Luft und Luftdruck

DER LUFTDRUCK
Praktikum am
8.11.00 & 22.11.00
von
Ursula Feischl
9855029
3. Allgemeines zum Druck
3.a. Was ist Druck?
Steht man mit Skiern auf dem Schnee sinkt man kaum ein. Kaum steigt man von ihnen
herunter versinkt man im Schnee. Das Gewicht und damit die ausgeübte Gewichtskraft ist
gleich geblieben Wie kann man das erklären ?
Bezeichnet man die beobachtete Wirkung der Gewichtskraft, die beide Male unterschiedlich
ist, mit p, so stellt man fest, daß die Wirkung umso größer ist, je kleiner die Fläche ist auf die
die Gewichtskraft wirkt.
Diese beobachtete Wirkung läßt sich durch folgende Formel beschreiben:
p=F/A
Der Druck gibt also an, welche Druckkraft auf eine Flächeneinheit wirkt.
Einheiten des Drucks:
•
Pascal (Pa):
1 Pascal ist der Druck, den eine Kraft von 1 N auf eine Fläche von 1
m^2 ausübt.
•
Bar (bar):
Pascal ist eine sehr kleine Druckeinheit und wird daher in der Praxis nur
selten verwendet. Hier benützt man die Einheit Bar.
100 000P entsprechen 1Bar (bar).
1 Bar entspricht etwa dem äußeren Luftdruck auf der Erdoberfläche.
3.b Wie entsteht der Luftdruck?
Luft besteht genau wie Wasser aus vielen kleinen Teilchen die alle Masse und Volumen
besitzen. Luft hat eine Masse von 1.3 kg pro m3.
Zum Veranschaulichen dieses Sachverhalts sind folgende Versuche gut geeignet
Versuch: Luft benötigt Platz
(Versuchsbeschreibung siehe nächste Seiten)
Versuch: Luft besitzt eine Masse
(Versuchsbeschreibung siehe nächste Seiten)
Da Luftteilchen eine Masse haben üben sie eine Gewichtskraft aus.
Bereits beim Wasser wurde versucht, den Druck mit einer Modellvorstellung (Gefäß mit
Glaskugeln) zu erklären. Die Glaskugeln stellen jetzt die Luftteilchen dar. Wir leben, mit
diesem Modell verglichen, am Boden eines Gefäßes. Über uns befinden sich sehr viele
Luftteilchen.
Steigen wir auf einen Berg befinden sich weniger Luftteilchen über uns, daher ist der
Luftdruck in der Höhe geringer als weiter unten.
Im Unterschied zu Flüssigkeiten lassen sich Gase zusammendrücken da die Gasteilchen
meist große Abstände haben und frei beweglich sind.
Versuch: Luft benötigt Platz
Ziel:
zeigen, daß Luft Platz benötigt
Material:
Versuchsaufbau analog zur Skizze
rechts
Versuchsdurchführung:
In das vorher mit Luft gefüllt Glas wird durch den
Trichter Wasser gegossen.
Beobachtung:
an den aufsteigenden Luftblasen im Wasserbecken kann man erkennen, daß die Luft mit dem
Steigen des Wasserstandes im Glas aus diesem herausgedrückt wird.
Erkenntnis:
Luft benötigt, auch wenn sie gut komprimierbar ist, einen gewissen Platz.
Bemerkung:
Im Praktikum wurde dieser Versuch nicht durchgeführt, da uns kein entsprechendes Gefäß zur
Verfügung stand.
Versuch: Luft besitzt Masse:
Ziel:
Zu zeigen, daß Luft Gewicht hat
Material:
2 Luftballons
genaue Pendelwaage
Tixo, Nadel
Versuchsdurchführung:
2 Luftballone werden etwa gleich groß aufgeblasen und
an den beiden Armen der Waage befestigt. Der eine
Luftballon wird an einer Stelle fest mit Tixo beklebt.
Die Waage wird ins Gleichgewicht gebracht
(z.B.: durch Papierschnipsel auf den Waagschalen).
Jetzt wird der eine Ballon durch den Tixo zerstochen.
Beobachtung:
Die Waage zeigt deutlich an, daß der volle Ballon schwerer ist als die leere Hülle alleine
Erkenntnis:
Luft besitzt eine Masse. 1 m^3 Luft besitzt in etwa eine Masse von 1.3 kg
Bemerkungen:
Häufig findet man in Versuchsanleitungen zu diesem Versuch, daß der Luftballon durch
erhitzen mit einer Kerzenflamme zerstört werden soll.
