Luftdruck - JKU
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Physikalisches<br />
Schulversuchspraktikum I<br />
<strong>Luftdruck</strong><br />
(Oberstufe)<br />
marlene hack (9955515/412)<br />
Abgabedatum: 9. 1. 2003
Inhaltsverzeichnis<br />
Lerninhalt ............................................................3<br />
In welcher Klasse?...............................................3<br />
Vorkenntnisse........................................................................................................................3<br />
Lernziele ..............................................................3<br />
Theoretische Grundlagen .....................................4<br />
Auftrieb .....................................................................................................................................4<br />
Flugzeug ...................................................................................................................................5<br />
Hubschrauber.........................................................................................................................8<br />
Luftwiderstand ......................................................................................................................9<br />
Zusatzinformationen..........................................11<br />
Windkanal ..............................................................................................................................11<br />
Vakuumtechnik ...................................................................................................................13<br />
Barometer..............................................................................................................................17<br />
Flugmedizin...........................................................................................................................18<br />
Tauchen...................................................................................................................................19<br />
Versuche............................................................21<br />
Implodierte Dose ...............................................................................................................21<br />
Gewicht der Luft .................................................................................................................23<br />
Quellenverzeichnis.............................................24<br />
Abbildungsnachweis ..........................................24<br />
2
Lerninhalt:<br />
Strömungslehre, Auftrieb (Flugzeug, Hubschrauber),<br />
Strömungswiderstand<br />
Zusatzinformationen:<br />
Vakuumtechnik (Anwendungen, verschiedene Pumpen), Barometer,<br />
Windkanal, Auswirkungen von hohen (-> Tauchen) und niedrigen Drücken<br />
auf den menschlichen Körper<br />
In welcher Klasse?<br />
6. Klasse:<br />
Aerodynamik, Strömungswiderstand<br />
Vorkenntnisse:<br />
<strong>Luftdruck</strong>, Auftrieb aus der 2. Klasse<br />
Lernziele:<br />
Verstehen des Auftriebs beim Flugzeug und Hubschrauber<br />
Strömungswiderstand – SchülerInnen sollen wissen, wovon er<br />
abhängig ist.<br />
Zusatzinformationen:<br />
Überblick über Anwendungen der Vakuumtechnik<br />
Allgemeine Informationen über Messungen im Windkanal<br />
3
Theoretische Grundlagen:<br />
Auftrieb<br />
Unter Auftrieb versteht man eine Kraft, die der Schwerkraft eines Körpers<br />
entgegenwirkt. Man unterscheidet hier zwischen statischem Auftrieb<br />
und dynamischem Auftrieb, wovon aber nur der dynamische Auftrieb<br />
eine praktische Bedeutung für den Segelflug hat.<br />
Dieser entsteht am Flügel und (bei entsprechender Profilierung) auch am<br />
Höhenleitwerk. Bei der dynamischen Auftriebserzeugung werden<br />
Druckunterschiede am Flügel ausgenutzt, die durch die Profilwölbung<br />
entstehen. Die vom Flügelprofil verdrängte Luft muss in ihrem geteilten<br />
