Luftdruck

Physikalisches
Schulversuchspraktikum I
Luftdruck
(Oberstufe)
marlene hack (9955515/412)
Abgabedatum: 9. 1. 2003
Inhaltsverzeichnis
Lerninhalt ............................................................3
In welcher Klasse?...............................................3
Vorkenntnisse........................................................................................................................3
Lernziele ..............................................................3
Theoretische Grundlagen .....................................4
Auftrieb .....................................................................................................................................4
Flugzeug ...................................................................................................................................5
Hubschrauber.........................................................................................................................8
Luftwiderstand ......................................................................................................................9
Zusatzinformationen..........................................11
Windkanal ..............................................................................................................................11
Vakuumtechnik ...................................................................................................................13
Barometer ..............................................................................................................................17
Flugmedizin...........................................................................................................................18
Tauchen...................................................................................................................................19
Versuche............................................................21
Implodierte Dose ...............................................................................................................21
Gewicht der Luft .................................................................................................................23
Quellenverzeichnis.............................................24
Abbildungsnachweis ..........................................24
2
Lerninhalt:
Strömungslehre, Auftrieb (Flugzeug, Hubschrauber),
Strömungswiderstand
Zusatzinformationen:
Vakuumtechnik (Anwendungen, verschiedene Pumpen), Barometer,
Windkanal, Auswirkungen von hohen (-> Tauchen) und niedrigen Drücken
auf den menschlichen Körper
In welcher Klasse?
6. Klasse:
Aerodynamik, Strömungswiderstand
Vorkenntnisse:
Luftdruck, Auftrieb aus der 2. Klasse
Lernziele:
Verstehen des Auftriebs beim Flugzeug und Hubschrauber
Strömungswiderstand – SchülerInnen sollen wissen, wovon er
abhängig ist.
 Zusatzinformationen:
Überblick über Anwendungen der Vakuumtechnik
Allgemeine Informationen über Messungen im Windkanal


3
Theoretische Grundlagen:
Auftrieb
Unter Auftrieb versteht man eine Kraft, die der Schwerkraft eines Körpers
entgegenwirkt. Man unterscheidet hier zwischen statischem Auftrieb
und dynamischem Auftrieb, wovon aber nur der dynamische Auftrieb
eine praktische Bedeutung für den Segelflug hat.
Dieser entsteht am Flügel und (bei entsprechender Profilierung) auch am
Höhenleitwerk. Bei der dynamischen Auftriebserzeugung werden
Druckunterschiede am Flügel ausgenutzt, die durch die Profilwölbung
entstehen. Die vom Flügelprofil verdrängte Luft muss in ihrem geteilten
(oben und unten) Strömungsverlauf einen längeren Weg über die
Profiloberseite machen. Die Strömung hat dadurch auf der Oberseite des
Flügels eine höhere Geschwindigkeit als auf der Unterseite. Es entsteht im
verlangsamten Teil der Strömung, d.h. unten, ein Überdruck, während der
Druck in der Umgebung der schnelleren Umströmung (Oberseite) so
abfällt, dass ein Sog entsteht. Der Auftrieb wirkt senkrecht zur Richtung
der relativen Bewegung. Diese unsymmetrische Umströmung des Profils
hängt von der Profilform und von der Größe des Anstellwinkels ab.
Abbildung 1
Je größer die Geschwindigkeit der Strömung, desto kleiner ist der Druck
=> Bernoullische Gleichung:
1 2
v  gh  p = konstant
2
 ist die Dichte des Mediums, v die Geschwindigkeit des Mediums, g die
Erdbeschleunigung, h die Höhe und p der Druck.
4
Der statische Auftrieb entsteht z.B. Bei Heißluftballonen, Gasballonen
oder Luftschiffen. Bei Heißluftballonen wird über den Brenner die Luft in
der Ballonhülle erhitzt, die Luft dehnt sich durch die Erwärmung aus und
hat somit eine geringere Dichte als kältere Luft, der Ballon kann also
steigen. Beim Gasballon und beim Luftschiff wird überwiegend Helium
eingesetzt, das eine geringere Dichte als Luft aufweist.