Das Problem dabei ist, daß die einzelnen Teile des Luftballons nicht mehr auf der Waage sind
und die Schüler zurecht behaupten können, die Waage ginge auf der einen Seite nieder, weil
auf der anderen ja jetzt ein Teil des Luftballons fehle.
Das Überkleben der Einstichstelle mit Tixo hat ebenfalls nur den Sinn, daß Zerreißen des
Luftballons zu verhindern
Bei diesem Versuch ist außerdem zu beachten, daß es einige Zeit brauchen kann um die
Gleichgewichtslage zu finden. Eine Vorbereitung des Aufbaus bereits vor der Schulstunde ist
dringend zu empfehlen.
3.c Die Atmosphäre
Die Atmosphäre, die Gashülle um die Erde,
reicht bis in eine Höhe von etwa 15km.
Sie ist aus verschiedenen Gasen
zusammengesetzt und wird von der Erdanziehung zusammengehalten.
Wir leben also am „Grunde eines Luftmeeres“.
Wie im Wasser nimmt der Druck im Luftmeer
mit der Tiefe zu.
Bei Wasser nimmt der Druck gleichmäßig mit
der Tiefe zu. Bei der Luft ist das anders:
Im Gegensatz zu Wasser ist Luft zusammendrückbar.
Die weiter oben liegenden Luftschichten
pressen die unter ihnen liegenden zusammen.
Diese bekommen dadurch eine größere Dichte.
Tiefere Luftschichten tragen also mehr zum
Luftdruck bei als höhere Luftschichten.
In der Lufthülle ändert sich daher der Druck
unten zunächst schnell, weiter oben dann
langsamer.
•
Auswirkungen des Luftdrucks auf den Körper
Auch auf dem menschlichen Körper lastet die Lufthülle der Erde mit einer Gewichtskraft von
etwas mehr als 10N/cm^2 . Auf deinen Kopf wirkt somit eine Kraft von 3.000 N das
entspricht einer Masse von 300 kg.
Wir nehmen diesen großen Druck nicht wahr, weil der äußere Druck in unserem Körper einen
gleich großen Gegendruck erzeugt.
Gefährlich sich für unseren Körper Druckveränderungen. Der Körper besteht zum Großteil
aus festen und flüssigen Stoffen, die nicht komprimierbar sind und relativ unempfindlich
gegen Druckveränderungen sind. Allerdings besitzt er auch viele mit Luft gefüllte Hohlräume,
z.B.: Lunge, Ohr,...
Sowohl das Erhöhen als auch das Absenken des äußeren Drucks kann gefährlich sein. Bereits
ein Druckunterschied von 0,13 bar reicht um die Lunge platzen zu lassen.
Im harmlosesten Fall gibt es verschlagene Ohren. Längerer Aufenthalt in großen Höhen kann
zur Höhenkrankheit und zum Tod führen.
•
Luftdruck & Wetter
In jeder Wetterstation findet man ein Barometer. Hängen also Luftdruck und Wetter
zusammen? Ja
Aufgrund der ständigen Bewegung der Luftmassen in der Atmosphäre ist der Luftdruck nicht
nur von der Höhe abhängig. Der Druck der uns umgebenden Luft ändert sich geringfügig.
(Schwankungen um etwa 40 mbar).
Diese Lufdruckschwankungen hängen eng mit dem Wetter zusammen. Meist haben wir bei
gutem Wetter einen höheren und bei schlechtem Wetter einen tieferen Luftdruck.
In Wetterberichten wird von Hoch oder Tiefdruckgebieten gesprochen. Diese
Druckunterschiede entstehen durch unterschiedliche Erwärmung der Luftmassen.
Den Druckausgleich zwischen Gebieten unterschiedlichen Luftdrucks stellen Winde her.
4. Barometer
Geräte zum Messen des Luftdrucks heißen Barometer.
Sowohl Quecksilber als auch Dosenbarometer sind in Verwendung.