(oben und unten) Strömungsverlauf einen längeren Weg über die<br />
Profiloberseite machen. Die Strömung hat dadurch auf der Oberseite des<br />
Flügels eine höhere Geschwindigkeit als auf der Unterseite. Es entsteht im<br />
verlangsamten Teil der Strömung, d.h. unten, ein Überdruck, während der<br />
Druck in der Umgebung der schnelleren Umströmung (Oberseite) so<br />
abfällt, dass ein Sog entsteht. Der Auftrieb wirkt senkrecht zur Richtung<br />
der relativen Bewegung. Diese unsymmetrische Umströmung des Profils<br />
hängt von der Profilform und von der Größe des Anstellwinkels ab.<br />
Abbildung 1<br />
Je größer die Geschwindigkeit der Strömung, desto kleiner ist der Druck<br />
=> Bernoullische Gleichung:<br />
1<br />
2<br />
2<br />
v gh<br />
p = konstant<br />
ist die Dichte des Mediums, v die Geschwindigkeit des Mediums, g die<br />
Erdbeschleunigung, h die Höhe und p der Druck.<br />
4
Der statische Auftrieb entsteht z.B. Bei Heißluftballonen, Gasballonen<br />
oder Luftschiffen. Bei Heißluftballonen wird über den Brenner die Luft in<br />
der Ballonhülle erhitzt, die Luft dehnt sich durch die Erwärmung aus und<br />
hat somit eine geringere Dichte als kältere Luft, der Ballon kann also<br />
steigen. Beim Gasballon und beim Luftschiff wird überwiegend Helium<br />
eingesetzt, das eine geringere Dichte als Luft aufweist.<br />
Flugzeug<br />
Abbildung 2<br />
Abbildung 3<br />
Man kann das heutige herkömmliche Flugzeug in vier Baugruppen<br />
unterteilen:<br />
Rumpf<br />
Tragflächen<br />
Leitwerk:<br />
Es besteht aus zwei wichtigen Ruderflächen, der waagerechten und<br />
der senkrechten Fläche, die beide über bewegliche Abschnitte zur<br />
Steuerung des Flugzeuges und über feste Teile zur Gewährleistung<br />
5
der Stabilität verfügen. Der vordere Teil der waagerechten<br />
Ruderfläche wird Höhenflosse genannt, und der hintere bewegliche<br />
Abschnitt ist das Höhenruder. Der feste Teil der senkrechten<br />
Ruderfläche wird Seitenflosse genannt, und der bewegliche Teil ist<br />
das Seitenruder.<br />
Fahrwerk<br />
Mechanische Steuerung<br />
Abbildung 4<br />
Die Fluglage eines Flugzeuges (seine Ausrichtung in Bezug auf den<br />
Horizont und auf seine Bewegungsrichtung) wird normalerweise durch drei<br />
Vorrichtungen bestimmt, von denen jede für die Bewegung um eine<br />
andere Achse zuständig ist.<br />
Zu den drei Vorrichtungen gehören die beweglichen Teile des Leitwerks,<br />
also die Höhen- und Seitenruder, und die beweglichen Teile der<br />
Tragflügelhinterkante, die man Querruder nennt. Bedient werden diese<br />
Steuerflächen vom Cockpit aus, mit einem Steuerknüppel oder Steuerhorn<br />
und den Seitenruderfußhebeln.<br />
Höhenruder sorgen für die Längsbewegung um die Querachse. Richten<br />
sich die Höhenruder auf wird das Heck gesenkt und der Bug für den<br />
Aufstieg hochgehoben. Senken sich die Höhenruder, so fliegt das Flugzeug<br />
nach unten.<br />
Die Querruder steuern die Rollbewegung um die Längsachse. Wird das<br />
linke Querruder aufgerichtet und das rechte heruntergeklappt wird das<br />
Flugzeug in die linke Schräglage gebracht. Das funktioniert natürlich auch<br />
in der entgegengesetzten Richtung.<br />
Die Seitenruder sorgen für die Drehbewegung um die Hochachse, indem<br />
sie zusammen mit den Querrudern den Kurs des Flugzeuges nach links<br />
oder rechts verändern.<br />
6
Anstellwinkel<br />
Abbildung 5<br />
Unter dem Anstellwinkel versteht man den Winkel zwischen der<br />
Anblasrichtung und der Profilsehne.<br />
Die auftrieberzeugenden Flächen der Flügel stellt man so ein, dass deren<br />
Profile vom Luftstrom nicht unmittelbar von vorn, d.h. in der Richtung<br />
ihrer Profilsehne getroffen werden, sondern zur Rumpflängsachse in einem<br />
gewissen Winkel, dem sogenannten Einstellwinkel stehen.<br />
Der Anstellwinkel ändert sich beim Flug in Abhängigkeit davon, wie das<br />
Flugzeug oder Flugmodell bzw. dessen Flügelprofil gegen die Strömung<br />