Abbildung 2
Flugzeug
Abbildung 3
Man kann das heutige herkömmliche Flugzeug in vier Baugruppen
unterteilen:
 Rumpf
 Tragflächen
 Leitwerk:
Es besteht aus zwei wichtigen Ruderflächen, der waagerechten und
der senkrechten Fläche, die beide über bewegliche Abschnitte zur
Steuerung des Flugzeuges und über feste Teile zur Gewährleistung
5
der Stabilität verfügen. Der vordere Teil der waagerechten
Ruderfläche wird Höhenflosse genannt, und der hintere bewegliche
Abschnitt ist das Höhenruder. Der feste Teil der senkrechten
Ruderfläche wird Seitenflosse genannt, und der bewegliche Teil ist
das Seitenruder.
 Fahrwerk
Mechanische Steuerung
Abbildung 4
Die Fluglage eines Flugzeuges (seine Ausrichtung in Bezug auf den
Horizont und auf seine Bewegungsrichtung) wird normalerweise durch drei
Vorrichtungen bestimmt, von denen jede für die Bewegung um eine
andere Achse zuständig ist.
Zu den drei Vorrichtungen gehören die beweglichen Teile des Leitwerks,
also die Höhen- und Seitenruder, und die beweglichen Teile der
Tragflügelhinterkante, die man Querruder nennt. Bedient werden diese
Steuerflächen vom Cockpit aus, mit einem Steuerknüppel oder Steuerhorn
und den Seitenruderfußhebeln.
Höhenruder sorgen für die Längsbewegung um die Querachse. Richten
sich die Höhenruder auf wird das Heck gesenkt und der Bug für den
Aufstieg hochgehoben. Senken sich die Höhenruder, so fliegt das Flugzeug
nach unten.
Die Querruder steuern die Rollbewegung um die Längsachse. Wird das
linke Querruder aufgerichtet und das rechte heruntergeklappt wird das
Flugzeug in die linke Schräglage gebracht. Das funktioniert natürlich auch
in der entgegengesetzten Richtung.
Die Seitenruder sorgen für die Drehbewegung um die Hochachse, indem
sie zusammen mit den Querrudern den Kurs des Flugzeuges nach links
oder rechts verändern.
6
Anstellwinkel
Abbildung 5
Unter dem Anstellwinkel versteht man den Winkel zwischen der
Anblasrichtung und der Profilsehne.
Die auftrieberzeugenden Flächen der Flügel stellt man so ein, dass deren
Profile vom Luftstrom nicht unmittelbar von vorn, d.h. in der Richtung
ihrer Profilsehne getroffen werden, sondern zur Rumpflängsachse in einem
gewissen Winkel, dem sogenannten Einstellwinkel stehen.
Der Anstellwinkel ändert sich beim Flug in Abhängigkeit davon, wie das
Flugzeug oder Flugmodell bzw. dessen Flügelprofil gegen die Strömung
der Luft angestellt wird. Auftrieb & Widerstand des Tragflügels und damit
auch des Flugzeugs in seiner Gesamtheit hängen davon ab, wie groß
dieser Anstellwinkel im momentanen Flugzustand ist.
Einstellwinkel
Abbildung 6
Der Einstellwinkel ist der Winkel, in dem die Profilsehne des Flügels zur
Längsachse des Flugzeugs steht. Der Einstellwinkel wird so festgelegt,
dass der Rumpfwiderstand des Flugzeugs in dem Anstellwinkelbereich, in
dem es normalerweise fliegen soll, möglichst klein bleibt. Die Flügel
schneller Motorflugzeuge haben eher einen geringen Einstellwinkel,
während man bei relativ langsam fliegenden Segelflugzeugen größere
Werte wählt. Der Einstellwinkel bleibt während des Fluges konstant.
7
Hubschrauber
Ein Hubschrauber wird im Prinzip durch „rotierende Tragflächen“ nach
oben gezogen.
Bei den üblichen Modellen ist am Heck des Hubschraubers ein
Ausgleichsrotor mit horizontaler Achse angebracht. Ohne ihn würde sich
die Maschine durch die Drehbewegung des Hauptrotors ständig im Kreis
drehen. Dieser zweite Rotor gleicht das durch den Hauptrotor verursachte
Drehmoment aus.