•
Quecksilberbarometer
Der Italiener E. Torricelli maß als erster Mensch den Luftdruck. Er verschmolz eine Glasröhre
an einem Ende, füllte sie mit Quecksilber, verschloß sie mit dem Daumen und stellte sie mit
dem zugeschmolzenen Ende nach oben in ein Gefäß mit Quecksilber. Die Quecksilbersäule
sank so weit herab, bis sie im Gleichgewicht mit dem Luftdruck war. Oberhalb des
Quecksilbers war ein luftleerer Raum (Vakuum) entstanden. Die Quecksilbersäule stieg bei
Schönwetter und fiel bei Schlechtwetter.
Das Hebebarometer: (linke Abbildung)
Das Hebebarometer ist zur genauen Messung
vorzüglich geeignet, besitzt aber die Unbequemlichkeit,
daß man zur Bestimmung des Barometerstandes zwei
Ablesungen auszuführen hat.
Das Vakuum zwischen dem geschlossenen Ende des
Barometers und der Quecksilbersäule entsteht, da das
Quecksilber in beiden Schenkeln gleich hoch stehen
möchte. Auf der offenen Seite wirkt aber nach wie vor
der Luftdruck auf das Quecksilber und hält dem Druck
der Quecksilbersäule im anderen Rohr das
Gleichgewicht.
Der Höhenunterschied zwischen den beiden Säulen
ist daher ein Maß für die Größe des
Luftdrucks.
Das Birnbarometer (rechte Abbildung)
Ersetzt man den offenen Schenkel durch ein
birnenförmig erweitertes Gefäß, so erhält man das
weniger genaue, aber dafür einfacher zu benützende
Birnbarometer, bei dem nur eine Ablesung notwendig
ist.
•
Dosenbarometer
Dosenbarometer sind Dosen mit stark vermindertem
Luftdruck im Inneren.
Bei höherem Luftdruck wird der Deckel stärker,
bei niedrigerem Druck weniger stark nach innen
gedrückt.
Die Wölbung der Barometerdose wird über die
Verbindung mehrere Hebel so auf einen Zeiger
übertragen, daß ein möglichst großer Ausschlag
entsteht.
VERSUCH: Dosenbarometer
Versuch: Dosenbarometer
Ziel:
Funktionsweise eines
Dosenbarometer
Material:
Marmeladenglas
Zellophanhaut
Gummiring
Strohalm
Kleber
Versuchsdurchführung:
Das Marmeladenglas wird durch Einfüllen von warmem Wasser erwärmt. Das Wasser wird
bis auf eine kleine Menge wieder ausgeleert.
Anschließend wird die Zellophanhaut über den Glasrand gespannt und Mithilfe des
Gummirings luftdicht befestigt. Ein Strohhalm wird in der Mitte der Zellophanhaut mit einem
Tropfen Kleber fixiert und zwar so, daß er am Glasrand aufliegt.
Nachdem es abgekühlt ist wird das Glas geöffnet und ohne Erwärmen wieder wie vorher
verschlossen. Jetzt wird das noch im Glas befindliche Wasser erhitzt.
Beschreibung:
Beim Abkühen zieht sich die vorher erwärmte Luft im Inneren des Glases zusammen. Der
größere Luftdruck wirkt von außen auf die Zellophanhaut und wölbt sie nach innen. Der
Strohalm zeigt immer mehr nach oben.
Beim Erwärmen dehnen sich die Luft und der Wasserdampf im Glas aus. Der größere
Luftdruck wirkt von innen gegen die Zellophanhülle und wölbt sie nach außen. Der Strohalm
zeigt nach unten.
Erkenntnis:
Steigt der Luftdruck so wird die Zellophanhaut nach innen gedrückt, der Strohhalm steht
steiler.
Fällt der Luftdruck, so wird die Wölbung der Zellophanhaut und somit die Stellung des
Strohhalmes flacher.
Die Stärke und Richtung der Wölbung kann als Maß für den Luftdruck verwendet werden.
Bemerkung:
Dieser Versuch wurde aus Zeitgründen nicht im Praktikum ausgeführt. Er wurde von mir
trotzdem ins Protokoll aufgenommen, da er mir sehr sinnvoll erscheint um die Funktionsweise
eines Dosenbarometers zu erklären.
5.Über und Unterdruck
5.a Erklärung
Der Druck wirkt wie bei den Flüssigkeiten nach allen Richtungen. Daher heben sich die
Druckkräft zumeist auf.