der Luft angestellt wird. Auftrieb & Widerstand des Tragflügels und damit<br />
auch des Flugzeugs in seiner Gesamtheit hängen davon ab, wie groß<br />
dieser Anstellwinkel im momentanen Flugzustand ist.<br />
Einstellwinkel<br />
Abbildung 6<br />
Der Einstellwinkel ist der Winkel, in dem die Profilsehne des Flügels zur<br />
Längsachse des Flugzeugs steht. Der Einstellwinkel wird so festgelegt,<br />
dass der Rumpfwiderstand des Flugzeugs in dem Anstellwinkelbereich, in<br />
dem es normalerweise fliegen soll, möglichst klein bleibt. Die Flügel<br />
schneller Motorflugzeuge haben eher einen geringen Einstellwinkel,<br />
während man bei relativ langsam fliegenden Segelflugzeugen größere<br />
Werte wählt. Der Einstellwinkel bleibt während des Fluges konstant.<br />
7
Hubschrauber<br />
Ein Hubschrauber wird im Prinzip durch „rotierende Tragflächen“ nach<br />
oben gezogen.<br />
Bei den üblichen Modellen ist am Heck des Hubschraubers ein<br />
Ausgleichsrotor mit horizontaler Achse angebracht. Ohne ihn würde sich<br />
die Maschine durch die Drehbewegung des Hauptrotors ständig im Kreis<br />
drehen. Dieser zweite Rotor gleicht das durch den Hauptrotor verursachte<br />
Drehmoment aus.<br />
Abbildung 7<br />
Soll nun der Hubschrauber nach vorne fliegen, so gibt der Pilot mit dem<br />
Steuerungsmechanismus dem Rotorblatt, das gerade über das Heck der<br />
Maschine streicht, einen größeren Anstellwinkel, wodurch dessen Auftrieb<br />
etwas größer wird.<br />
Der Hubschrauber neigt sich ein wenig nach vor. Der Auftrieb lässt sich<br />
nun in eine lotrechte, die das Gewicht trägt, und in eine waagrechte<br />
Komponente, die den Vortrieb bewerkstelligt, zerlegen.<br />
8
Luftwiderstand<br />
Unter Luftwiderstand versteht man die von der Geschwindigkeit und<br />
Form eines bewegten Körpers sowie der Luftdichte abhängende und der<br />
Bewegungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Der Widerstand eines<br />
Strömungskörpers setzt sich aus einem Form- und Druckwiderstand und<br />
einem Reibungs- oder Oberflächenwiderstand zusammen. Er wird nach<br />
folgender Formel berechnet:<br />
W =<br />
1<br />
*<br />
2<br />
* * A*<br />
v<br />
ist die Dichte des strömenden Mediums, A die Querschnittsfläche des<br />
Körpers normal zur Strömung und v die Relativgeschwindigkeit zwischen<br />
Körper und Medium.<br />
Der cw-Wert ist der Widerstandsbeiwert der sich aus<br />
Windkanalmessungen ergibt und von der Form und von der<br />
Oberflächenbeschaffenheit des Körpers sowie von der Reynoldschen Zahl<br />
(Re) abhängt.<br />
l <br />
v<br />
Re =<br />
<br />
ist wieder die Dichte des Mediums, v die Relativgeschwindigkeit<br />
zwischen Körper und Medium, l eine für den jeweiligen Körper<br />
charakteristische Länge (z. B. Kugelradius), die dynamische Viskosität<br />
des Mediums.<br />
Vorrichtung zur Messung des Strömungswiderstandes:<br />
c W<br />
Abbildung 8<br />
2<br />
9
Skizze Gegenstand cw-Werte<br />
Dünne Kreisplatte 1,1<br />
Offene, dünnwandige Halbkugelschale 1,33<br />
Schlanker Kreiszylinder 0,63-1,2<br />
Offene Halbkugelschale 0,34<br />
Kugel 0,20-0,47<br />
Stromlinienkörper 0,045<br />
10
Zusatzinformationen:<br />
Windkanal<br />
Ein Windkanal ist eine technische Versuchsanlage zur Simulation der<br />
Bedingungen, die auftreten, wenn sich ein Objekt durch die Luft bewegt.<br />
Bei einer Untersuchung im Windkanal bleibt das zu untersuchende Objekt<br />
ortsfest, während Luft oder Gas darauf geblasen wird. In einem Windkanal<br />
werden die Auswirkungen bewegter Luft auf Objekte wie Flugzeuge,<br />
Raumfahrzeuge, Geschosse, Fahrzeuge, Gebäude und Brücken oder auch<br />
z. B. Schispringer analysiert.<br />
Abbildung 9<br />
Mit Tests im Windkanal wird u. a. der Luftwiderstand von Fahrzeugen und<br />
Flugzeugen untersucht. Durch entsprechende Maßnahmen (z. B.<br />
Anpassung der aerodynamischen Form) lässt sich dieser Widerstand<br />
verringern und der cW-Wert verbessern.<br />
