Aspekte des fachlichen Hintergrunds dieser Versuchsreihe Luft befindet sich überall und doch ist sie unsichtbar und wir nehmen sie kaum wahr. Aber Luft ist nicht NICHTS! Luft ist ein faszinierendes Phänomen. Sie spendet uns beim Atmen täglich Leben und schützt uns vor der Hitze der Sonne. In vielerlei Hinsicht ist sie ein unentbehrlicher Helfer bei der Bewältigung unseres Alltags. Sie treibt Windmaschinen und Segelschiffe an, lässt Flugzeuge fliegen und Fallschirme sicher zu Boden sinken. Ohne Luft würde uns kein springender Ball und kein Musikinstrument erfreuen. Wir verdanken ihr Wind und Wetter, sie facht Feuer an und hält den Wasserkreislauf in Schwung. Ohne Luft gäbe es kein Leben auf der Erde. Warum sieht man Luft eigentlich nicht? Weil LUFT unsichtbar ist, vergessen wir leicht, dass auch sie MATERIE ist. Das ist nicht nur für Kinder schwer zu begreifen. Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen und Teilchen. Auch wenn bereits vor 2500 Jahren die Griechen die Luft als eines der vier Elemente bezeichneten, die unsere Welt bilden, so erkannte man erst im 17. Jahrhundert, dass LUFT ein GAS ist. Die Moleküle der Luft sind so unsagbar klein, dass wir sie nicht wahrnehmen können, obwohl sie in unvorstellbar großen Mengen vorhanden sind: 1 cm 3 enthält 30 000 000 000 000 000 000 Moleküle = 30 Trillionen = 10 18 Luft ist ein Gemisch aus den Molekülen verschiedener Gase: aus Sauerstoffmolekülen (21 %) O 2 2 Atome bilden ein Molekül (O 3 = Ozon) aus Stickstoffmolekülen (78 %) N 2 tritt ebenfalls fast nie als einzelnes Atom auf und Molekülen anderer Gase (1 %) wie Neon, Helium, Argon und Krypton dazu kommen Moleküle von Kohlendioxyd und Wasserdampf Obwohl der CO 2 Anteil mit 0,03 % sehr gering erscheint, ist er nach derzeitigem Stand der Forschung für den Treibhauseffekt und die Klimaerwärmung verantwortlich. Neben diesen Inhaltsstoffen können in der Luft auch Schadstoffe wie z.b. Schwefeldioxid enthalten sein. Aber auch was im molekularen Bereich der Luft vor sich geht, ist kaum vorstellbar. Die Teilchen der Gase befinden sich in großen Abständen zueinander und bewegen sich mit extremer Geschwindigkeit ungeordnet durch den Raum. Wenn man einen 1millionstel Zentimeter vergrößern würde, ergäbe sich ungefähr nebenstehende Abbildung. Einige Pfeile sollen andeuten, dass sich die Luftmoleküle ständig ungeordnet in verschiedene Richtungen bewegen, aneinander stoßen und wieder abprallen. 12 2008 education highway - www.technikdetektive.at
Würde ein 10millionstel Zentimeter vergrößert werden, könnten wir das Verhalten eines einzelnen Moleküls erahnen. Obwohl diese Teilchen so klein sind, können wir sie spüren, zum Beispiel, wenn wir unsere Hand schnell durch die Luft bewegen oder wenn uns der Wind ins Gesicht bläst. Das funktioniert vor allem deswegen, weil die Anzahl der Moleküle immens ist. Anders als bei festen Stoffen und bei Flüssigkeiten halten diese Luftteilchen einen Abstand zueinander dieser ist immerhin so groß, dass uns die Luft durchsichtig erscheint. Der Abstand zwischen den Teilchen ist gefüllt mit NICHTS! Es kann nicht darum gehen, Grundschulkinder mit diesen Sachverhalten zu konfrontieren. Aber als Lehrperson selbst ein klein wenig in das Geheimnis der Luft einzudringen, erweckt Erstaunen über die Phänomene und Wirkungen der Luft, die wir im Alltag so selbstverständlich hinnehmen. Außerdem gibt es doch immer wieder ungeheuer interessierte Kinder. Was bedeutet Luft ist ein Körper? Mit dieser Aussage haben Kinder so ihre Schwierigkeiten sie beziehen den Begriff KÖRPER ausschließlich auf den menschlichen Körper. So kann die Beschäftigung mit Luft einen ersten Grundstein legen zum Verständnis dieses grundlegenden Begriffs der Physik. In der Sprache der Physik ist ein KÖRPER jedes stoffliche und räumliche Gebilde eine Materienmenge also mit mehr oder weniger fester Gestalt. Eine Eigenschaft jedes Körpers ist seine MASSE und seine DICHTE. Der Raum, den ein Körper einnimmt, ist sein VOLUMEN. Es gibt Form Volumen feste Körper ist beständig ist beständig flüssige Körper ist leicht veränderlich ist beständig gasförmige Körper also auch Luft ist leicht veränderlich ist leicht veränderlich Luft nimmt jeden Raum zur Gänze ein, der ihr zur Verfügung steht zwischen Gasmolekülen bestehen keine anziehenden Kräfte, sie breiten sich überall aus. 2008 education highway - www.technikdetektive.at 13
