalen Zylinder, entlang dem ein Kolben steigt und fällt. In der Nähe des Bodens des Zylinders befinden sich zwei Ventile, ein Einlassventil, durch das Flüssigkeit in den Zylinder fließt, und ein Auslassventil, durch das Flüssigkeit aus ihm herausströmt. Wenn sich der Kolben beim Saughub nach oben bewegt, öffnet sich das Einlassventil und lässt Flüssigkeit in den Zylinder gelangen. Beim Abwärtshub schließt das Einlassventil, während das Auslassventil öffnet, und der Druck, den der Kolben auf das Fluid ausübt, zwingt es durch das Auslassventil.

Eine der offensichtlichsten Anwendungen der Kolbenpumpe ist der Motor eines Automobils. In diesem Fall ist das zu pumpende Fluid natürlich Benzin, das die Kolben durch eine Reihe kontrollierter Explosionen drückt, die durch die Zündung des Gases durch die Zündkerze erzeugt werden. In einer anderen Art von Kolbenpumpe – der Art, die zum Aufblasen eines Basketballs oder eines Fahrradreifens verwendet wird – ist Luft die Flüssigkeit, die gepumpt wird. Es kann auch verwendet werden, um wünschenswertes Wasser aus einem Bereich zu entfernen, in dem es hinderlich ist, zum Beispiel, im Boden eines Bootes.

BERNOULLIS PRINZIP.

Obwohl Pascal wertvolle Erkenntnisse über die Verwendung von Druck zur Ausführung von Arbeiten lieferte, war der Schweizer Mathematiker und Physiker Daniel Bernoulli (1700-1782) der Denker, der zuerst allgemeine Prinzipien bezüglich der Beziehung zwischen Flüssigkeiten und Druck formulierte. Bernoulli gilt als der Vater der Strömungsmechanik, der Untersuchung des Verhaltens von Gasen und Flüssigkeiten in Ruhe und in Bewegung.

Bei Experimenten mit Flüssigkeiten beobachtete Bernoulli, dass das Wasser schneller fließt, wenn der Durchmesser eines Rohrs verringert wird. Dies deutete ihm an, dass eine Kraft auf das Wasser wirken müsse, eine Kraft, die seiner Meinung nach aus Druckunterschieden resultieren müsse. Insbesondere hatte das sich langsamer bewegende Fluid in dem breiteren Bereich des Rohrs einen größeren Druck als der Teil des Fluids, der sich durch den schmaleren Teil des Rohrs bewegte. Als Ergebnis kam er zu dem Schluss, dass Druck und Geschwindigkeit umgekehrt zusammenhängen — mit anderen Worten, wenn einer zunimmt, nimmt der andere ab.Daher formulierte er das Bernoulli-Prinzip, das besagt, dass für alle Bewegungsänderungen die Summe von statischem und dynamischem Druck in einer Flüssigkeit gleich bleibt. Eine ruhende Flüssigkeit übt statischen Druck aus, was allgemein mit „Druck“ gemeint ist,“Wie in „Wasserdruck.“ Wenn sich das Fluid jedoch zu bewegen beginnt, wird ein Teil des statischen Drucks — proportional zur Geschwindigkeit des Fluids — in den sogenannten dynamischen Druck oder den Bewegungsdruck umgewandelt. In einem zylindrischen Rohr wird statischer Druck senkrecht zur Oberfläche des Behälters ausgeübt, während dynamischer Druck parallel dazu ist.

Nach dem Bernoulli-Prinzip gilt: Je größer die Strömungsgeschwindigkeit in einem Fluid ist, desto größer ist der dynamische Druck und desto geringer ist der statische Druck: mit anderen Worten, langsamer bewegende Flüssigkeit übt einen größeren Druck aus als schneller bewegende Flüssigkeit. Die Entdeckung dieses Prinzips ermöglichte schließlich die Entwicklung des Flugzeugs.Wenn sich Flüssigkeit von einem breiteren Rohr zu einem schmaleren bewegt, ändert sich das Volumen dieser Flüssigkeit, die sich in einem bestimmten Zeitraum um eine bestimmte Strecke bewegt, nicht. Da jedoch die Breite des schmaleren Rohrs kleiner ist, muss sich das Fluid schneller bewegen (dh mit größerem dynamischem Druck), um dieselbe Flüssigkeitsmenge in derselben Zeit über dieselbe Strecke zu bewegen. Eine Möglichkeit, dies zu veranschaulichen, besteht darin, das Verhalten eines Flusses zu beobachten: In einer breiten, uneingeschränkten Region fließt er langsam, aber wenn sein Fluss durch Schluchtwände verengt wird, beschleunigt er sich dramatisch.