Die Größe von Windkanälen reicht von einigen Zentimetern bis zu<br />
mehreren Metern. Ein Beispiel ist der Tunnel des Ames Research Center<br />
der NASA (National Aeronautics and Space Administration;<br />
Bundesbehörde für Luft- und Raumfahrt der USA) in Kalifornien. In diesem<br />
12 × 24 Meter großen Windkanal findet ein ganzes Flugzeug mit einer<br />
Flügelspannweite von 22 Metern Platz.<br />
Je größer der Querschnitt des Windkanals, desto schwieriger ist es, einen<br />
Luftstrom von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.<br />
Das gilt besonders für Anlagen, in denen Über- und<br />
Hyperschallgeschwindigkeitsbedingungen erzeugt werden sollen. Hier ist<br />
der Energiebedarf so hoch, dass der Tunnel wesentlich kleiner sein muss.<br />
Große Unterschallwindkanäle können den Luftstrom zwar mit<br />
motorbetriebenen Propellergebläsen erzeugen, für höhere<br />
Geschwindigkeiten sind aber Luftkompressoren (Drucklufterzeuger)<br />
11
erforderlich. Diese setzen unter hohem Druck stehende Gase frei.<br />
Windkanäle, die mit einer Gasladung arbeiten, können nur sehr kurze Zeit<br />
in Betrieb bleiben. Extrem hohe Geschwindigkeiten werden im<br />
Hochgeschwindigkeitswindkanal erzeugt. Hier können z. B. kleine<br />
Flugzeug- oder Raumfahrzeugmodelle mit einer Sprengladung in die eine<br />
Richtung des Kanals geschossen werden, während gleichzeitig ebenfalls<br />
mit einer Sprengladung beschleunigtes Gas in die andere Richtung strömt.<br />
Damit lassen sich für die Dauer von etwa einer Sekunde<br />
Luftgeschwindigkeiten von bis zu 48 000 Kilometern pro Stunde erreichen.<br />
Abbildung 10<br />
Beim Flug von Überschallraumfahrzeugen entsteht durch Reibung eine<br />
erhebliche Wärmeentwicklung (siehe Wärmeübertragung). Zur<br />
Untersuchung solcher Bedingungen wird in besonderen Windkanälen ein<br />
Strahl heißen Gases auf das Modell geleitet. Gasbewegung und<br />
Wärmeentwicklung werden gemessen.<br />
Manchmal wird in Unterschallwindkanälen Rauch eingesetzt, um die<br />
Luftbewegung an den Flügeln eines Flugzeuges sichtbar zu machen. In<br />
anderen eigens dafür konstruierten Windkanälen kann man die<br />
Bedingungen in großen Höhen nachahmen und ihren Einfluss auf das<br />
Verhalten eines Flugzeuges untersuchen. Es wurden bereits Bedingungen<br />
erzeugt, die einer Höhe von 145 Kilometern entsprechen. Diese<br />
Höhenversuche sind ebenfalls wichtig für die Beurteilung des Verhaltens<br />
von Strahltriebwerken unter sämtlichen Flugbedingungen. In einem<br />
Spezialwindkanal im Lewis Flight Propulsion Laboratory der NASA in<br />
Cleveland (Ohio) kann man Strahltriebwerke in Originalgröße bei<br />
12
Luftgeschwindigkeiten bis zu 3 860 Kilometer pro Stunde und Höhen bis<br />
zu 30 500 Metern prüfen. Der geplante europäische Überschallwindkanal<br />
(European Transsonic Wind Tunnel), der von europäischen<br />
Luftfahrtbetrieben und Forschungseinrichtungen genutzt werden soll, wird<br />
eine ähnliche Leistungsfähigkeit haben.<br />
Vakuumtechnik<br />
Geringe bis mittlere Vakua werden seit dem späten 19. Jahrhundert in<br />
Haushaltsgeräten wie Vakuumflaschen und Staubsaugern benutzt.<br />
Abbildung 11<br />
Dewar-Gefäß<br />
Ein Dewar-Gefäß besitzt einen doppelwandigen Glasbehälter, dessen Wandzwischenraum evakuiert und mit<br />
einer wärmeisolierenden Schicht (meist dünne Silberschicht) versehen ist. Dewar-Gefäße dienen beispielsweise<br />
in Laboratorien zur Aufbewahrung von heißen oder extrem kalten Stoffen (z. B. flüssige Luft). Der<br />
doppelwandige Glasbehälter hält das aufzubewahrende Gut auf annähernd konstante hohe bzw. niedrige<br />
Temperatur. Das Gefäß wurde nach dem britischen Chemiker James Dewar benannt. Die Funktionsweise von<br />
Thermoskannen ist im Prinzip die gleiche.<br />
Die Vakuumtechnologie kommt ebenfalls bei der Destillation von<br />
Schmierölen aus Petroleumresiduen und beim Abpumpen von Luft aus<br />
Glühbirnen zum Einsatz. Hochvakuumtechnik wird auch zur molekularen<br />