Abbildung 7
Soll nun der Hubschrauber nach vorne fliegen, so gibt der Pilot mit dem
Steuerungsmechanismus dem Rotorblatt, das gerade über das Heck der
Maschine streicht, einen größeren Anstellwinkel, wodurch dessen Auftrieb
etwas größer wird.
Der Hubschrauber neigt sich ein wenig nach vor. Der Auftrieb lässt sich
nun in eine lotrechte, die das Gewicht trägt, und in eine waagrechte
Komponente, die den Vortrieb bewerkstelligt, zerlegen.
8
Luftwiderstand
Unter Luftwiderstand versteht man die von der Geschwindigkeit und
Form eines bewegten Körpers sowie der Luftdichte abhängende und der
Bewegungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Der Widerstand eines
Strömungskörpers setzt sich aus einem Form- und Druckwiderstand und
einem Reibungs- oder Oberflächenwiderstand zusammen. Er wird nach
folgender Formel berechnet:
W=
1
* cW *  * A * v 2
2
 ist die Dichte des strömenden Mediums, A die Querschnittsfläche des
Körpers normal zur Strömung und v die Relativgeschwindigkeit zwischen
Körper und Medium.
Der cw-Wert ist der Widerstandsbeiwert der sich aus
Windkanalmessungen ergibt und von der Form und von der
Oberflächenbeschaffenheit des Körpers sowie von der Reynoldschen Zahl
(Re) abhängt.
Re =
l  v

 ist wieder die Dichte des Mediums, v die Relativgeschwindigkeit
zwischen Körper und Medium, l eine für den jeweiligen Körper
charakteristische Länge (z. B. Kugelradius),  die dynamische Viskosität
des Mediums.
Vorrichtung zur Messung des Strömungswiderstandes:
Abbildung 8
9
Skizze
Gegenstand
cw-Werte
Dünne Kreisplatte
1,1
Offene, dünnwandige Halbkugelschale
1,33
Schlanker Kreiszylinder
0,63-1,2
Offene Halbkugelschale
0,34
Kugel
0,20-0,47
Stromlinienkörper
0,045
10
Zusatzinformationen:
Windkanal
Ein Windkanal ist eine technische Versuchsanlage zur Simulation der
Bedingungen, die auftreten, wenn sich ein Objekt durch die Luft bewegt.
Bei einer Untersuchung im Windkanal bleibt das zu untersuchende Objekt
ortsfest, während Luft oder Gas darauf geblasen wird. In einem Windkanal
werden die Auswirkungen bewegter Luft auf Objekte wie Flugzeuge,
Raumfahrzeuge, Geschosse, Fahrzeuge, Gebäude und Brücken oder auch
z. B. Schispringer analysiert.
Abbildung 9
Mit Tests im Windkanal wird u. a. der Luftwiderstand von Fahrzeugen und
Flugzeugen untersucht. Durch entsprechende Maßnahmen (z. B.
Anpassung der aerodynamischen Form) lässt sich dieser Widerstand
verringern und der cW-Wert verbessern.
Die Größe von Windkanälen reicht von einigen Zentimetern bis zu
mehreren Metern. Ein Beispiel ist der Tunnel des Ames Research Center
der NASA (National Aeronautics and Space Administration;
Bundesbehörde für Luft- und Raumfahrt der USA) in Kalifornien. In diesem
12 × 24 Meter großen Windkanal findet ein ganzes Flugzeug mit einer
Flügelspannweite von 22 Metern Platz.
Je größer der Querschnitt des Windkanals, desto schwieriger ist es, einen
Luftstrom von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Das gilt besonders für Anlagen, in denen Über- und
Hyperschallgeschwindigkeitsbedingungen erzeugt werden sollen. Hier ist
der Energiebedarf so hoch, dass der Tunnel wesentlich kleiner sein muss.
Große Unterschallwindkanäle können den Luftstrom zwar mit
motorbetriebenen Propellergebläsen erzeugen, für höhere
Geschwindigkeiten sind aber Luftkompressoren (Drucklufterzeuger)
11
erforderlich. Diese setzen unter hohem Druck stehende Gase frei.