Die Größe des Luftdrucks zeigt sich dort wo er einseitig
wirken kann, also dort wo Druckdifferenzen auftreten.
•
Ist der innere Luftdruck größer als der äußere, so
bezeichnet man dies als Überdruck.
z.B.: Die Luft im Auto oder Fahrradreifen hat
Überdruck. Hat der Reifen ein Loch strömt sie aus.
•
Ist der innere Luftdruck kleiner als der äußere, so
bezeichnet man dies als Unterdruck.
z.B.: In Vakuumverpackungen herrscht Unterdruck.
Schneidet man sie auf, so strömt Luft in sie hinein.
Auch in Einsiedegläsern oder in Saughaken herrscht
Unterdruck.
5.b Implosion
Wird ein Behälter durch den äußeren Luftdruck eingedrückt, so spricht man von einer
Implosion.
In der Bildröhre des Fernsehapparates ist gegenüber dem äußeren Luftdruck ein geringer
Druck. Dies kann, wenn das Material der Bildröhre schlecht ist, zu einer Implosion führen,
was aber selten vorkommt.
5.c Versuche zu Über und Unterdruck
VERSUCH: Trichter mit Folie
VERSUCH: Zeitung aufheben
VERSUCH: Saughaken
VERSUCH: Ei im Kolben
VERSUCH: schwebendes Glas
VERSUCH: Springbrunnen
VERSUCH: Implosion
VERSUCH: Trichter mit Folie
Ziel:
In welche Richtung wirken die Kräfte?
bei Über, bzw. Unterdruck.
Material:
Trichter
elastische Folie
Versuchsdurchführung:
Der Trichter wird mit der Folie zugebunden. Aus dem Innenraum wird etwas Luft abgesaugt
und so ein Unterdruck erzeugt.
Anschließend wird durch Hineinblasen von Luft ein Überdruck erzeugt.
Beobachtung:
Durch die Wirkung des Luftdrucks wird die elastische Folie einmal nach innen und einmal
nach außen gedrückt.
Dieselben Ergebnisse stellen sich unabhängig von der Lage des Trichters im Raum ein.
Erkenntnis:
Beim Unterdruck wirkt Druck von außen auf den Innenraum.
Beim Überdruck wirkt Druck von innen auf de Außenraum.
Der Luftdruck wirkut nach allen Seiten gleichmäßig.
Bemerkung:
Als Experiment während einer Schulstunde halte ich diesen Versuch nicht für besonders
zielführend.
Ich glaube, daß es sinnvoller ist, die Schüler an diesem Punkt auf Erfahrungen aus dem
Alltagsleben hinzuweisen.
z.B.:, daß der Ballon auseinandergeht, wenn man ihn aufbläst (und dadurch einen Überdruck
in seinem Inneren erzeugt). Oder daß ein Getränkepackerl durch den Unterdruck
zusammengeht, wenn man es aussaugt.
Auch daß die Wirkung von Überdruck und Unterdruck nicht davon abhängt ob ein Objekt auf
dem Kopf steht, schief liegt oder aufrecht steht, sollte bereits aus dem Alltag bekannt sein und
es müßte genügen auf dementsprechende Erfahrungen zurückzugreifen.
VERSUCH: Zeitung aufheben
Ziel:
Der äußere Luftdruck ist groß
Man bemerkt Luftdruck immer
nur dann wenn er einseitig wirkt
Material:
Holzbrett
Wollfaden
Zeigungsblatt
Versuchsdurchführung:
Das Holzbrett wird an der Schnur befestigt und mit einem großen Zeitungsblatt so bedeckt,
wie aus der Abbildung zu erkennen ist. Es wird versucht, ruckartig das Brett an der Schnur
nach oben zu ziehen.
Beobachtung:
Es gelingt nicht das Brett ruckartig hochzuziehen. Eher reißt der Faden. Langsam geht es
hingegen schon.
Erkenntnis:
Will man das Brett schnell hochheben so bildet sich unter der Zeitung ein Vakuum. Es
herrscht also ein Unterdruck. Der Druck von außen ist so stark, daß er die Zeitung fest am
Boden hält.
Zieht man langsam an der Schnur so haben Luftteilchen Gelegenheit unter die Zeitung zu
gelangen und den Druckunterschied auszugleichen.
Bemerkung:
Der Versuch ist einfach doch sicher einprägsam.