Destillation von Fischfetten bei der Herstellung von Vitamin-A-Konzentrat<br />
herangezogen sowie bei der elektromagnetischen Abscheidung von Uran<br />
235 von dem häufigeren Isotop des Urans, mit dem es von Natur aus<br />
verbunden ist.<br />
Eines der wichtigsten Einsatzgebiete der Vakuumtechnik in jüngerer Zeit<br />
ist das großindustrielle Tiefgefrieren. Unter Vakuumbedingungen wird die<br />
Verdunstung von Wasser sehr stark beschleunigt, deshalb kommt dieses<br />
Verfahren für die Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln zur Anwendung.<br />
Das in den Lebensmitteln enthaltene Wasser wird verdampft und entzieht<br />
13
ihnen dabei so viel thermische Energie (Verdampfungskälte), dass sie<br />
schockartig durchgefroren werden.<br />
Im Hochvakuum verdampftes Metall wird benutzt, um Kunststoffe oder<br />
andere Gegenstände mit einer Metallschicht zu überziehen, die den<br />
Gegenständen ein hochwertiges metallisches Aussehen verleiht.<br />
Durch die Einführung von Hochgeschwindigkeits-Hochvakuumpumpen<br />
konnte die Produktion von Fernsehröhren gewaltig beschleunigt werden.<br />
Geschmolzene, gegossene oder gesinterte Metalle können in ihren<br />
physikalischen Eigenschaften durch Behandlung im Hochvakuum noch<br />
verbessert werden, da hierbei Gaseinschlüsse und Verunreinigungen<br />
entfernt werden. Metallische Einkristalle, die für Transistoren und ähnliche<br />
elektronische Bauteile verwendet werden, werden in<br />
Hochvakuumreaktoren „gewachsen”, d. h. gefertigt. Elektrische<br />
Transformatoren und Hochspannungskabel werden mit hoch<br />
durchschlagfesten Dielektrika vakuumimprägniert, um die Eigenschaften<br />
der elektrischen Isolierung zu verbessern. Um bestmögliche<br />
Wärmeisolierung für Flaschen und Rohre zu erreichen, in denen<br />
verflüssigte Gase gelagert oder transportiert werden sollen, werden deren<br />
Gefäßwände im Hochvakuum behandelt. Halbleitersubstrate zur<br />
Herstellung elektronischer Schaltungen werden durch „Aufsputtern”<br />
widerstandsfähiger Materialien, wie Tantal oder Wolfram, in einer<br />
Hochvakuumatmosphäre behandelt.<br />
Teilchenbeschleuniger sind auf sehr gute Vakua angewiesen, um den<br />
Teilchen einen möglichst unbehinderten, gaspartikelfreien Umlauf zu<br />
ermöglichen. Um Bauteile der Luft- und Raumfahrttechnik unter<br />
simulierten Weltraumbedingungen testen zu können, benutzt man große<br />
Versuchskammern mit Fassungsvermögen von zum Teil mehreren tausend<br />
Kubikmetern, die für die Erzeugung guter Vakua sehr hohe<br />
Abpumpgeschwindigkeiten erfordern.<br />
Für bestimmte Formen chemischer Untersuchungen, bei denen die<br />
Analyseprobe in gasförmigem Zustand oder in der Gestalt elektrisch<br />
geladener Ionen sein muss, kann nur eine Vakuumumgebung das<br />
Geforderte leisten. Derartige Geräte sind u. a. Massenspektrometer,<br />
Elektronenmikroskope und Messgeräte für Vakuumverschmelzung und<br />
kernmagnetische Resonanz.<br />
14
Aufbau der Geräte<br />
Vakuumanlage:<br />
Abbildung 12<br />
Ein betriebsfähiges Vakuumsystem setzt sich aus drei Teilen zusammen:<br />
Hauptkammer, in der die Arbeit ausgeführt wird<br />
Vakuumpumpen<br />
zusätzliche Ausstattung wie Rohrleitungen, elektrische<br />
Steuereinrichtungen und Messapparaturen<br />
Um mit der Vakuumanlage in der Abbildung oben arbeiten zu können,<br />
muss die Arbeitskammer mit ihrem Vakuummessgerät vakuumdicht mit<br />
dem Pumpstand verbunden sein. Sobald Hochvakuum- und Grobventile<br />
geschlossen sind und das Vordruckventil geöffnet ist, laufen die<br />
Diffusionspumpen und die mechanischen Pumpen an. Wenn die<br />
Diffusionspumpe in Betrieb ist, kann sie durch Schließen des<br />
Vordruckventils vom restlichen System abgetrennt werden. Anschließend<br />
wird die Arbeitskammer abgepumpt, und zwar zunächst mit der<br />
mechanischen Pumpe. Hierzu ist das Lufteinlassventil geschlossen und das<br />
