Natur und Technik Vakuum und Überdruck

Transkript

1 Natur und Technik Vakuum und Überdruck Ein Film von Hannes Meier Beitrag: Simon Demmelhuber, Volker Eklkofer, Petra Reinold & Hermann Deger Inhalt Wie schwer ist der Himmel? Luft ist ein Sinnbild für Leichtigkeit. Zu Recht. Luft wiegt tatsächlich nicht viel. Aber ein Gewicht hat sie trotzdem. Das liegt an den winzigen Molekülen, aus denen sie besteht. Etwas mehr als ein Kilogramm bringt jeder Kubikmeter des Gasgemisches auf die Waage. Damit ist auch klar, dass die Lufthülle unseres Planeten kein Leichtgewicht ist. Im Gegenteil: Die Atmosphäre drückt mit einer Masse von etwa fünf Milliarden Tonnen auf die Erde. Auf jedem Quadratmeter Boden steht daher eine Luftsäule mit dem Gewicht von zehn Tonnen und selbst auf jedem Quadratzentimeter lastet rund ein Kilogramm Luft. Das gilt allerdings nur in Meereshöhe. Da die Luftsäule mit steigender Höhe kürzer wird, sinkt auch ihr Gewicht. In fünf Kilometer Höhe hat sich die Auflast halbiert, in 20 Kilometer Höhe beträgt sie nur noch ein Zehntel des Bodenwertes. Das Wetter und andere Maschinen Weil der Luftdruck von so unterschiedlichen Faktoren wie Höhe, Temperatur und Feuchtigkeit abhängt, ist er einem ständigen Wechsel unterzogen. Diese Schwankungen bringen die Atmosphäre in Bewegung und setzen die "Wettermaschine" in Gang. Denn letztlich sind die Winde aller Stärken, von der leichten Brise bis hin zum Orkan nur eine Folge veränderter Luftdruckverhältnisse. Aber nicht nur in der Natur, sondern auch in der Technik spielen Drucke und Druckeränderungen eine große Rolle. Weil sich die Luft wie alle Gase komprimieren, also zusammenpressen lässt, kann sie Energie transportieren und bei ihrer Entspannung mechanische Arbeit verrichten. Auf diesem Prinzip eines künstlich erzeugten Überdrucks basieren nicht nur Luftmatratzen, sondern eine ganze Reihe von Druckluftmaschinen wie etwa Luftpumpen, Kompressoren, Schrauber oder der Presslufthammer. Das Vakuum als Werkzeug Aber nicht nur das Verdichten, sondern auch das Vermindern des Drucks ist für den technischen Einsatz von größter Bedeutung: Die Vakuumtechnik setzt den Druckunterschied zwischen den normalen atmosphärischen Bedingungen der Umgebung und mehr oder minder luftleer gepumpten Behältern als Werkzeug ein: Moderne Bremskraftverstärker für Kraftfahrzeuge und die Bremssysteme für Eisenbahnen entfalten ihre Kraft mithilfe eines künstlich erzeugten Unterdrucks, in Flugzeugen oder auf Schiffen pumpt Bayerischer Rundfunk 1

2 ein Druckgefälle die Toiletten leer, großflächige Glasscheiben und Bauteile lassen sich mittels eines Vakuum-Sauggreifers ohne Beschädigung der Oberflächen fixieren oder transportieren. Wasser bringt Druck auf die Säule Druck ist letztlich nichts anderes als Gewichtskraft, die auf eine Fläche wirkt. Das gilt für Gase und den Gasdruck genau so wie für Flüssigkeiten. Mit einem Unterschied: Flüssigkeiten sind schwerer als Gase. Genauer gesagt, haben sie mehr Masse pro Volumen und damit eine größere Dichte als Gase. Das hat zwei Folgen: Erstens lassen sich Flüssigkeiten aufgrund ihrer höheren Dichte nicht komprimieren, zweitens "drücken" Flüssigkeitssäulen stärker auf ihre Grundflächen. Bereits eine Wassersäule mit einer Höhe von 10 Metern erzeugt einen Druck von rund einem Bar, das entspricht dem Luftdruck