Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers

Luftdruck – was ist das?

Die Atmosphäre der Erde besteht aus (Luft-)Schichten. Die oberen Schichten drücken dabei auf die unteren. Dies verursacht einen Druck, welcher als Luftdruck oder auch Schweredruck bezeichnet wird.

Auf einen Körper wirkt dieser Druck gleichmäßig von allen Seiten. Die Teilchen der Luft bewegen sich und beanspruchen dadurch ein bestimmtes Volumen. Dabei stoßen sie mit einer bestimmten Kraft auf die Oberfläche des Körpers.

Der hydrostatische Druck der Luft beträgt auf Meereshöhe $101\,325\,\frac{\text{N}}{\text{m}^2} = 101\,325\,\text{Pa} \approx 1\,\text{bar}$. Dieser spezielle Luftdruck wird auch als Normaldruck bezeichnet. Anschaulicher erklärt drückt die Luftsäule also über einem Quadratmeter Meeresoberfläche mit einer Kraft von $101\,325\,\text{N}$ auf diese.

Der Luftdruck der Erdatmosphäre ist nicht überall gleich. Steigt die Höhe, nimmt der Druck bzw. die Höhe der Luftsäule ab. Mit einem Barometer kann dies genau gemessen werden. Auf dem Mount Everest beträgt der Druck beispielsweise nur noch $31\,400\,\text{Pa}$.

Was ist ein Barometer?

Das Barometer spielt in der Physik eine wichtige Rolle. In diesem Text wird das Barometer auf einfache Weise erklärt. Die Definition für ein Barometer lautet:

• Ein Barometer ist ein Messgerät zum Messen des Drucks, insbesondere des Luftdrucks.

Der irische Forscher Robert Boyle führte den Namen des Barometers ein. Der Name leitet sich von den griechischen Wörtern baros, das Schwere bedeutet, und metrein, das messen bedeutet, ab. Der Druck ist gegeben durch die Formel:

$\text{Druck} = \dfrac{\text{Kraft}}{\text{Fläche}}$

Mit den Formelzeichen $p$ für Druck, $F$ für Kraft und $A$ für Fläche gilt also:

$p = \dfrac{F}{A}$

Steigt der Luftdruck, so wirkt auf einen Körper oder eine Fläche eine größere Kraft. Die Wirkung dieser Kraft kann leicht gemessen werden. Wie ein Barometer genau misst, ist je nach Typ des Barometers verschieden.

Was bedeuten die Zahlen auf dem Barometer? Diese geben den Druck in der Spanne, in der das Barometer messen kann, an. Der aktuelle Druck wird entweder durch eine Flüssigkeitssäule oder einen Zeiger oder Ähnliches angezeigt. Der Luftdruck wird dabei meist in der Einheit Hektopascal, kurz $\pu{hPa}$, angegeben.

Welche Arten von Barometern gibt es?

Wie ein Barometer aufgebaut ist, ist je nach Art verschieden. Schauen wir uns den Aufbau und die Funktion zwei verschiedener Barometer genauer an.

Ein bekanntes Beispiel für ein Barometer ist das Flüssigkeitsbarometer. Es besteht vereinfacht aus einer Wanne und einem Rohrstück. Veranschaulicht ist das Messprinzip in der folgenden Grafik.

Das Rohr ist oben luftdicht verschlossen und unten offen. In der Wanne und im unteren Bereich des Rohrs befindet sich eine Flüssigkeit. Im oberen Bereich des Rohrs herrscht ein Unterdruck, der Druck ist also deutlich geringer als der Umgebungsdruck. Über der Flüssigkeit in der Wanne befinden sich Gasteilchen der Umgebungsluft. Diese bewegen sich und erzeugen so einen Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit.

Am oberen Ende des Rohrs wirkt hingegen kaum Druck auf die Flüssigkeit. Der Luftdruck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, schiebt somit die Flüssigkeit in das Rohr und der Flüssigkeitsspiegel im Rohr steigt an. Je größer der Druck ist, desto höher steigt die Flüssigkeit. Sinkt der Druck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, wieder, so zieht die Erdanziehung die Flüssigkeit im Rohr wieder nach unten.

Am Rohrstück ist eine Skala angebracht, die so kalibriert ist, dass sie den aktuellen Luftdruck anzeigt. Wichtig ist hierbei, dass es die Umgebungsluft ist, die die Flüssigkeit in das Rohr drückt, und nicht der Unterdruck, der die Flüssigkeit in das Rohr zieht.
Häufig wird als Flüssigkeit Quecksilber genutzt. Solche Barometer nennt man Quecksilberbarometer.

Auch das Dosenbarometer wird häufig verwendet. Aufgebaut ist es meist aus einer Art Dose und einem Zeiger. In der Dose herrscht ein starker Unterdruck. Der Luftdruck drückt nun von außen gegen die Dose und verformt sie dabei. Dadurch bewegt sich der Zeiger, er zeigt auf einer Skala den aktuellen Luftdruck an. Je größer der Luftdruck ist, desto stärker wird die Dose eingedrückt. Moderne Dosenbarometer können kleinste Änderungen im Luftdruck messen.

Wozu verwendet man ein Barometer?

Um die Frage zu klären, was der Nutzen eines Barometers ist, schauen wir uns die folgenden Beispiele an:

• Barometer werden unter anderem in Flugzeugen genutzt. Sie messen sowohl den Außendruck als auch den Innendruck. Der Innendruck muss über den gesamten Flug gleich bleiben. Über den Außendruck kann die aktuelle Flughöhe ermittelt werden.
• Auch an Wetterstationen werden Barometer genutzt. Das ist wichtig für die Vorhersage und Analyse des Wetters.
• Für das Tauchen mit einem U-Boot ist die Kenntnis über den genauen Druck ebenfalls wichtig, also finden Barometer auch dort eine Anwendung.

Zusätzlich zum Video und dem Text findest du hier auf der Seite noch Arbeitsblätter und Übungen zum Thema Barometer.