Grobventil geöffnet. Der Druck in der Arbeitskammer sinkt dann auf ein<br />
zehntausendstel Bar (1 Bar ≡ 100 000 Pascal).<br />
Die Kammer wird dann zur Diffusionspumpe hin geöffnet, wobei zuerst<br />
das Grobventil geschlossen und danach die Vordruck- und<br />
Hochvakuumventile geöffnet werden. Sodann ist die Kammer für Arbeiten<br />
bereit, die darin ausgeführt werden sollen. Die Arbeitskammer ist ein<br />
luftdicht abgeschlossener Behälter mit einer oder mehreren Möglichkeiten<br />
des Zugriffs auf den Innenraum. Für einfachere Aufgaben werden oft auch<br />
abgedichtete Glas- oder Stahlglocken benutzt. Zum Innenraum der<br />
Kammer stehen von außen her leckdichte Verbindungen zur Verfügung, z.<br />
15
B. Schaugläser, elektrische Anschlüsse oder Werkzeuge, die mechanische<br />
Bewegungen von außen in das Vakuum übertragen können.<br />
Vakuumpumpe - Schematischer Querschnitt durch eine<br />
Drehschieberpumpe:<br />
Abbildung 13<br />
Bei der Drehschieberpumpe läuft ein Zylinder exzentrisch in einem<br />
zylindrischen Hohlgehäuse. Am Läufer ist ein hin- und herschiebbares<br />
Schaufelblatt so angebracht und mit Federn vorgespannt, dass es in<br />
ständigem Kontakt zur Laufbuchse steht und somit direkten Gasdurchtritt<br />
zwischen Einlass und Auspuff verhindert. Das gesamte Innere ist mit<br />
einem Dichtungsöl benetzt, das einen sehr geringen Dampfdruck hat.<br />
Wasserstrahlpumpe:<br />
Abbildung 14<br />
Die Strahlpumpe beruht auf dem Prinzip, dass ein Gas oder eine<br />
Flüssigkeit, die unter hohem Druck als gerichteter Strahl durch eine Düse<br />
gepresst wird, Gasmoleküle aufnimmt und abführt. Als Treibmittel kann z.<br />
B. Wasser oder Wasserdampf dienen.<br />
Die Diffusionspumpe arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, benutzt aber<br />
den entgasten Dampf einer Flüssigkeit mit sehr geringem Dampfdruck,<br />
16
meist ein speziell für diesen Zweck hergestelltes organisches Öl oder<br />
Quecksilber als Treibmittel. Dieses Treibmittel wird in dem Gasraum, der<br />
evakuiert werden soll, frisch verdampft und durchströmt ihn mit extrem<br />
hoher Geschwindigkeit, so dass Gasmoleküle in den Treibmittelstrahl<br />
eindiffundieren und mitgenommen werden. Das gasbeladene Treibmittel<br />
wird dann entgast und in einem Kreislauf zurückgeführt.<br />
Barometer<br />
Das Barometer ist ein Gerät zur Messung des <strong>Luftdruck</strong>es, also der Kraft,<br />
die durch das Gewicht der Luft in der Atmosphäre auf eine Flächeneinheit<br />
ausgeübt wird.<br />
Flüssigkeitsbarometer enthalten Quecksilber, das 13,6-mal so schwer wie<br />
Wasser ist, wodurch die Quecksilbersäule, die den <strong>Luftdruck</strong> aufwiegt, im<br />
Mittel nur 760 Millimeter hoch ist. Diese 760-Millimeter-Quecksilbersäule<br />
legt den mittleren <strong>Luftdruck</strong> in Meereshöhe fest, dies entspricht 760 Torr<br />
(-> 1 Torr = 1 Millimeter Quecksilbersäule) oder 1 013,2 Hektopascal<br />
(hPa, 1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter).<br />
Abbildung 15<br />
Torricelli (1608-1647) nutzte als Erster zum Nachweis des <strong>Luftdruck</strong>es ein oben geschlossenes, mit Quecksilber<br />
gefülltes Glasrohr, das er in eine Schale mit Quecksilber brachte. Der Flüssigkeitsspiegel im Rohr blieb in allen<br />
Fällen in einer Höhe von ungefähr 76 Zentimetern stehen.<br />
Heutige Quecksilberbarometer bestehen im Prinzip aus einem etwa 840<br />
Millimeter hohen Glasrohr, das oben verschlossen und unten offen ist. Mit<br />
Quecksilber gefüllt, wird das Rohr mit dem offenen Ende in einen oben<br />
offenen, ebenfalls mit Quecksilber gefüllten Behälter getaucht. Der<br />
Quecksilberspiegel im Glasrohr fällt dann auf eine Höhe von etwa 760<br />
Millimeter über dem Spiegel im Behälter. Dabei entsteht im oberen Teil<br />
des Rohres ein fast perfektes Vakuum. Schwankungen des <strong>Luftdruck</strong>es<br />
lassen die Flüssigkeit im Rohr steigen oder fallen. Auf Meereshöhe bewegt<br />