auf der Erdoberfläche. Weil der Druck pro zehn Meter Tiefe um jeweils ein Bar zunimmt, herrschen in zehn Meter Tiefe bereits zwei Bar und 20 Meter Tiefe schon drei Bar Druck. Um diesem rasanten Druckanstieg standzuhalten, müssen Tauchboote extrem stabil gebaut sein. Andernfalls würden sie unweigerlich zermalmt. Vom kleinen auf den großen Kolben Flüssigkeiten eignen sich bestens zur Übertragung oder Verstärkung von Kräften, weil sie den Druck nach allen Seiten gleichmäßig fortpflanzen. In hydraulische Anlagen, die diese Eigenschaft nutzen, überträgt eine eingeschlossene Flüssigkeit den durch einen Kolben erzeugten Druck auf einen zweiten Kolben. Da dieser zweite Kolben eine größere Fläche hat, wirkt eine entsprechende größere Kraft auf ihn ein. Der Effekt liegt auf der Hand: Die kleine Kraft am kleineren Pumpkolben bewirkt eine große Kraft am größeren Arbeitskolben. Mit diesem Trick entfesseln hydraulische Hebebühnen, Pressen und Bremsen ihre gewaltigen Kräfte. 2. Druck in Gasen oder Flüssigkeiten Wenn ein Luftballon aufgeblasen wird, steigt der Druck der Luft im Inneren mit jedem Atemstoß. Die gedehnte Gummihülle hält die gepresste Luft zusammen. Innen baut sich ein immer größerer Druck auf. Je größer der Druck, desto größer ist das Volumen des Luftballons. Das Luftvolumen lässt sich durch Druck verkleinern. Man muss dazu von mehreren Seiten gleichzeitig pressen. Man sagt: Luft ist elastisch. Wir stülpen einen Luftballon über eine Glasflasche und erwärmen die Luft im Behälter. Dadurch erhöht sich der Druck in der Glasflasche und der Luftballon bläht sich ein wenig auf. Erhöht sich also die Temperatur eines Gases, möchte es sich ausdehnen. Kann es sich frei ausbreiten, so nimmt es ein größeres Volumen ein. Ist es in einem begrenzten Raum eingeschlossen, erhöht sich der Druck. Nun wechseln wir vom Gas zu einer Flüssigkeit: Eine weiche Kunststoffflasche, die vollständig mit Wasser gefüllt wurde, lässt sich nicht zusammendrücken. Wasser hat ein festes Volumen. Fakten 1. Überdruck - Unterdruck Wenn Ballone platzen und Vulkane ausbrechen, wenn ein Bieranstich zur Bierdusche wird, oder wenn sich Industrieroboter wie von Geisterhand bewegen all das hat mit Druck und Überdruck zu tun! Der richtige Blutdruck ist wichtig für die Gesundheit und der richtige Reifendruck für die Verkehrssicherheit und die Lebensdauer von Reifen! Wegen der viel größeren Dichte von Wasser gegenüber der von Luft, verändert sich der Wasserdruck mit der Tiefe sehr viel schneller als der Luftdruck mit der Höhe. Besonders deutlich wird das beim Tauchen! Wenn man mit einem Ballon auf fünf Meter Tiefe taucht, drückt der Wasserdruck den Ballon deutlich zusammen. Der Druck im Wasser nimmt nämlich pro fünf Meter Tiefe um ein halbes Bar zu! Bayerischer Rundfunk 2

3 Was soll man sich im Teilchenmodell unter einem Druck vorstellen? Ein Gas besteht aus vielen Molekülen, die sich durcheinander bewegen und dabei einen möglichst großen Raum beanspruchen. Man muss sie in ein Volumen einsperren, damit sie den vorgegebenen Raum nicht verlassen. Dabei passiert es, dass einzelne Moleküle gegen die Wände des Behälters stoßen und zurück geworfen werden. Je kleiner der Raum und je heißer das Gas, desto größer ist der Druck der Gasmoleküle auf die Wände. Im ersten Fall stoßen die Teilchen häufiger an die Wand, weil