Windkanäle, die mit einer Gasladung arbeiten, können nur sehr kurze Zeit
in Betrieb bleiben. Extrem hohe Geschwindigkeiten werden im
Hochgeschwindigkeitswindkanal erzeugt. Hier können z. B. kleine
Flugzeug- oder Raumfahrzeugmodelle mit einer Sprengladung in die eine
Richtung des Kanals geschossen werden, während gleichzeitig ebenfalls
mit einer Sprengladung beschleunigtes Gas in die andere Richtung strömt.
Damit lassen sich für die Dauer von etwa einer Sekunde
Luftgeschwindigkeiten von bis zu 48 000 Kilometern pro Stunde erreichen.
Abbildung 10
Beim Flug von Überschallraumfahrzeugen entsteht durch Reibung eine
erhebliche Wärmeentwicklung (siehe Wärmeübertragung). Zur
Untersuchung solcher Bedingungen wird in besonderen Windkanälen ein
Strahl heißen Gases auf das Modell geleitet. Gasbewegung und
Wärmeentwicklung werden gemessen.
Manchmal wird in Unterschallwindkanälen Rauch eingesetzt, um die
Luftbewegung an den Flügeln eines Flugzeuges sichtbar zu machen. In
anderen eigens dafür konstruierten Windkanälen kann man die
Bedingungen in großen Höhen nachahmen und ihren Einfluss auf das
Verhalten eines Flugzeuges untersuchen. Es wurden bereits Bedingungen
erzeugt, die einer Höhe von 145 Kilometern entsprechen. Diese
Höhenversuche sind ebenfalls wichtig für die Beurteilung des Verhaltens
von Strahltriebwerken unter sämtlichen Flugbedingungen. In einem
Spezialwindkanal im Lewis Flight Propulsion Laboratory der NASA in
Cleveland (Ohio) kann man Strahltriebwerke in Originalgröße bei
12
Luftgeschwindigkeiten bis zu 3 860 Kilometer pro Stunde und Höhen bis
zu 30 500 Metern prüfen. Der geplante europäische Überschallwindkanal
(European Transsonic Wind Tunnel), der von europäischen
Luftfahrtbetrieben und Forschungseinrichtungen genutzt werden soll, wird
eine ähnliche Leistungsfähigkeit haben.
Vakuumtechnik
Geringe bis mittlere Vakua werden seit dem späten 19. Jahrhundert in
Haushaltsgeräten wie Vakuumflaschen und Staubsaugern benutzt.
Abbildung 11
Dewar-Gefäß
Ein Dewar-Gefäß besitzt einen doppelwandigen Glasbehälter, dessen Wandzwischenraum evakuiert und mit
einer wärmeisolierenden Schicht (meist dünne Silberschicht) versehen ist. Dewar-Gefäße dienen beispielsweise
in Laboratorien zur Aufbewahrung von heißen oder extrem kalten Stoffen (z. B. flüssige Luft). Der
doppelwandige Glasbehälter hält das aufzubewahrende Gut auf annähernd konstante hohe bzw. niedrige
Temperatur. Das Gefäß wurde nach dem britischen Chemiker James Dewar benannt. Die Funktionsweise von
Thermoskannen ist im Prinzip die gleiche.
Die Vakuumtechnologie kommt ebenfalls bei der Destillation von
Schmierölen aus Petroleumresiduen und beim Abpumpen von Luft aus
Glühbirnen zum Einsatz. Hochvakuumtechnik wird auch zur molekularen
Destillation von Fischfetten bei der Herstellung von Vitamin-A-Konzentrat
herangezogen sowie bei der elektromagnetischen Abscheidung von Uran
235 von dem häufigeren Isotop des Urans, mit dem es von Natur aus
verbunden ist.
Eines der wichtigsten Einsatzgebiete der Vakuumtechnik in jüngerer Zeit
ist das großindustrielle Tiefgefrieren. Unter Vakuumbedingungen wird die
Verdunstung von Wasser sehr stark beschleunigt, deshalb kommt dieses
Verfahren für die Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln zur Anwendung.