sich der Spiegel meist zwischen 737 und 775 Millimetern, das entspricht<br />
einer Schwankung des <strong>Luftdruck</strong>es zwischen 930 und 1 070 Hektopascal.<br />
Wenn der Quecksilberspiegel mit einer graduierten Skala, die als<br />
17
Vernieranhang bezeichnet wird, abgelesen wird und entsprechende<br />
Korrekturen für die Höhe über dem Meeresspiegel (Normalnull),<br />
geographische Breite (wegen der Veränderung der effektiven<br />
Gravitationskraft), für die Temperatur (wegen der Ausdehnung des<br />
Quecksilbers) und für den Durchmesser des Glasrohres (wegen der<br />
Kapillarwirkung) gemacht werden, ist die Anzeige eines<br />
Quecksilberbarometers auf 0,1 Millimeter genau.<br />
Beim Dosen- oder Aneroidbarometer verformt der <strong>Luftdruck</strong> die elastische<br />
Oberseite einer teilevakuierten Dose. Der Grad der Verformung wird über<br />
einen Mechanismus und einen Zeiger auf eine Skala übertragen. Spezielle<br />
Dosenbarometer werden als Höhenmesser oder Altimeter verwendet, da<br />
der <strong>Luftdruck</strong> mit zunehmender Höhe abnimmt.<br />
Flugmedizin<br />
Abbildung 16<br />
Ein entscheidender Faktor beim Fliegen ist der ständige Sauerstoffbedarf<br />
des menschlichen Körpers. Der Organismus kann Sauerstoff nur im Blut<br />
speichern. Die Muskeln können zwar eine Zeit lang auch ohne<br />
Sauerstoffnachschub arbeiten, doch dann nimmt ihre Leistungsfähigkeit<br />
durch die Anhäufung giftiger Abfallstoffe rapide ab. Am empfindlichsten<br />
reagieren Augen und Gehirn auf Sauerstoffmangel.<br />
Die Erdatmosphäre besteht zu 21 % aus Sauerstoff und übt auf<br />
Meereshöhe einen durchschnittlichen Druck von 1 013 Hektopascal (hPa)<br />
aus. Mindestens bis zu einer Höhe von 5 000 Metern reicht der äußere<br />
<strong>Luftdruck</strong> aus, um Menschen, deren Organismus an große Höhen<br />
angepasst ist, unbeschwertes Atmen zu ermöglichen. In großen Höhen<br />
18
muss der Druck künstlich erhöht werden, um Menschen, die nicht an den<br />
geringen <strong>Luftdruck</strong> angepasst sind, über längere Zeit hinweg das<br />
Überleben zu sichern.<br />
Militärflugzeuge, die in großen Höhen fliegen, sind mit Sauerstoffgeräten<br />
ausgestattet, die bei Flughöhen über 3 000 Meter von den<br />
Besatzungsmitgliedern ständig getragen werden müssen. Bei Flugzeugen,<br />
die für Höhen von über 10 000 Metern geeignet sind, steht in der Regel<br />
das gesamte Cockpit unter Überdruck oder sie sind mit einer Überdruck-<br />
Sauerstoffversorgung ausgerüstet. In Militärmaschinen, die bis über 16<br />
000 Meter aufsteigen können verfügt die Besatzung über Ganzkörper-<br />
Druckanzüge.<br />
Zivile Fluggesellschaften statten ihre Maschinen den gesetzlichen<br />
Regelungen entsprechend mit Druckkabinen aus. In Flugzeugen, die<br />
beispielsweise Höhen um 6 700 Meter erreichen, muss der Kabinendruck<br />
einer Höhe von etwa 1 800 Metern entsprechen.<br />
Bei geringem <strong>Luftdruck</strong> in über 9 150 Meter Höhe bleibt der Stickstoff<br />
nicht mehr in der Gewebeflüssigkeit des Körpers gelöst, sondern wird in<br />
Form kleiner Blasen frei. Diese können ebenso wie zerstörte Fettzellen ins<br />
Blut gelangen und als Embolien Blutgefäße blockieren. Dieser Zustand,<br />
Gasembolie oder Druckfallkrankheit genannt, führt zu geistiger<br />
Verwirrung, Lähmungserscheinungen und dem Zusammenbruch von<br />
Nerven- und Kreislaufsystem.<br />
Als wichtige Vorbeugungsmaßnahme hat sich das Einatmen reinen<br />
Sauerstoffs vor dem Flug erwiesen, denn auf diese Weise wird der<br />
Stickstoff aus dem Blut verdrängt. Schneller Druckverlust, wie er bei einer<br />
Undichtheit der Flugzeugkabine in großer Höhe auftreten kann, führt zur<br />
Bildung von Gasblasen in den Körperhöhlen. Ihr Druck verursacht<br />
schwerwiegende Schädigungen des Herzens und anderer Organe.<br />
Tauchen<br />
Tauchglocken<br />
Tauchglocken waren ab Mitte des 16. Jahrhunderts im Einsatz. Sie führten<br />
