Mechanik der Flüssigkeiten

MECHANIK DER FLÜSSIGKEITEN UND GASE

SCHWEREDRUCK

Wie entsteht dieser Druck?

Dieser Druck entsteht auf Grund der Gewichtskraft der oberen Schichten auf die unteren Schichten. Denn jede Flüssigkeit erfährt infolge ihres eigenen Gewichtes einen Druck. Diesen Druck nennt man Schweredruck. Er beträgt je 10m Wassersäule 1 Atmosphäre (at) oder je 1m Wassersäule 9.81* 10³ Pascal

(Pa).

Die Zusammenhänge zwischen Schweredruck, Tiefe und Dichte der Flüssigkeiten sind recht einfach: ·Je größer die Tiefe (je höher die (Wasser-) Säule), desto größer ist der Druck, d. h. der Schweredruck wird mit zunehmender Tiefe größer.

Diese Eigenschaft kann man mit Hilfe einer einfachen Drucksonde (Bild 1) experimentell nachweisen (Bild 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Drucksonde besteht aus einer Metalldose, über die eine Membran gespannt ist. Drückt man auf die Membran, wird der Druck auf das Wasser im U- Rohr übertragen. Zwischen den beiden Wassersäulen entsteht ein Höhenunterschied. Dieser ist ein Maß für den Druck auf der Membran. Das mit Wasser gefüllte U- Rohr dient als vereinfachter Druckmesser (Manometer).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

-Je größer die Dichte der Flüssigkeit, desto größer ist der Druck, d. h. der Schweredruck ist von der Dichte der Flüssigkeit abhängig. So ist zum Beispiel der Schweredruck im Salzwasser größer als im Süßwasser.

Diese Eigenschaft kann ebenfalls mit Hilfe der Drucksonde (Bild 1) experimentell nachgewiesen werden (Bild 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

-Beim Experiment mit der Drucksonde, ob die Lage unabhängig von dem Druck ist, stellt man fest, dass die Lage der Drucksonde im Wasser wirklich unabhängig vom Schweredruck ist (Bild 4). Das bedeutet der Schweredruck wirkt allseitig und er ist in einer bestimmten Tiefe in allen Richtungen gleich groß.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie berechnet man den Schweredruck?

Für wichtige Tätigkeiten unter Wasser muss man den Schweredruck des Wassers in bestimmten Tiefen kennen. Aber nur in geringen Tiefen kann man den Schweredruck tatsächlich messen. Will man ihn aber für einige Tausend Meter Tiefe bestimmen, so ist das nur durch Rechnung möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verbundene Gefäße:

Erkenntnis: In Gefäßen, die durch irgendeine Verbindung miteinander verbunden sind, stehen gleiche Flüssigkeiten gleich hoch.

Wie ist das zu erklären? (Experiment 5) Anfangs ist der Hahn zwischen den Gefäßen geschlossen. Da die Wassersäule im Gefäß 1 höher ist als im Gefäß 2, ist auch der Druck im Gefäß 1 aufgrund des Schweredruckes größer am Hahn als im Gefäß 2. Dieser Druckunterschied ist ausschlaggebend das der größere Schweredruck im Gefäß 1 beim öffnen des Hahnes Wasser in das Gefäß 2 zurückdrängt. Dieser Vorgang ist erst dann beendet, wenn dieser Druckunterschied nicht mehr vorhanden ist. Das ist aber erst dann der Fall, wenn beide Flüssigkeiten auf selber Höhe stehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hydrostatisches Paradoxon:

Hydrostatisches Paradoxon ist die Bezeichnung für die Tatsache, dass der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit von der Form des Gefäßes, besonders von seinem Querschnitt unabhängig ist. Der Druck in zwei beliebig geformten, mit der gleichen Flüssigkeit gefüllten Gefäßen, die den gleichen Bedingungen unterworfen sind, hängt nur von der Füllhöhe über dem Meßort ab. Sie sind ein Teilgebiet der Hydrostatik, der Lehre vom Gleichgewicht der Kräfte in ruhenden Flüssigkeiten. Ein Grundgesetz der Hydrostatik besagt: Im Inneren einer ruhenden Flüssigkeit breitet sich der hydrostatische Druck gleichmäßig nach allen Richtungen aus.

Die Erkenntnis, dass die Form völlig unabhängig von dem Schweredruck ist, überraschte schon den französischen Forscher Blaise Pascal. Auf dieses überraschende Ergebnis kam er, indem er mit vielen verschieden geformten Gefäßen experimentierte.

Nur wenige interessierten sich zur Zeit Pascals (1623 bis 1662) für die Naturwissenschaften. Er weckte die Neugier der Menschen mit Hilfe eines einfachen aber spektakulären Experiments.