sie weniger Platz zur Verfügung haben; im zweiten Fall, weil sie sich schneller bewegen. Bei einer Flüssigkeit ist es etwas anders, als bei einem Gas. Die Moleküle bleiben von selbst zusammen. Da der Raumbedarf ohnehin schon sehr klein ist, lässt sich die Flüssigkeit nicht weiter zusammendrücken. Die Druckvorstellung ist dagegen bei einer Flüssigkeit genauso wie bei einem Gas. Einzelne Moleküle stoßen gegen die Wände des Behälters und prallen wieder ab. 3. Technische Druckbeispiele Für unterschiedliche Zwecke gibt es unterschiedliche Druckmessgeräte: Geräte, die den Luftdruck messen, heißen Barometer. Geräte, die den Druck in einer Gasflasche oder einem Flüssigkeitskreislauf messen, heißen Manometer. Bei allen Messgeräten wird die Kraftwirkung auf eine Messfläche registriert: Je größer die Kraft, desto größer der Druck. Die Einheit für den Druck ist das Pascal, abgekürzt 1 Pa. In der Technik findet man viele Beispiele, die mit Druck zu tun haben. Um die Reifen eines Fahrrads aufzupumpen, benutzt man eine Luftpumpe. An einer Tankstelle bekommt man ein bequemes Luftdruckgerät mit Anzeige. Einen Teildruck der gleich ist dem Luftdruck nennt man ein Bar. Bei einem Reifendruck von zwei Bar Überdruck herrscht also im Reifen insgesamt ein dreifacher Luftdruck; das sind Hektopascal. Mit einer Wasserpumpe kann man Wasser aus einem Behälter pumpen, um damit den Garten zu gießen, je höher der Druck, desto weiter und kräftiger der Wasserstrahl. Wenn die Wasserpumpe nicht im Behälter untergetaucht werden darf, muss sie das Wasser erst einmal ansaugen. Dazu erzeugt die Pumpe einen so genannten Unterdruck. Wie man mit einem Unterdruck eine gewaltige Kraft bewirken kann, zeigt ein Versuch mit Halbkugeln aus Metall. Sie werden mit einem Dichtungsring zusammengefügt und dann wird die Luft dazwischen herausgepumpt. Nun kann man versuchen, die Halbkugeln mit großer Kraft auseinander zu ziehen - es ist nicht zu schaffen. Ein Pascal ist sehr wenig Druck: eine Tafel Schokolade drückt auf eine Fläche von einem Quadratmeter. Der Luftdruck beträgt etwa Pascal, gleich Hektopascal. Die Vorsilbe Hekto bedeutet hundertfach. Druck spielt eine Rolle bei einer Dampfmaschine, aber auch wenn der Schulbus seine Tür öffnet und wieder schließt. In beiden Fällen ist es ein Überdruck in einem Behälter, der einen Kolben in eine Bewegung presst. Mit Druck bewegt auch ein Bagger seinen Schaufelarm. Hier sind die Kolben und die daran angeschlossenen Druckschläuche sehr gut zu sehen. Die Kolben bewe- Bayerischer Rundfunk 3

4 gen sich mit dem Überdruck von Spezialöl. Je größer die Querschnittsfläche des Druckkolbens und je größer der Druck, desto größer ist die Kraft, die der Kolben auf die Schaufel ausübt. Body Flyer sind eine Attraktion in manchen Vergnügungsparks. Ein waagrecht installierter Riesenventilator macht es möglich, dass Personen vom Druck der Luft in die Höhe gehoben werden; sie haben das Gefühl, dass sie fliegen können! 