Er kann auch von Schülern selbst durchgeführt werden.
VERSUCH: Saughaken
Ziel:
Was bewirkt ein Unterdruck?
eventuell Vorbereitung auf die
Magdeburger Halbkugeln
Material:
2 Saughaken
glatte Oberfläche
Versuchsdurchführung:
Ein Saughaken wird an der glatten Oberfläche befestigt
und diese in alle möglichen Richtung gedreht.
Hält der Saughaken überall gleich fest?
Zwei Saughaken werden zusammengebracht und es
wird versucht sie wieder zu trennen.
Was stellt man dabei fest?
Beobachtung:
Die Saughaken halten in allen Richtungen gleich gut.
Es ist sehr schwer die beiden Saughaken zu trennen. Am einfachsten geht es, wenn man sie
gegeneinander verschiebt und so Luft von Außen ins Innere läßt.
Erkenntnis:
Saughaken haften durch den Unterdruck in ihrem Inneren an der Wand und auch aneinander.
Ohne den Unterdruck vorher auszugleichen ist es sehr schwer sie voneinander zu trennen.
Bemerkung:
Dieser Versuch muß nicht unbedingt in der Schule durchgeführt werden, er kann auch als
„Denkaufgabe“ bis zum nächsten Mal gestellt werden.
VERSUCH: Ei im Kolben
Ziel:
Wirkung des Unterdrucks
Wie kann man Unterdruck erzeugen?
Material:
1 gekochtes Ei
passender Kolben
Bunsenbrenner
etwas Wasser
Versuchsdurchführung:
etwas Wasser in einem Kolben zum Sieden bringen und das hart gekochte geschälte Ei auf die
Öffnung setzen so daß diese luftdicht verschlossen ist.
Beobachtung:
Das Ei wird in den Kolben gepreßt.
Erkenntnis:
Beim Abkühlen entsteht ein luftverdünnter Raum im Kolben. (Luft dehnt sich beim
Erwärmen aus und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen). Der äußere Luftdruck preßt
das Ei in den Kolben.
Das Ei kann wieder unversehrt herausbekommen werden, wenn man den Kolben umdreht so
daß das Ei die Öffnung verschließt und nun den Glaskolben erwärmt. Dann dehnt sich die
Luft im Inneren aus und drückt das Ei heraus.
Bemerkung:
Der zweite Teil des Versuchs war bei uns nicht mehr möglich, da daß Ei schon vom
Herabfallen stark beschädigt war.
Um dies zu Vermeiden wäre es günstig, den Kolben schräg zu stellen, so daß es an der
Glaswand herabrutschen kann.
VERSUCH: „schwebendes Glas“
Ziel:
Wirkung des äußeren Luftdrucks
Größe des äußeren Luftdrucks
Material:
Wasserglas
Wasser
Karton in Postkartengröße
Schnur und Tixo
Es gibt zwei Möglichkeiten diesen Versuch durchzuführen:
1. Versuchsdurchführung:
Das Glas kann mit randvoll mit Wasser gefüllt werden, der Karton wir fest auf den Rand
gepreßt und das Glas umgedreht. Dann wird der Karton losgelassen.
1. Beobachtung:
Das Wasser fließt nicht aus. Die Gewichtskraft der Wassersäule wirkt auf das Kartonstück,
doch der äußere Luftdruck ist stärker und preßt den Karton gegen das Glas. Das Wasser
scheint in der Luft zu schweben.
2. Versuchsdurchführung:
Der Faden wird Mithilfe des Tixos an der Kartonmitte befestigt. Wasser wird in das nicht zu
schwere Glas gefüllt bis es überläuft. Dann wird der Karton daraufgedrückt und vorsichtig
wird an der Schnur gezogen.
2. Beobachtung
Der Karton scheint am Glas zu haften und hebt es mit hoch.
Erkenntnis:
beide Male ist es der äußere Luftdruck, der den Karton fest gegen das Glas preßt. Da er hier
nur von einer Seite wirken kann, wird er für uns sichtbar.
Bemerkung:
Beide Versuche sind prinzipiell durchführbar. Ich persönlich bevorzuge den ersteren, da bei
dem zweiten durch nicht fest genug angeklebte Fäden und Unachtsamkeit leicht Scherben
entstehen können. Wird der erste Versuch aber über einem Waschbecken durchgeführt kann
wirklich nichts passieren.