Er füllte ein Faß bis zum Überlaufen mit Wasser. Danach begab er sich in große Höhe und füllte ein sehr langes und dünnes Rohr, das auf das Faß befestigt und abgedichtet war. Er benötigte nicht viel Wasser um das Faß auf Grund des hohen Schweredruckes auseinander zu sprengen.

Praktische Bedeutung:

Der Schweredruck wird in sehr vielen Gebieten genutzt. So zum Beispiel sind Schiffsschleusen, zu mindestens physikalisch gesehen, verbundene Gefäße. Mit ihnen überwinden Schiffe Höhenunterschiede. Wie funktionieren sie? Ein Schiff, das zum Beispiel in einen höher gelegenen Kanal oder See möchte, muss sich durch ein Tor in die Schleusenkammer bewegen. Dabei ist der untere Umlauf der Kammer geöffnet. Anschließend wird das Tor geschlossen und der obere Umlauf geöffnet und der untere Umlauf verschlossen, damit kein Wasser verloren geht. Das Wasser aus dem oberen Becken kann jetzt auf Grund des Druckunterschiedes in die Schleusenkammer durch den Umlauf, der die Verbindung der „Gefäße“ darstellt, gelangen. Sobald der Druckausgleich erreicht ist, befindet sich das Wasser in der Schleusenkammer auf selber Höhe wie das Wasser im oberen Becken. Das Schiff kann nun weiter fahren, denn es hat den Höhenunterschied überwunden.

Der Schweredruck muss aber auch beim Bau von Bauwerken in tieferen Gewässern beachtet werden. Deshalb baut man beispielsweise Staumauern nach unten hin immer dicker.

Tauchkugeln für die Tiefseeforschung müssen einem ungeheuren Schweredruck standhalten, der in mehreren Kilometern Tiefe unter der Wasseroberfläche wirkt. So musste zum Beispiel die Tauchkugel der zwei Meeresforscher Piccard und Walsh eine 12cm dicke Stahlschicht besitzen, um mit diesem Tauchgerät in eine Tiefe von 10 907m auf den Meeresboden des Mariangraben zu gelangen. Für Sporttaucher ist der Schweredruck lebenswichtig. Denn Sporttaucher würden, wenn sie in sehr große Tiefe tauchen würden, nicht mehr ohne Hilfe auftauchen können, da der Schweredruck zu groß ist und die Auftriebskraft zu klein ist, um aufzutauchen.

Beim Tauchen mit einer Luftflasche ist es lebenswichtig langsam wieder aufzutauchen, da sonst eine lebenslange Lungenkrankheit die Folge wäre. Denn beim Atmen unter Wasser in großer Tiefe muss man sehr schwer atmen. Denn dort herrscht ein größer Schweredruck. Taucht man dann auf nimmt der Druck ab und man kann leichter atmen, doch die Lunge ist nicht darauf eingestellt und es könnte im extrem Fall die Lunge überdehnen, d. h. zerreißen.

Der Schweredruck ist auch schon beim tauchen im Bassin spürbar. Man nimmt einen leichte Druck, insbesondere auf dem Trommelfell war.

Der Schweredruck wird außerdem auch bei Fontänen angewandt. Aber auch bei dem Geruchabschluß im Waschbecken und bei der Wasserversorgung von Wohnhäusern kommt der Schweredruck zum Einsatz.

Für uns ist es fast unvorstellbar, dass Tiere die in großer Wassertiefe leben, überhaupt existieren können. Der Innendruck der Körperflüssigkeit ermöglicht ihnen sich dem Schweredruck anzupassen. Tiefseefische können ihren Innendruck verändern und somit in verschiedene Meeresschichten tauchen. Jedoch müssen sie das nur langsam tun, damit sie sich dem Druck erst anpassen können. Bei Fischen die sich nur kurzzeitig in größeren Tiefen aufhalten, helfen Fettpolster den starken Schweredruck auszuhalten. Der Kalmar hat eine Öffnung in seinem Körper, so kann Wasser ungehindert eindringen. Der Druck ist also egal wo sich der Kalmar befindet in seinem Körper genauso groß wie das Wasser in der Umgebung. Die Organe der Fische oder Meerestiere, die in großer Tiefe leben, die es ermöglichen sich dem Schweredruck und dem Auftrieb anzupassen, heißen hydrostatische Organe.

QUELLENNACHWEIS:

- Kuchling Physik- Nachschlagebücher für Grundlagenfächer

- Brockhauslexikon Band 10

- Volk und Wissen: Lehrbuch Physik Sekundarstufe 1Gymnasium

- Tafelwerk

- Arbeitsheft Physik Klasse 7/8 Volk und Wissen