Das in den Lebensmitteln enthaltene Wasser wird verdampft und entzieht
13
ihnen dabei so viel thermische Energie (Verdampfungskälte), dass sie
schockartig durchgefroren werden.
Im Hochvakuum verdampftes Metall wird benutzt, um Kunststoffe oder
andere Gegenstände mit einer Metallschicht zu überziehen, die den
Gegenständen ein hochwertiges metallisches Aussehen verleiht.
Durch die Einführung von Hochgeschwindigkeits-Hochvakuumpumpen
konnte die Produktion von Fernsehröhren gewaltig beschleunigt werden.
Geschmolzene, gegossene oder gesinterte Metalle können in ihren
physikalischen Eigenschaften durch Behandlung im Hochvakuum noch
verbessert werden, da hierbei Gaseinschlüsse und Verunreinigungen
entfernt werden. Metallische Einkristalle, die für Transistoren und ähnliche
elektronische Bauteile verwendet werden, werden in
Hochvakuumreaktoren „gewachsen”, d. h. gefertigt. Elektrische
Transformatoren und Hochspannungskabel werden mit hoch
durchschlagfesten Dielektrika vakuumimprägniert, um die Eigenschaften
der elektrischen Isolierung zu verbessern. Um bestmögliche
Wärmeisolierung für Flaschen und Rohre zu erreichen, in denen
verflüssigte Gase gelagert oder transportiert werden sollen, werden deren
Gefäßwände im Hochvakuum behandelt. Halbleitersubstrate zur
Herstellung elektronischer Schaltungen werden durch „Aufsputtern”
widerstandsfähiger Materialien, wie Tantal oder Wolfram, in einer
Hochvakuumatmosphäre behandelt.
Teilchenbeschleuniger sind auf sehr gute Vakua angewiesen, um den
Teilchen einen möglichst unbehinderten, gaspartikelfreien Umlauf zu
ermöglichen. Um Bauteile der Luft- und Raumfahrttechnik unter
simulierten Weltraumbedingungen testen zu können, benutzt man große
Versuchskammern mit Fassungsvermögen von zum Teil mehreren tausend
Kubikmetern, die für die Erzeugung guter Vakua sehr hohe
Abpumpgeschwindigkeiten erfordern.
Für bestimmte Formen chemischer Untersuchungen, bei denen die
Analyseprobe in gasförmigem Zustand oder in der Gestalt elektrisch
geladener Ionen sein muss, kann nur eine Vakuumumgebung das
Geforderte leisten. Derartige Geräte sind u. a. Massenspektrometer,
Elektronenmikroskope und Messgeräte für Vakuumverschmelzung und
kernmagnetische Resonanz.
14
Aufbau der Geräte
Vakuumanlage:
Abbildung 12
Ein betriebsfähiges Vakuumsystem setzt sich aus drei Teilen zusammen:
 Hauptkammer, in der die Arbeit ausgeführt wird
 Vakuumpumpen
 zusätzliche Ausstattung wie Rohrleitungen, elektrische
Steuereinrichtungen und Messapparaturen
Um mit der Vakuumanlage in der Abbildung oben arbeiten zu können,
muss die Arbeitskammer mit ihrem Vakuummessgerät vakuumdicht mit
dem Pumpstand verbunden sein. Sobald Hochvakuum- und Grobventile
geschlossen sind und das Vordruckventil geöffnet ist, laufen die
Diffusionspumpen und die mechanischen Pumpen an. Wenn die
Diffusionspumpe in Betrieb ist, kann sie durch Schließen des
Vordruckventils vom restlichen System abgetrennt werden. Anschließend
wird die Arbeitskammer abgepumpt, und zwar zunächst mit der
mechanischen Pumpe. Hierzu ist das Lufteinlassventil geschlossen und das
Grobventil geöffnet. Der Druck in der Arbeitskammer sinkt dann auf ein
zehntausendstel Bar (1 Bar ≡ 100 000 Pascal).