Sie weichen aus, wenn sie können daher bewegen wir uns durch die Luft ohne Behinderung. Wird die Luft aber am Entweichen gehindert, behauptet sie ihren Platz, so stellen wir fest, dass ein Glas eben NICHT leer ist. Luft kann einen anderen Körper z.b. Wasser verdrängen. In der Physik gilt: Wo ein Körper ist, kann kein anderer sein. Experimente: Die Versuche Können Gummibärchen tauchen? Unsichtbare Luft sehen und hören Der Ballon in der Flasche Auch Luft braucht Raum Kann man Luft pressen? entsprechen diesem Phänomen. Hat Luft ein Gewicht? Luft hat eine MASSE sie besteht aus unvorstellbar vielen Materieteilchen. Diese werden von der Erdanziehungskraft angezogen dadurch entsteht ihr GEWICHT, das allerdings durch Temperatur und die Lage der Messpunkte variieren kann. Unter normalen Bedingungen wiegt ein Liter Luft (1 dm 3 ) 1,3 Gramm, 1 m 3 Luft = 1,3 kg. Mit einer sehr empfindlichen Waage (auch mit einer Digitalwaage) und einem möglichst großen Luftballon kann man selbst überprüfen, dass Luft ein Gewicht hat. Eine weitere Möglichkeit, sich eine Vorstellung von der Masse der Luft zu bilden: Ein Klassenraum mit 8 m Länge, 6 m Breite und 3 m Höhe hat ein Volumen von 136 m 3. Multipliziert mit dem Wert für 1 m 3 Luft ergibt sich ein Gewicht von 187,2 kg für die Luftmasse, die den Klassenraum ausfüllt. Ein doch sehr erstaunlicher Wert gleichzeitig ein gutes Beispiel, wie man mithilfe einer mathematischen Berechnung ein Faktum darstellen kann, dass unseren Sinneswahrnehmungen vollständig entzogen ist. Voraussetzung wäre allerdings, sich etwa 187 kg vorstellen zu können. Darum ist es auch so schwer, die Kraft und die Wirkung des Luftdrucks zu verstehen. Woher kommt dieser enorme Luftdruck? Unsere Erde ist von der Atmosphäre umgeben, einer Gashülle, die bis 600 Kilometer empor reicht. Es gibt dazu etwas unterschiedliche Angaben. Die Atmosphäre ist in mehrere Stockwerke eingeteilt. Die für uns wichtigste ist die Troposphäre. Sie reicht bis ca. 11 Kilometer, in ihr spielt sich wesentlich unser Wettergeschehen ab. Wie eine Kugel umschließt diese Lufthülle den festen Erdkörper. Die Luftschicht lastet in der Nähe der Erdoberfläche auch auf Grund ihres eigenen Gewichts, das von oben drückt stärker, sie wird nach oben hin immer dünner und leichter. Wir leben gleichsam auf dem Grund eines Luftozeans. Wenn man sich eine Fläche von 1 m 2 vorstellt, so hat die Luftsäule, die sich darüber befindet, ein Gewicht von grob gesagt 10.000 kg. Diesen Schweredruck der Luft misst man in BAR (von griech. baros = schwer). Unser Luftdruckmesser heißt daher BAROMETER. Der Druck des Gewichts der Luft erreicht auf der Erdoberfläche eine Stärke von 1 bar (oder 1000 mb = Millibar) pro Quadratzentimeter. Dieser Druck wäre vergleichbar mit dem Druck 1 Kilogramms auf die Fläche von 1 cm 2 also etwa die Fläche eines Fingernagels. Berechnet ist dieser Wert auf Meeresniveau, denn der Luftdruck nimmt mit der Höhe ab, nämlich mit je 5 km Höhe um die Hälfte. In 10 km Höhe hat der Luftdruck nur mehr 1/4 seines erdnahen Wertes für BergsteigerInnen wird die Luft immer dünner, das Atmen schwieriger, denn auch der Sauer- 14 2008 education highway - www.technikdetektive.at