Bernoullis Prinzip wurde schließlich zur Grundlage für das Tragflächenprofil, das Design des Flügels eines Flugzeugs vom Ende aus gesehen. Ein Schaufelblatt hat die Form einer asymmetrischen Träne, die auf die Seite gelegt wird, mit dem „fetten“ Ende zum Luftstrom hin. Wenn Luft auf die Vorderseite des Profils trifft, teilt sich der Luftstrom, wobei ein Teil davon über den Flügel und ein Teil darunter verläuft. Die Oberseite des Profils ist jedoch gekrümmt, während die Unterseite viel gerader ist.

Dadurch hat die oben strömende Luft einen größeren Abstand zurückzulegen als die unter dem Flügel strömende Luft. Da Flüssigkeiten dazu neigen, alle Objekte zu kompensieren, mit denen sie in Kontakt kommen, strömt die Luft oben schneller, um auf Luft unten am hinteren Ende des Flügels zu treffen. Ein schnellerer Luftstrom, wie von Bernoulli gezeigt, zeigt einen niedrigeren Druck an, was bedeutet, dass der Druck auf den Boden des Flügels das Flugzeug in der Luft hält.

Auftrieb und Druck

Einhundertzwanzig Jahre vor dem ersten erfolgreichen Flug der Gebrüder Wright im Jahr 1903 entwickelte ein weiteres Brüderpaar — die französischen Mont-Golfiers — ein weiteres Flugmittel. Dies war der Ballon, der sich auf ein völlig anderes Prinzip stützte, um vom Boden abzuheben: Auftrieb oder die Tendenz eines in eine Flüssigkeit eingetauchten Objekts zu schweben. Wie beim Bernoulli-Prinzip hängt das Konzept des Auftriebs jedoch mit dem Druck zusammen.Im dritten Jahrhundert v. Chr. wurde der griechische Mathematiker, Physiker und Erfinder Archimedes (ca. 287-212 v. Chr.) entdeckte, was als Archimedisches Prinzip bekannt wurde, das besagt, dass die Auftriebskraft eines in Flüssigkeit eingetauchten Objekts gleich dem Gewicht der vom Objekt verdrängten Flüssigkeit ist. Dies ist der Grund, warum Schiffe schwimmen: weil die Auftriebskraft oder Hebekraft weniger als gleich dem Gewicht des Wassers ist, das sie verdrängen.

Der Rumpf eines Schiffes ist so konstruiert, dass er eine Wassermenge verdrängt oder bewegt, deren Gewicht größer ist als das des Schiffes selbst. Das Gewicht des verdrängten Wassers – dh seine Masse multipliziert mit der durch die Schwerkraft verursachten Abwärtsbeschleunigung — entspricht der Auftriebskraft, die der Ozean auf das Schiff ausübt. Wenn das Schiff weniger wiegt als das Wasser, das es verdrängt, wird es schwimmen; aber wenn es mehr wiegt, wird es sinken.

Die am Archimedischen Prinzip beteiligten Faktoren hängen eher von Dichte, Schwerkraft und Tiefe als von Druck ab. Je größer jedoch die Tiefe innerhalb eines Fluids ist, desto größer ist der Druck, der gegen ein in das Fluid eingetauchtes Objekt drückt. Darüber hinaus hängt der Gesamtdruck in einer bestimmten Tiefe in einer Flüssigkeit teilweise sowohl mit der Dichte als auch mit der Schwerkraft zusammen, Komponenten der Auftriebskraft.

DRUCK UND TIEFE.

Der Druck, den eine Flüssigkeit auf den Boden ihres Behälters ausübt, ist gleich dgh, wobei d die Dichte, g die Erdbeschleunigung und h die Tiefe des Behälters ist. Für jeden Teil der Flüssigkeit ist h gleich seiner Tiefe innerhalb des Behälters, was bedeutet, dassJe tiefer man geht, desto größer ist der Druck. Darüber hinaus ist der Gesamtdruck innerhalb des Fluids gleich dgh + p extern, wobei p extern der Druck ist, der auf die Oberfläche des Fluids ausgeübt wird. In einer Kolben-Zylinder-Baugruppe kommt dieser Druck vom Kolben, aber in Wasser kommt der Druck von der Atmosphäre.

In diesem Zusammenhang kann der Ozean als eine Art „Container“ betrachtet werden.“ An seiner Oberfläche übt die Luft einen Abwärtsdruck von 1 atm aus. Die Dichte des Wassers selbst ist gleichmäßig, ebenso wie die Abwärtsbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft; Die einzige Variable ist dann h oder der Abstand unter der Oberfläche. An den tiefsten Stellen des Ozeans ist der Druck unglaublich groß – weit mehr, als jeder Mensch ertragen könnte. Diese enorme Menge an Druck drückt nach oben und widersteht dem Abwärtsdruck von Objekten auf seiner Oberfläche. Wenn das Gewicht eines Bootes richtig entlang seines Rumpfes verteilt ist, maximiert das Schiff gleichzeitig die Fläche und minimiert die Kraft, wodurch ein Abwärtsdruck auf die Wasseroberfläche ausgeübt wird, der geringer ist als der Aufwärtsdruck des Wassers selbst. Daher schwimmt es.

