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Einleitung und physikalische Grundlagen

Der Druck ist eine Zustandsgröße und beschreibt wie auch das Volumen oder die Temperatur den Zustand eines physikalischen Systems. Das Formelzeichen für den Druck ist ein kleines $p$ (vom englischen "pressure"), nicht zu verwechseln mit dem großen $P$, dem Formelzeichen für die Leistung. Die Einheit des Drucks ist das Pascal (Pa). 100.000 Pascal entsprechen einem bar. Der Druck in einem System, beispielsweise in einem Autoreifen, ist überall gleich groß. Solche nicht richtungsabhängigen Größen werden skalare Größen genannt. Vektorielle Größen haben neben dem Betrag zusätzlich immer eine Richtung, in die sie zeigen. Als Beispiel sei hier die Kraft $\vec{F}$ genannt.

Der Druck beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Kraft und der Fläche $A$, auf die sie wirkt.

$p=\frac{\vec{F}}{A}$

Druck.jpg

Drückst du mit deiner Hand auf eine gefüllte offene Plastikflasche, so wirkt die Kraft deiner Muskeln auf die Fläche der Flasche, die du mit deiner Hand berührst: Du übst einen Druck auf die Flasche aus. Da dieser überall gleich ist, kann der Inhalt aus der Öffnung herausspritzen.

Das Teilchenmodell

Mithilfe des Teilchenmodells lässt sich verdeutlichen, was Druck eigentlich ist. Als Beispiel dient ein aufgeblasener Luftballon. Im Teilchenmodell werden die kleinsten Bausteine der Luft als Kugeln beschrieben, die sich im Ballon frei bewegen können. Dabei stoßen sie sich untereinander an oder prallen gegen die Ballonwand. Dabei findet ein Impulsübertrag bzw. eine Kraftwirkung von den Teilchen auf die Wand statt. Das Verhältnis der gesamten ausgeübten Kraft und der Oberfläche des Ballons ist der Druck.

Gasteilchen.jpg

Der Druck in eingeschlossenen Gasen, wie im Ballon, hängt auch von der Temperatur ab. Die Temperatur eines Gases ist die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Erhöht sich die Temperatur, so werden auch die Teilchen schneller und stoßen häufiger. Folglich steigt der Druck. Verringst du stattdessen die Gasmenge, indem du Luft entweichen lässt, so verringert sich auch der Druck, da es weniger Teilchen gibt, die stoßen können. Ebenso ist das Volumen entscheidend. Drückst du den Ballon zusammen, verkleinerst du sein Volumen. Dabei kannst du spüren, wie der Druck steigt bis der Ballon platzt.

eingeschlossenen Gasen

Schweredruck und Luftdruck

Sicher ist dir schon einmal aufgefallen, dass du einen Druck auf den Ohren spürst, wenn du tief ins Wasser tauchst. Der Grund ist, dass das Wasser aufgrund seiner Masse eine Gewichtskraft auf dein Trommelfell ausübt. Unter Wasser herrscht also ebenfalls Druck, man spricht von Schweredruck. Die Formel für den Schweredruck lautet

$p=\rho g h$.

Dabei ist $\rho=\frac{m}{V}$ die Dichte, $g$ die Erdbeschleunigung und $h$ die Höhe der Wassersäule über dir.

Auch an Land erfahren wir einen Schweredruck der Luft, den Luftdruck. Luft hat eine viel kleinere Dichte als Wasser, dafür ist die Höhe der Luftsäule viel größer. Der Luftdruck auf der Erdoberfläche beträgt etwa $1,013\,$bar. Dies entspricht dem Wasserdruck in zehn Metern Tiefe.

Manometer

Ein Manometer ist ein Messgerät zum Messen des Drucks. Wird es speziell zum Messen des Luftdrucks verwendet, so bezeichnet man es als Barometer. Ein Dosenbarometer verformt sich je nach äußerem Druck. Die Ausbeulung der Dose wird auf einen Zeiger übertragen, der den Luftdruck auf einer Skala anzeigt. Eine andere Form des Barometers ist das Flüssigkeitsbarometer. Dabei handelt es sich um ein gebogenes Röhrchen, das auf einer Seite offen und auf der anderen luftdicht verschlossen ist. Je nach Luftdruck ändert die Flüssigkeit seine Füllhöhe.

Die genaue Kenntnis des Luftdrucks dient Flugzeugen zur Bestimmung der Flughöhe. In der Meteorologie wird er zur Wettervorhersage benötigt.

Flüssigkeitsmanometer.jpg

Hydraulik

Die Tatsache, dass der Druck in einem System überall gleich groß ist, wird in der Hydraulik als Kraftwandler genutzt. So ist es möglich ein tonnenschweres Auto mit bloßer Muskelkraft anzuheben; alles was du dafür benötigst ist ein Wagenheber. Die Muskelkraft wird über den einen Hebel auf eine relativ kleine Fläche übertragen. Dadurch entsteht überall in der Hydraulikleitung ein gleich großer Druck. Auf der anderen Seite des Wagenhebers wirkt der Druck auf eine viel größere Fläche, dadurch erhöht sich auch die Kraft in gleicherweise. Ist das Verhältnis der Flächen richtig gewählt, kann die eigene Muskelkraft so sehr verstärkt werden, dass sie ausreicht einen Wagen anzuheben.

Hydraulik.jpg