Abgesehen davon tauchen Probleme nur dann auf, wenn der Karton durch die Feuchtigkeit
Falten zu schlagen beginnt. Mein Tipp: Mit dem umgedrehten Glas nicht allzu lange
herumlaufen, sonst holt man sich schnell nasse Füße.
VERSUCH: Springbrunnen
Ziel:
Unterdruck kann nicht nur Luft
sondern auch Wasser anziehen
Material:
Wasserglas
2 Schläuche
Flasche
Flaschenverschluß mit zwei Öffnungen für Schläuche
Versuchsdurchführung:
Versuchsaufbau wie in der Skizze oben zu sehen ist. Die obere Flasche wird erst vor
Versuchsbeginn auf den Kopf gestellt.
Beobachtung:
Hält man den rechen Schlauch zu passiert gar nichts. Läßt man Wasser ausfließen, so beginnt
der Springbrunnen in der Flasche zu spritzen.
Erkenntnis:
Durch das Abfließen des Wassers wird der Druck in der Flasche vermindert. Es entsteht ein
Unterdruck, der das Wasser aus dem Glas ansaugt.
Bemerkung:
Das einzig auftretende Problem bei diesem Versuch ist es, einen passenden Flaschenverschluß
zu finden.
Außerdem ist es nicht ganz so einfach, die beiden Behälter wie auf der Skizze zu sehen ist,
zusammenzufügen.
VERSUCH: Implosion
Ziel:
Was ist eine Implosion ?
Wie kommt sie zustande?
Material:
Leere Plastikflasche mit Verschluß
oder Aludose
heißes und kaltes Wasser
eventuell Kerze
2 Versuche sind möglich:
1. Versuchsdurchführung:
Die Pastikflasche wird zuerst mit heißem Wasser ausgespült und anschließend verschlossen.
Nun wird sie mit kaltem Wasser abegkühlt.
1. Beobachtung:
Die Plastikflasche zieht sich zusammen
2. Versuchsdurchführung
Ein wenig Wasser (Nur den Boden bedeckend) wird in eine leere Getränkedose gefüllt und
das Wasser zum Sieden gebracht. Dann wird die Dose rasch in kaltes Wasser gestülpt.
2. Beobachtung
Die Dose wird zusammengedrückt.
Erkenntnis:
Beide Male dehnt sich die Luft, bzw. die Luft mit dem Wasserdampf durch das Erhitzen aus.
Durch das schnelle Abkühlen zieht sie sich wieder zusammen und es entsteht im Inneren der
Gefäße ein Unterdruck. Der äußere Luftdruck drückt die Gefäße zusammen.
Diesen Vorgang nennt man Implosion.
Bemerkung:
Ich persönlich würde den Versuch mit der Plastikflasche bevorzugen da er leichter und
schneller durchzuführen und auch einfacher zu erklären ist.
Der zweite Versuch ist allerdings spektakulärer.
6. Heber
Heber dienen dazu Flüssigkeiten aus Gefäßen zu heben oder aus einem Gefäß in ein anderes
zu leiten.
6.a Stechheber und Pipette
Der Stechheber ist eine etwa 40-80 cm lange Glasröhre,
die am oberen Ende eine größere Erweiterung aufweist.
Taucht man das untere Ende in eine Flüssigkeit und
saugt am oberen verdünnt man die Luft im Heber. Es
entsteht ein Unterdruck und Flüssigkeit steigt in die
Röhre. Sie wird durch den Druck der Luft auf die
Flüssigkeit im Vorratsgefäß hineingedrückt.
Verschließt man nun rasch die Mündung der Saugröhre
mit dem Finger, so verhindert der äußere Luftdruck das
Ausfließen der Flüssigkeit.
Eine Pipette ist ein kleiner Stechheber mit eingeätzten
Volumsmarken. Mit der Pipette kann eine genau
dosierte kleine Menge aus einemVorratsgefäß
entnommen werden
6.b Trinkhalm, Spritze
Wenn man einen Trinkhalm verwendet, saugt man Luft
aus dem Halm in die Lunge. dadurch entsteht im Halm
ein Unterdruck und der äußere Luftdruck kann das
Getränk in den Mund drücken.