Die Kammer wird dann zur Diffusionspumpe hin geöffnet, wobei zuerst
das Grobventil geschlossen und danach die Vordruck- und
Hochvakuumventile geöffnet werden. Sodann ist die Kammer für Arbeiten
bereit, die darin ausgeführt werden sollen. Die Arbeitskammer ist ein
luftdicht abgeschlossener Behälter mit einer oder mehreren Möglichkeiten
des Zugriffs auf den Innenraum. Für einfachere Aufgaben werden oft auch
abgedichtete Glas- oder Stahlglocken benutzt. Zum Innenraum der
Kammer stehen von außen her leckdichte Verbindungen zur Verfügung, z.
15
B. Schaugläser, elektrische Anschlüsse oder Werkzeuge, die mechanische
Bewegungen von außen in das Vakuum übertragen können.
Vakuumpumpe - Schematischer Querschnitt durch eine
Drehschieberpumpe:
Abbildung 13
Bei der Drehschieberpumpe läuft ein Zylinder exzentrisch in einem
zylindrischen Hohlgehäuse. Am Läufer ist ein hin- und herschiebbares
Schaufelblatt so angebracht und mit Federn vorgespannt, dass es in
ständigem Kontakt zur Laufbuchse steht und somit direkten Gasdurchtritt
zwischen Einlass und Auspuff verhindert. Das gesamte Innere ist mit
einem Dichtungsöl benetzt, das einen sehr geringen Dampfdruck hat.
Wasserstrahlpumpe:
Abbildung 14
Die Strahlpumpe beruht auf dem Prinzip, dass ein Gas oder eine
Flüssigkeit, die unter hohem Druck als gerichteter Strahl durch eine Düse
gepresst wird, Gasmoleküle aufnimmt und abführt. Als Treibmittel kann z.
B. Wasser oder Wasserdampf dienen.
Die Diffusionspumpe arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, benutzt aber
den entgasten Dampf einer Flüssigkeit mit sehr geringem Dampfdruck,
16
meist ein speziell für diesen Zweck hergestelltes organisches Öl oder
Quecksilber als Treibmittel. Dieses Treibmittel wird in dem Gasraum, der
evakuiert werden soll, frisch verdampft und durchströmt ihn mit extrem
hoher Geschwindigkeit, so dass Gasmoleküle in den Treibmittelstrahl
eindiffundieren und mitgenommen werden. Das gasbeladene Treibmittel
wird dann entgast und in einem Kreislauf zurückgeführt.
Barometer
Das Barometer ist ein Gerät zur Messung des Luftdruckes, also der Kraft,
die durch das Gewicht der Luft in der Atmosphäre auf eine Flächeneinheit
ausgeübt wird.
Flüssigkeitsbarometer enthalten Quecksilber, das 13,6-mal so schwer wie
Wasser ist, wodurch die Quecksilbersäule, die den Luftdruck aufwiegt, im
Mittel nur 760 Millimeter hoch ist. Diese 760-Millimeter-Quecksilbersäule
legt den mittleren Luftdruck in Meereshöhe fest, dies entspricht 760 Torr
(-> 1 Torr = 1 Millimeter Quecksilbersäule) oder 1 013,2 Hektopascal
(hPa, 1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter).
Abbildung 15
Torricelli (1608-1647) nutzte als Erster zum Nachweis des Luftdruckes ein oben geschlossenes, mit Quecksilber
gefülltes Glasrohr, das er in eine Schale mit Quecksilber brachte. Der Flüssigkeitsspiegel im Rohr blieb in allen
Fällen in einer Höhe von ungefähr 76 Zentimetern stehen.
Heutige Quecksilberbarometer bestehen im Prinzip aus einem etwa 840
Millimeter hohen Glasrohr, das oben verschlossen und unten offen ist. Mit
Quecksilber gefüllt, wird das Rohr mit dem offenen Ende in einen oben
offenen, ebenfalls mit Quecksilber gefüllten Behälter getaucht. Der
Quecksilberspiegel im Glasrohr fällt dann auf eine Höhe von etwa 760
Millimeter über dem Spiegel im Behälter. Dabei entsteht im oberen Teil
des Rohres ein fast perfektes Vakuum. Schwankungen des Luftdruckes
lassen die Flüssigkeit im Rohr steigen oder fallen. Auf Meereshöhe bewegt
sich der Spiegel meist zwischen 737 und 775 Millimetern, das entspricht
einer Schwankung des Luftdruckes zwischen 930 und 1 070 Hektopascal.