stoffwert nimmt im selben Verhältnis ab. Auf dem Mount Everest herrscht ein Luftdruck von nur etwa 330 mbar, also ungefähr ein Drittel des normalen Luftdrucks. Ergänzender Hinweis zum Messen des Luftdrucks: Meist wird heute als Einheit für den Luftdruck PASCAL - Pa - verwendet (nach dem französischen Physiker Blaise Pascal, 1662). 1 bar = 100 000 Pa oder 1000 Hektopascal = 1000 hpa (hekto = griech. hundert). Die Zahlwerte von mbar entsprechen daher denen von hpa. Der Normalluftdruck beträgt 1013 mb = 1013 hpa. Dieser Normwert ist bezogen auf die Meereshöhe bei 15 C. Warum drückt uns der Luftdruck nicht zusammen? Der Luftdruck wirkt in alle Richtungen. Er übt auf alle Gegenstände von allen Seiten einen gleichmäßigen Druck aus. Schuld daran ist die ungeordnete molekulare Bewegung der Luftteilchen, die ständig nach allen Seiten rasen und von allen Oberflächen abprallen. Im Laufe der Milliarden Jahre Evolution konnten sich alle Lebewesen diesem Druck anpassen. Im Inneren unseres Körpers wie auch bei Tieren befindet sich Luft, die nach außen drückt und so einen gleich großen Gegendruck erzeugt. Beispielsweise sind auch in unseren Knochen kleine Luftkammern. Wir spüren nichts, weil sich Außen- und Innendruck die Waage halten. Manchmal spürt man den Luftdruck aber doch, denn manche wetterfühlige Menschen reagieren auf Luftdruckschwankungen sensibel. Auch die verschlagenen Ohren beim raschen Wechsel der Höhe sind ein Phänomen des Luftdrucks. Zum Vergleich könnte man Wasserlebewesen heranziehen: Auch sie sind dem enormen Druck des Wassers von allen Seiten ausgesetzt. Es ist ihnen gelungen, einen entsprechenden Innendruck zu entwickeln. Das Barometer steigt, wenn der Luftdruck bei dichterer Luft stärker drückt, oder fällt, wenn die Luft leichter wird. Hier ergibt sich eine Querverbindung zum Thema Wärme. Wenn man den Luftdruck nicht spürt kann man ihn beweisen? Wenn ein Raum mit verdünnter Luft mit Unterdruck - entsteht, kann der Luftdruck seine oft unglaubliche Wirkung entfalten. Einer der ersten, der sich mit dem Luftdruck und seinen Erscheinungen beschäftigt und dazu auch spektakuläre Versuche durchgeführt hat, war der Magdeburger Bürgermeister OTTO VON GUERICKE (1602 1686). Der wohl bekannteste Versuch zum Thema Luftdruck ist das Experiment mit den Magdeburger Halbkugeln : Um zunächst einen luftleeren Raum erzeugen zu können, erfand er die Luftpumpe. Dann fügte er zwei große Halbkugeln (Durchmesser 70 cm) aus Kupfer mit einer Dichtung zusammen und pumpte die Luft aus dem Inneren heraus. Die Kugelhälften hafteten fest aneinander. Die Kraft von Menschen 2008 education highway - www.technikdetektive.at 15
reichte nicht, die Kugeln wieder zu trennen. Man versuchte es mit Pferdestärken. Aber selbst acht Pferde auf jeder Seite konnten die Halbkugeln nicht auseinander reißen. Erst als Guericke mit Hilfe des Ventils wieder Luft in die Halbkugeln einströmen ließ, fielen sie von selbst auseinander. Allerdings könnte die spektakuläre Inszenierung in der Öffentlichkeit im Laufe der Zeit zur Legende ausgeschmückt worden sein. Sein Verdienst, die Kraft des Luftdrucks erforscht und zum ersten Mal ein Vakuum einen luftleeren Raum erzeugt zu haben, bleibt unbestritten. Noch einige Bespiele für das Wirken des Luftdrucks: Wenn wir durch Ansaugen die Luft aus einem Strohhalm entfernen, befördert der Druck der Außenluft das Getränk in unseren Mund. Allerdings sollte der Strohhalm nicht länger als 10 m sein denn dann reicht die Kraft des Luftdrucks nicht mehr und wir könnten saugen, soviel wir wollten. Auch der Staubsauger funktioniert ähnlich. Durch den Ventilator wird Luft aus dem Gehäuse und dem Rohr abgesaugt und nach außen geblasen. Nun drückt der Luftdruck nach und reißt die Staubteilchen mit in die Maschine. Der Begriff SOG, den wir umgangssprachlich gebrauchen, ist eigentlich falsch, denn die Kraft der Luftströmung drückt vom höheren in den niedrigeren