Ein Trinkhalm kann als Stechheber ohne Vorratsgefäß
angesehen werden
Auch mit einer Injektionsspritze wird die Flüssigkeit
beim Aufziehen des Kolbens wie bei einem Stechheber
angesaugt.
6.c Winkelheber
Der Winkelheber besteht aus einem winkelförmig gebogenen Glasrohr oder
aus einem Gummi oder Plastikschlauch. Während das eine Ende in die
Flüssigkeit des höher gelegenen Behälters getaucht wird, saugt man am
anderen Ende, bis sich der Heber mit Flüssigkeit füllt. Nach Freigeben der
Öffnung fließt die Flüssigkeit so lange, bis der Flüssigkeitsspiegel im höher
gelegenen Gefäß unter das Heberende sinkt.
Anwendung findet der Winkelheber oft beim Auspumpen von höher
gelegenen Gartenteichen oder um das Wasser aus der Regentonne zum
Blumenbeet zu bringen.
VERSUCH: Winkelheber
Ziel:
Funktionsweise eines Winkelhebers
Material:
1 breiter Trinkhalm zum Abbiegen
2 Gläser
Wasser
Versuchsdurchführung:
Das mit Flüssigkeit gefüllte Glas steht höher als das andere. Das kurze Ende des Strohhalms
wird in das obere Gefäß getaucht. Es wird solange am anderen Ende gesaugt, bis das Wasser
in das tiefere Gefäß zu fließen beginnt.
Es ist auch möglich den Strohalm zueerst mit Wasser zu füllen, mit dem Daumen zu
verschließen und so in das obere Glas zu geben.
Wichtig ist, daß der Halm mit Wasser gefüllt ist und das Wasser zu fließen beginnt.
Beobachtung:
Das Wasser fließt so lange bis der Flüssigkeitsspiegel im oberen Gefäß unter das Heberende
sinkt.
Erkenntnis:
Würden die beiden Becher auf gleicher Ebene stehen würde kein Wasser fließen.
Da der eine tiefer steht ist die Flüssigkeitssäule auf dieser Seite höher und der Druck den sie
ausübt ebenfalls. Wasser beginnt auszufließen.
7. Strömungslehre
7.a Strömungswiderstand
Wie beeinflußt Luft oder auch Wasser die Bewegung eines Körpers?
Der Strömungswiderstand wächst mit der Geschwindigkeit
Je schneller sich ein Körper im Wasser oder in der Luft bewegt, desto größer ist der
Widerstand den er erfährt.
Strömt umgekehrt Luft oder Wasser gegen einen ruhenden Körper, so wird auf ihn eine Kraft
ausgeübt, die mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wächst
Beispiele:
Ø Watet man durch brusttiefes Wasser benötigt man dazu eine erhebliche Kraft. Die
Gegenkraft des Wassers ist deutlich als Widerstand spürbar. Diese steigt rasch an, wenn
man die Geschwindigkeit erhöht.
Ø Genau das gleich geschieht, wenn wir uns durch ruhende Luft bewegen. Nur ist wegen der
kleineren Dichte der Luft der Widerstand wesentlich geringer. Deshalb bemerken wir
beim langsamen Gehen den Luftwiderstand nicht. Er wird aber
deutlich spürbar wenn wir uns schnell bewegen, etwa beim
Rad oder Schifahren.
Ø Auch der Benzinverbrauch eines Autos steigt mit zunehmender
Geschwindigkeit.
Ø Bei Sturm muß man sich gegen de Luftstrom stemmen.
Ø Im Fluß trägt uns die Strömung mit.
Ø Boote die schnell sein sollen baut man mit möglichst geringem
Tiefgang.. Dadurch bietet das Boot dem Wasser eine geringe
Angriffsfläche.
Je kleiner die angeströmte Fläche, desto geringer ist der Widerstand.
Beispiele:
Ø Beim Radfahren beugt man sich über die Lenkstange um so die Fläche zu vermindern und
schneller fahren zu können.
Ø Der Abfahrtsläufer versucht durch seine Haltung die angeströmte Fläche und damit den
Luftwiderstand möglichst klein zu halten.
Ø Beim Fallschirm will man einen möglichst großen Luftwiderstand erreichen. Er muß
daher einen großen Querschnitt haben.
Bei Vermeidung der Wirbelbildung verringert sich der Widerstand einer Luft - bzw.
Wasserströmung.