Wenn der Quecksilberspiegel mit einer graduierten Skala, die als
17
Vernieranhang bezeichnet wird, abgelesen wird und entsprechende
Korrekturen für die Höhe über dem Meeresspiegel (Normalnull),
geographische Breite (wegen der Veränderung der effektiven
Gravitationskraft), für die Temperatur (wegen der Ausdehnung des
Quecksilbers) und für den Durchmesser des Glasrohres (wegen der
Kapillarwirkung) gemacht werden, ist die Anzeige eines
Quecksilberbarometers auf 0,1 Millimeter genau.
Beim Dosen- oder Aneroidbarometer verformt der Luftdruck die elastische
Oberseite einer teilevakuierten Dose. Der Grad der Verformung wird über
einen Mechanismus und einen Zeiger auf eine Skala übertragen. Spezielle
Dosenbarometer werden als Höhenmesser oder Altimeter verwendet, da
der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt.
Abbildung 16
Flugmedizin
Ein entscheidender Faktor beim Fliegen ist der ständige Sauerstoffbedarf
des menschlichen Körpers. Der Organismus kann Sauerstoff nur im Blut
speichern. Die Muskeln können zwar eine Zeit lang auch ohne
Sauerstoffnachschub arbeiten, doch dann nimmt ihre Leistungsfähigkeit
durch die Anhäufung giftiger Abfallstoffe rapide ab. Am empfindlichsten
reagieren Augen und Gehirn auf Sauerstoffmangel.
Die Erdatmosphäre besteht zu 21 % aus Sauerstoff und übt auf
Meereshöhe einen durchschnittlichen Druck von 1 013 Hektopascal (hPa)
aus. Mindestens bis zu einer Höhe von 5 000 Metern reicht der äußere
Luftdruck aus, um Menschen, deren Organismus an große Höhen
angepasst ist, unbeschwertes Atmen zu ermöglichen. In großen Höhen
18
muss der Druck künstlich erhöht werden, um Menschen, die nicht an den
geringen Luftdruck angepasst sind, über längere Zeit hinweg das
Überleben zu sichern.
Militärflugzeuge, die in großen Höhen fliegen, sind mit Sauerstoffgeräten
ausgestattet, die bei Flughöhen über 3 000 Meter von den
Besatzungsmitgliedern ständig getragen werden müssen. Bei Flugzeugen,
die für Höhen von über 10 000 Metern geeignet sind, steht in der Regel
das gesamte Cockpit unter Überdruck oder sie sind mit einer ÜberdruckSauerstoffversorgung ausgerüstet. In Militärmaschinen, die bis über 16
000 Meter aufsteigen können verfügt die Besatzung über GanzkörperDruckanzüge.
Zivile Fluggesellschaften statten ihre Maschinen den gesetzlichen
Regelungen entsprechend mit Druckkabinen aus. In Flugzeugen, die
beispielsweise Höhen um 6 700 Meter erreichen, muss der Kabinendruck
einer Höhe von etwa 1 800 Metern entsprechen.
Bei geringem Luftdruck in über 9 150 Meter Höhe bleibt der Stickstoff
nicht mehr in der Gewebeflüssigkeit des Körpers gelöst, sondern wird in
Form kleiner Blasen frei. Diese können ebenso wie zerstörte Fettzellen ins
Blut gelangen und als Embolien Blutgefäße blockieren. Dieser Zustand,
Gasembolie oder Druckfallkrankheit genannt, führt zu geistiger
Verwirrung, Lähmungserscheinungen und dem Zusammenbruch von
Nerven- und Kreislaufsystem.
Als wichtige Vorbeugungsmaßnahme hat sich das Einatmen reinen
Sauerstoffs vor dem Flug erwiesen, denn auf diese Weise wird der
Stickstoff aus dem Blut verdrängt. Schneller Druckverlust, wie er bei einer
Undichtheit der Flugzeugkabine in großer Höhe auftreten kann, führt zur
Bildung von Gasblasen in den Körperhöhlen. Ihr Druck verursacht
schwerwiegende Schädigungen des Herzens und anderer Organe.