Druck und der menschliche Körper

LUFTDRUCK.

Die Montgolfiers benutzten das Prinzip des Auftriebs nicht, um auf dem Wasser zu schweben, sondern um mit einem Fahrzeug, das leichter als Luft ist, am Himmel zu schweben. Die Einzelheiten dieser Leistung werden an anderer Stelle im Zusammenhang mit dem Auftrieb diskutiert; Aber das Thema leichter als Luftflug schlägt ein anderes Konzept vor, auf das in diesem Aufsatz mehrmals hingewiesen wurde: Luftdruck.

So wie der Wasserdruck am Meeresboden am größten ist, ist der Luftdruck an der Erdoberfläche am größten — die sich tatsächlich am Boden eines „Ozeans“ aus Luft befindet. Sowohl der Luft— als auch der Wasserdruck sind Beispiele für den hydrostatischen Druck – den Druck, der an einer beliebigen Stelle in einem Flüssigkeitskörper aufgrund des Gewichts der Flüssigkeit darüber herrscht. Im Falle des Luftdrucks wird Luft durch die Erdgravitationskraft nach unten gezogen, und Luft entlang der Oberfläche hat aufgrund des Gewichts (eine Funktion der Schwerkraft) der darüber liegenden Luft einen größeren Druck. In großen Höhen über der Erdoberfläche wird jedoch die Gravitationskraft verringert, und somit ist der Luftdruck viel kleiner.

In der gewöhnlichen Erfahrung ist der Körper einer Person einem beeindruckenden Druck ausgesetzt. Angesichts des zuvor diskutierten Wertes des atmosphärischen Drucks beträgt die Kraft der darauf ruhenden Luft fast 300 lb (136 kg), wenn man die Hand ausstreckt — unter der Annahme, dass die Oberfläche etwa 0,129 m2 (20 in) beträgt)! Wie kommt es also, dass die eigene Hand nicht von all diesem Gewicht zerquetscht wird? Der Grund dafür ist, dass der menschliche Körper selbst unter Druck steht und dass das Innere des Körpers einen Druck ausübt, der dem der Luft entspricht.

DIE REAKTION AUF ÄNDERUNGEN DES LUFTDRUCKS.

Der menschliche Körper ist in der Tat für den normalen Luftdruck von 1 atm geeignet, und wenn dieser äußere Druck verändert wird, erfährt der Körper Veränderungen, die schädlich oder sogar tödlich sein können. Ein kleines Beispiel dafür ist das „Knallen“ in den Ohren, das auftritt, wenn man durch die Berge fährt oder in einem Flugzeug fährt. Mit Höhenänderungen gehen Druckänderungen einher, und somit ändert sich auch der Druck in den Ohren.

Wie bereits erwähnt, wird in höheren Lagen der Luftdruck verringert, was das Atmen erschwert. Da Luft ein Gas ist, neigen ihre Moleküle dazu, nicht attraktiv zu sein: Mit anderen Worten, wenn der Druck niedrig ist, neigen sie dazu, sich voneinander zu entfernen, und das Ergebnis ist, dass eine Person in großer Höhe Schwierigkeiten hat, genug Luft in ihre Lunge zu bekommen. Läufer, die an den Olympischen Spielen 1968 in Mexiko-Stadt, einer Stadt in den Bergen, teilnahmen, mussten in Höhenlagen trainieren, damit sie während des Wettkampfs atmen konnten. Für Baseball-Teams, die in Denver, Colorado (bekannt als „the Mile-High City“) antreten, wird dieser Nachteil beim Atmen durch die Tatsache kompensiert, dass ein niedrigerer Druck und Widerstand es einem Baseball ermöglicht, sich leichter durch die Luft zu bewegen.

Wenn eine Person in einer solchen Höhenumgebung aufgewachsen ist, gewöhnt sie sich natürlich daran, unter niedrigen Luftdruckbedingungen zu atmen. In den peruanischen Anden zum Beispiel verbringen die Menschen ihr ganzes Leben in einer Höhe, die mehr als doppelt so groß ist wie die von Denver, aber eine Person aus einem niedrig gelegenen Gebiet sollte einen solchen Ort nur nach Vorsichtsmaßnahmen besuchen. In extrem großen Höhen kann natürlich kein Mensch atmen: Daher stehen Flugzeugkabinen unter Druck. Die meisten Flugzeuge sind mit Sauerstoffmasken ausgestattet, die von der Decke fallen, wenn im Inneren der Kabine ein Druckabfall auftritt. Ohne diese Masken würden alle in der Kabine sterben.