4. Leben bei unterschiedlichen Druckverhältnissen bekommen: In sehr großen Höhen über Meter brauchen wir eine Druckkabine, in der ein fast normaler Luftdruck herrscht. Mit so einer Kapsel erzielte Auguste Piccard 1931 seinen Höhenrekord von Meter mit Hilfe eines Spezialballons. Heute ist das ganz normal: Jeder von uns, der in einer Passagiermaschine in etwa zehn Kilometer Höhe fliegt, befindet sich in so einer Druckkapsel. Außen herrscht ein Unterdruck (etwa ein Viertel Luftdruck), innen ein Luftdruck wie in Meter Höhe. Gesundheitsproblem treten nicht nur bei Unterdruck, sondern auch bei Überdruck auf: Beim Tauchen z. B. spürt man Schmerzen am Trommelfell. Schon in fünf Meter Tiefe erhöht sich der Druck um eine halbe Luftdruckeinheit, in zehn Meter Tiefe herrscht der doppelte Luftdruck. Mehr als 50 Meter Tiefe sind nur von wenigen Menschen ohne Spezialausrüstung zu schaffen. Noch tiefer als Taucher kommen Tauchboote: In Meter Tiefe herrscht der tausendfache Luftdruck; deshalb müssen diese U-Boote extrem stabil gebaut werden; eine Kugelform ist dafür ideal. In extremen Tiefen von mehreren 100 Metern gibt es sogar noch Fische, die an die Druckverhältnisse angepasst sind. 5. Anregung für Experimente In unserem Körper haben wir auch eine Pumpe - es ist unser Herz, das den Blutkreislauf in Bewegung hält. Durch fettreiche Ernährung und Alterserscheinungen können sich Ablagerungen an den Innenwänden der Adern bilden. Dadurch werden die Adern enger. Um dieselbe Blutmenge befördern zu können, steigert der Körper den Blutdruck; dies erhöht das Risiko eine Schlaganfalls oder eines Herzinfarkts. Aber auch gesunde Menschen können mit Abweichungen vom normalen Luftdruck Probleme Zum Abschluss der Sendung zeigen Schüler Versuche zum Druck in Luft und Wasser. Das erste Experiment mit so genannten Cartesischen Tauchern ist eine völlig ungefährliche Sache, die viel Spaß macht und einiges zum Verständnis von Druck in Luft und Wasser beiträgt. Das zweite Experiment mit einem Schokoschaumkopf unter einer Vakuumglocke darf nur mit Schutzbrille durchgeführt werden, da bei evakuierten Gefäßen die Gefahr einer Implosion gegeben ist. Bayerischer Rundfunk 4

5 Didaktische Hinweise Die Sendung ist für das Fach Natur und Technik am Gymnasium ab der 5. Jahrgangsstufe konzipiert. Lehrplanbezüge (Bayern) 5. Jgst. 5.1 Schwerpunkt Naturwissenschaftliches Arbeiten Teilchenvorstellung und Energiewandel (Atom, Molekül, Element, Verbindung, Periodensystem) - Modellvorstellung zu Gasen, Ursache von Druck und Temperatur, Modellvorstellung zu Flüssigkeiten, Ursache von Tiefendruck Themenbereiche und Konzepte: Luft: Luft als Gemisch, Erfahrungen und Anwendungen: Luftdruck (als Sonderfall für einen Gasdruck) Wasser: Lebensraum Wasser (Tiefendruck) 5.2 Schwerpunkt Biologie Der Körper des Menschen und seine Gesunderhaltung, Stofftransport durch das Herz-Kreislauf- System (Bedeutung des richtigen Blutdrucks für die Gesundheit) Arbeitsblätter Overheadfolien / Kopiervorlagen Overheadfolie 1: Vorstellung zum Druck Vorlage mit Textlücken Overheadfolie 1: Vorstellung zum Druck - Lösung Overheadfolie 2: Druckwerte in Alltag und Technik - Vorlage mit Textlücken Overheadfolie 2: Druckwerte in Alltag und Technik Lösung Suse Sausewind: Suse Sausewind soll diesmal ein experimentelles Rätsel lösen: Wie bekommt man ein gekochtes und geschältes Ei nur mit Hilfe von kaltem und warmem Wasser in eine leere Milchflasche und später heil wieder heraus? Anleitungen für Experimente Anleitung 1: Cartesischer Taucher Anleitung 2: Schokoschaumkopf im Vakuum Kreuzwortpuzzle Vorlage Lösung Links id= &experimentid= &sid=bb c15ba1296d72dd39a264 Schulgerechte Versuche zum Luftdruck Bayerischer Rundfunk 5