dünneren Druckbereich. Veränderungen des Luftdrucks erzeugen so auch Hoch- und Tiefdruckgebiete und halten unser Wetter in Schwung aber das wäre ein neues Thema! Experimente: Die Versuche Der Knick in der Flasche Ist die Flasche undicht? Eine unsichtbare Kraft Eine merkwürdige Beobachtung Magdeburger Halbkugeln Wasserwaage entsprechen Phänomenen des Luftdrucks. Was passiert, wenn man Luft zusammenpresst? Luft lässt sich komprimieren bis zu einem gewissen Grad kann man die Luftteilchen durch Zusammenpressen zwingen, einen kleineren Raum einzunehmen. Dabei entsteht ein Luftdruck, der umso stärker gegen die Wände des Gefäßes drückt, je mehr die Luft verdichtet wird. Kann die Luft wieder entweichen, dehnt sie sich wieder im ganzen Raum aus. Diese ausströmende Luft kann als Antriebskraft genutzt werden. Druck nach allen Seiten Druck nach rückwärts und vorwärts Wird ein Ballon geöffnet, strömt die verdichtete Luft explosionsartig nach rückwärts aus und bewirkt eine ebenso starke Vorwärtsbewegung des Ballons. Wir sprechen vom Prinzip des Rückstoßes. Ähnlich wird bei einer Rakete in der Brennkammer Brennstoff zur Explosion gebracht, so dass die Verbrennungsgase mit gewaltiger Kraft und hoher Geschwindigkeit aus der Antriebsdüse strömen und dem Fahrzeug den gewaltigen Schub nach vorne geben. Dieser Antrieb funktioniert sogar im luftleeren Weltall (die Lufthülle (Atmosphäre) der Erde endet ja bei ca. 600 km Höhe) da der nötige Brennstoff mitgeführt wird. 16 2008 education highway - www.technikdetektive.at
Zusammengepresste Luft sorgt für das Funktionieren vieler Gegenstände: Ein Gummiball springt, weil ihn die beim Aufprall zusammengedrückte Luft in die Gegenrichtung schleudert. Stark komprimierte Luft in Autoreifen bildet ein dichtes Polster und dämpft so Stöße des unebenen Bodens. Der Fallschirm sinkt langsam zur Erde, weil die unter seinem Schirm zusammengepresste Luft nach oben drückt. Experimente: Dieses Phänomen veranschaulicht der Versuch Der Luftballon als Rakete. Wozu atmen wir Luft ein und aus? Luft ist bekanntlich ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Für uns Menschen ist vor allem der Sauerstoff in der Luft lebensnotwendig, weil wir ihn zum Atmen brauchen. Wenn ein Raum mit vielen Personen lange nicht gelüftet wird, wird der Sauerstoff langsam verbraucht = veratmet, und das ausgeatmete Kohlendioxid reichert sich an. In diesen Räumen fühlt man sich häufig aufgrund des Sauerstoffmangels nicht wohl. Was macht der Sauerstoff in unserem Körper? Jede unserer Billionen von Körperzellen benötigt Energie, um ihre Aufgabe erfüllen zu können und uns damit am Leben zu erhalten. Dabei laufen ständig komplizierte chemische Prozesse ab. Dazu wird Energie benötigt. Energie wird vereinfacht gesagt in den Zellen aus der Reaktion von Sauerstoff mit Zucker- und Fettstoffen gewonnen. Zucker- und Fettstoffe werden aus der Nahrung erzeugt, mit Sauerstoff wird der Körper durch das Einatmen von Luft versorgt. Die Lunge ist dafür eingerichtet, dass Sauerstoffmoleküle ins Blut geschleust werden. Die roten Blutkörperchen enthalten Hämoglobin, einen eisenhaltigen Eiweißsstoff, der den Sauerstoff an sich binden kann und zu den Zellen transportiert. In einem Oxidationsprozess reagieren Zellbestandteile mit Sauerstoff und setzen so die lebensnotwendige Wärmeenergie frei, die die chemischen Prozesse in Gang hält und sich als Körperwärme äußert. Daher wird auch von Verbrennung gesprochen. Umgekehrt wird das Abfallprodukt des Zellstoffwechsels, das Kohlendioxyd, wieder zur Ausatmung in die Lunge zurückgebracht. Luft ist also unser Lebenselixier ohne Luft kein Leben! Literaturangabe: Paill Schmut Wahlmüller (1989): Physik 2. Dorner Verlag Wien DUDEN Kleiner Leitfaden Naturwissenschaften (2005). DUDEN PAETEC GmbH, Berlin 2008 education highway - www.technikdetektive.at 17