zum einen zu der Einsicht, dass nach dem Atmen komprimierter Luft das<br />
Auftauchen mit angehaltenem Atem zu schweren<br />
Lungenüberdehnungsunfällen führen können, zum anderen, dass die<br />
verbrauchte Luft bald ersetzt werden muss, damit der Kohlendioxidgehalt<br />
nicht auf gefährliche Werte ansteigt. Letzteres geschah entweder über<br />
Fässer oder durch einen Schlauch mittels einer Handpumpe, die oberhalb<br />
der Wasseroberfläche betrieben wurde. Längere Aufenthalte und<br />
effizientes Arbeiten unter Wasser waren nun möglich.<br />
In Unkenntnis der Sättigungs- und Entsättigungsvorgänge des<br />
Luftstickstoffs im Körpergewebe bei veränderlichen Druckverhältnissen<br />
kam es allerdings häufig zu akuten, zu chronischen und auch zu tödlichen<br />
19
Dekompressionserkrankungen. Haltezeiten auf bestimmten Tiefen,<br />
abhängig von Arbeitstiefe und Tauchzeit, können dieses Problem<br />
beseitigen.<br />
Oberflächenunabhängige Tauchgeräte<br />
Abbildung 17<br />
Das Mitführen eines Vorrats an komprimierten Atemgasen und ein<br />
mechanischer Atemregler ermöglichen für begrenzte Zeit<br />
oberflächenunabhängige Tauchgänge. Tauchgeräte dieser Art müssen<br />
atemgesteuert die nötige Sauerstoffmenge liefern und den Druck des<br />
Atemgases an der Schnittstelle zum Taucher genau auf den aktuellen<br />
Umgebungsdruck reduzieren.<br />
1860 entwickelten Benoît Ronquayrol und Auguste Denayrouze aus einem<br />
Atemschutzgerät für den Bergbau die erste Version eines brauchbaren<br />
mechanischen Atemreglers.<br />
20
Versuche:<br />
Implodierte Dose<br />
Verwendete Materialien:<br />
Dose, Schüssel mit kaltem Wasser, Bunsenbrenner, Zange<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Zuerst füllt man die Schüssel mit kaltem Wasser.<br />
In die Dose gibt man ganz wenig Wasser, sodass der Boden benetzt ist,<br />
und erhitzt es stark über dem Bunsenbrenner.<br />
Dann nimmt man die Dose mit der Zange am oberen Rand und stülpt sie<br />
mit der Öffnung nach unten in das vorher vorbereitete kalte Wasser.<br />
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Versuchsergebnis:<br />
Die Dose implodiert, da die Luft bzw. der Wasserdampf in der Dose<br />
abgekühlt wird und sich zusammenzieht, aber durch die Dosenöffnung<br />
nicht so schnell kaltes Wasser in die Dose gelangen kann.<br />
Zeit:<br />
ungefähr 10 Minuten<br />
Tipps:<br />
Die Dose muss sehr schnell in das kalte Wasser gebracht werden,<br />
ansonsten funktioniert es nicht.<br />
Am besten implodieren kleine Dosen!<br />
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Gewicht der Luft<br />
Verwendete Materialien:<br />
Vakuumpumpe, Waage, runder Glaskolben<br />
Versuchsdurchführung:<br />
Der Glaskolben wird auf eine Waage gelegt und gewogen.<br />
Danach wird dieser Kolben mit der Vakuumpumpe evakuiert und wieder<br />
gewogen.<br />
Versuchsergebnis:<br />
Der Gewichtsunterschied vor und nach der Evakuierung entspricht nun<br />
dem Gewicht der Luft.<br />
Wenn wir einen kugelförmigen Glaskolben mit einem Durchmesser von 15<br />
cm verwenden, ergibt sich für das Gewicht der Luft (mit der Dichte Luft =<br />
1,2929 kg/m 3 ) im Kolben V* Luft<br />
Zeit:<br />
ungefähr 10 Minuten<br />
= <br />
3 4<br />
r * Luft ú 2,3 g.<br />
3<br />
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Quellenverzeichnis:<br />
Theoretische Grundlagen, Zusatzinformationen (S. 4 - 20 ):<br />
Physik 2 (Sexl, Raab, Streeruwitz) S. 110 - 113<br />
Taschenbuch der Physik (Kuchling) S. 168, 606<br />
Microsoft Encarta Professional 2002<br />
www.fg-lb.de<br />
baadenweb.de<br />
Abbildungsnachweis:<br />
Abbildung 1:<br />
baadenweb.de<br />
Abbildung 2, 5, 6, Tabelle (cW-Werte S.10):<br />
www.fg-lb.de<br />
Abbildung 3, 4, 9 – 17:<br />
Microsoft Encarta Professional 2002<br />
Abbildung 7, 8:<br />
Physik 2 (Sexl, Raab, Streeruwitz) S. 110, 111<br />
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