Eine Vermeidung von Wirbelbildung erreicht man durch Stromlinienform.
Beispiele:
Ø Bewegt man einen zylindrischen Körper durch
das Wasser und beobachtet das Wasser hinter
dem Brett so stellt man eine unregelmäßige
wirbelförmige Bewegung des Wassers fest.
Streut man etwas Korkmehl in das Wasser so
zeigen die Korkteilchen deutlich die
Wirbelbildung und die Stromlinien.
Ø Taucht man eine vorne abgerundeten und hinten
spitz zulaufenden Körper ins Wasser und bewegt
ihn hin und her gibt es kaum noch Wirbelbildung
und der Strömungswiderstand ist gering.
Ø An schnelllen Land- Wasser – und Luftfahrzeugen vermeidet man scharfe Kanten und
Ecken. Man baut sie stromlinienförmig. Schnelle Autos haben Stromlinienform.
7.b Druck und Kraft durch strömende Luftschichten
Auf eine schräg in den Luftstrom gestellt Fläche wirkt eine Kraft die annähernd senkrecht auf
die angeströmte Fläche steht. Ein Teil dieser Kraft bewirkt den dynamischen Auftrieb.
Versuch:
Hält man ein Brett schräg in strömendes Wasser,
so spürt man eine Kraft, aber nicht in der
Strömungsrichtung sonder annähernd senkrecht
zum Brett.
Diese Kraft ist eine Folge des Drucks, den das
strömende Wasser senkrecht zum Brett ausübt.
Auch auf den schräg in den Luftstrom gestellten
Drachenfläche wirkt annähernd senkrecht dazu
eine Kraft. Ein Teil dieser Kraft, wir nennen ihn
dynamischen Auftrieb, wirkt dem Gewicht des
Drachens entgegen und verhindert, daß er zu
Boden fällt.
Je größer die Strömunsgeschwindigkeit der Luft ist, desto geringer ist der Druck, den sie quer
zur Strömungsrichtung ausübt.
VERSUCH: Bernoullieffekt
andere hier nicht mehr explizit angeführte Beispiele wären:
Ø der Zerstäuber
Ø die Wasserstrahlpumpe
Ø Abecken von Hausdächern
Bei starkem Sturm können Häuser abgedeckt werden. Hier ist die Windgeschwindigkeit
über dem Dach sehr groß, der Druck dadurch niedriger als im Inneren des Daches, in dem
die Luft stillsteht.
Durch den Unterdruck über der Dachfläche entsteht eine Sogwirkung die das Dach
anhebt das dann durch die Strömung weggetragen wird.
Mithilfe eine Papphäuschens und eines Föns kann die Situation leicht nach gebaut
werden.
Auch auf die Unterschiede zwischen Flach und Giebeldach kann hingewiesen werden.
7.c Auftrieb einer Tragfläche
Der Auftrieb auf Flugzeugtrageflächen hat zwei
Ursachen:
1. Durch die schräge Stellung der Tragfläche entsteht ein
Kraft die senkrecht auf diese Fläche steht. Ein Teil
davon wirkt (genau wie beim Drachen) dem Gewicht
des Flugzeugs entgegen.
2. Die gewölbte Oberfläche drängt die vorbeiströmende
Luft zusammen und bewirkt damit eine größere
Geschwindigkeit und einen kleineren Druck an der
Unterseite.
Dies hat zur Folge, daß der Luftdruck von oben
kleiner ist als der Luftdruck von unten. Daraus ergibt
sich eine aufwärts gerichtete Restkraft.
VERSUCH: Bernoullieffekt.
Ziel:
Veranschaulichung des Bernoullieffekts
Material:
2 Blätter Papier
Versuchsdurchführung:
Die beiden Blätter werden parallel zueinander gehalten und es wird zwischen ihnen stark
hineingeblasen.
Beschreibung:
Die beiden Blätter werden zusammengezogen solange Luft an ihnen vorbeiströmt.
Offensichtlich ist der Druck im Raum zwischen ihnen durch das Hindurchströmen der Luft
kleiner geworden.
Erkenntnis:
Größere Strömungsgeschwindigkeit ergibt verminderten Druck.
Bemerkung:
Dies ist wieder ein einfacher Versuch der das gewünschte Ergebnis problemlos liefert. Er
kann auch von den Schülern selbst leicht durchgeführt werden.