BLUTDRUCK.

Ein weiterer Aspekt des Drucks und des menschlichen Körpers ist der Blutdruck. So wie 20/20 Vision ideal ist, empfehlen Ärzte einen Zielblutdruck von „120 über 80“ – aber was bedeutet das? Wenn der Blutdruck einer Person gemessen wird, wird eine aufblasbare Manschette auf gleicher Höhe wie das Herz um den Oberarm gewickelt. Gleichzeitig wird ein Stethoskop entlang einer Arterie im Unterarm platziert, um das Geräusch des Blutflusses zu überwachen. Die Manschette wird aufgeblasen, um den Blutfluss zu stoppen, dann der Druckwird freigegeben, bis das Blut gerade wieder zu fließen beginnt und ein gurgelndes Geräusch im Stethoskop erzeugt.

Der Druck, der erforderlich ist, um den Blutfluss zu stoppen, wird als systolischer Druck bezeichnet, der dem maximalen vom Herzen erzeugten Druck entspricht. Nachdem der Druck auf die Manschette verringert wurde, bis das Blut normal zu fließen beginnt — was sich in der Beendigung des gurgelnden Geräusches im Stethoskop widerspiegelt —, wird der Druck der Arterie erneut gemessen. Dies ist der diastolische Druck oder der Druck, der zwischen Herzschlägen in der Arterie herrscht. Für eine gesunde Person sollte der systolische Druck 120 Torr und der diastolische Druck 80 Torr betragen.

WO SIE MEHR ERFAHREN KÖNNEN

„Atmosphärendruck: Die Kraft, die durch das Gewicht der Luft ausgeübt wird“ (Website). <http://kids.earth.nasa.gov/archive/air_pressure/> (7. April 2001).

Beiser, Arthur. Physik, 5. Aufl. Reading, MA: Addison-Wesley, 1991.

„Blutdruck“ (Website). <http://www.mckinley.uiuc.edu/health-info/dis-cond/bloodpr/bloodpr.html> (7. April 2001).

Clark, John Owen Edward. Atmosphäre. New York: Gloucester Press, 1992.

Cobb, Allan B. Superwissenschaftliche Projekte über Ozeane. New York: Rosen, 2000.

„Die Physik des Unterwassertauchens: Eine Lektion“ (Website). <http://www.uncwil.edu/nurc/aquarius/lessons/pressure.html> (7. April 2001).

Provenzo, Eugene F. und Asterie Baker Provenzo. 47 Einfach zu machende klassische Experimente. Illustrationen von Peter A. Zorn, Jr. New York: Dover Publications, 1989.

„Luftdruck verstehen“ USA Today (Website). <http://www.usatoday.com/weather/wbarocx.html> (7. April 2001).

Zubrowski, Bernie. Ballons: Bauen und Experimentieren mit aufblasbaren Spielzeugen. Illustriert von Roy Doty. New York: Morrow Junior Books, 1990.

SCHLÜSSELBEGRIFFE

ATMOSPHÄRE:

Ein Maß für den Druck, abgekürzt „atm“ und gleich dem durchschnittlichen Druck, der von Luft auf Meereshöhe ausgeübt wird. In englischen Einheiten entspricht dies 14,7 Pfund pro Quadratzoll und in SI-Einheiten 101.300 Pascal.

BAROMETER:

Ein Instrument zur Messung des atmosphärischen Drucks.

AUFTRIEB:

Die Tendenz eines in einer Flüssigkeit eingetauchten Objekts zu schweben.

FLÜSSIGKEIT:

Jede Substanz, ob Gas oder Flüssigkeit, die der Form ihres Behälters entspricht.

STRÖMUNGSMECHANIK:

Die Untersuchung des Verhaltens von Gasen und Flüssigkeiten in Ruhe und in Bewegung.

HYDROSTATISCHER DRUCK:

Der Druck, der an einer beliebigen Stelle in einem Flüssigkeitskörper aufgrund des Gewichts der Flüssigkeit darüber herrscht.

PASCAL:

Das Prinzip SI oder metrisch Einheit des Drucks, abgekürzt „Pa“ und gleich 1 N/m2.

PASCAL-PRINZIP:

Eine vom französischen Mathematiker und Physiker Blaise Pascal (1623-1662) formulierte Aussage, wonach der auf eine Flüssigkeit ausgeübte äußere Druck gleichmäßig auf den gesamten Körper dieser Flüssigkeit übertragen wird.

DRUCK:

Das Verhältnis von Kraft zu Oberfläche, wenn Kraft in einer Richtung senkrecht zu dieser Oberfläche ausgeübt wird. Die Formel für Druck (p) lautet p = F / A, wobei F die Kraft und A die Oberfläche ist.