Tauchen
Tauchglocken
Tauchglocken waren ab Mitte des 16. Jahrhunderts im Einsatz. Sie führten
zum einen zu der Einsicht, dass nach dem Atmen komprimierter Luft das
Auftauchen mit angehaltenem Atem zu schweren
Lungenüberdehnungsunfällen führen können, zum anderen, dass die
verbrauchte Luft bald ersetzt werden muss, damit der Kohlendioxidgehalt
nicht auf gefährliche Werte ansteigt. Letzteres geschah entweder über
Fässer oder durch einen Schlauch mittels einer Handpumpe, die oberhalb
der Wasseroberfläche betrieben wurde. Längere Aufenthalte und
effizientes Arbeiten unter Wasser waren nun möglich.
In Unkenntnis der Sättigungs- und Entsättigungsvorgänge des
Luftstickstoffs im Körpergewebe bei veränderlichen Druckverhältnissen
kam es allerdings häufig zu akuten, zu chronischen und auch zu tödlichen
19
Dekompressionserkrankungen. Haltezeiten auf bestimmten Tiefen,
abhängig von Arbeitstiefe und Tauchzeit, können dieses Problem
beseitigen.
Oberflächenunabhängige Tauchgeräte
Abbildung 17
Das Mitführen eines Vorrats an komprimierten Atemgasen und ein
mechanischer Atemregler ermöglichen für begrenzte Zeit
oberflächenunabhängige Tauchgänge. Tauchgeräte dieser Art müssen
atemgesteuert die nötige Sauerstoffmenge liefern und den Druck des
Atemgases an der Schnittstelle zum Taucher genau auf den aktuellen
Umgebungsdruck reduzieren.
1860 entwickelten Benoît Ronquayrol und Auguste Denayrouze aus einem
Atemschutzgerät für den Bergbau die erste Version eines brauchbaren
mechanischen Atemreglers.
20
Versuche:
Implodierte Dose
Verwendete Materialien:
Dose, Schüssel mit kaltem Wasser, Bunsenbrenner, Zange
Versuchsdurchführung:
Zuerst füllt man die Schüssel mit kaltem Wasser.
In die Dose gibt man ganz wenig Wasser, sodass der Boden benetzt ist,
und erhitzt es stark über dem Bunsenbrenner.
Dann nimmt man die Dose mit der Zange am oberen Rand und stülpt sie
mit der Öffnung nach unten in das vorher vorbereitete kalte Wasser.
21
Versuchsergebnis:
Die Dose implodiert, da die Luft bzw. der Wasserdampf in der Dose
abgekühlt wird und sich zusammenzieht, aber durch die Dosenöffnung
nicht so schnell kaltes Wasser in die Dose gelangen kann.
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
Tipps:
Die Dose muss sehr schnell in das kalte Wasser gebracht werden,
ansonsten funktioniert es nicht.
Am besten implodieren kleine Dosen!
22
Gewicht der Luft
Verwendete Materialien:
Vakuumpumpe, Waage, runder Glaskolben
Versuchsdurchführung:
Der Glaskolben wird auf eine Waage gelegt und gewogen.
Danach wird dieser Kolben mit der Vakuumpumpe evakuiert und wieder
gewogen.
Versuchsergebnis:
Der Gewichtsunterschied vor und nach der Evakuierung entspricht nun
dem Gewicht der Luft.
Wenn wir einen kugelförmigen Glaskolben mit einem Durchmesser von 15
cm verwenden, ergibt sich für das Gewicht der Luft (mit der Dichte  Luft =
1,2929 kg/m3) im Kolben V*  Luft =
4 3
r  *  Luft ú 2,3 g.
3
Zeit:
ungefähr 10 Minuten
23
Quellenverzeichnis:
Theoretische Grundlagen, Zusatzinformationen (S. 4 - 20 ):
Physik 2 (Sexl, Raab, Streeruwitz) S. 110 - 113
Taschenbuch der Physik (Kuchling) S. 168, 606
Microsoft Encarta Professional 2002
www.fg-lb.de
baadenweb.de
Abbildungsnachweis:
Abbildung 1:
baadenweb.de
Abbildung 2, 5, 6, Tabelle (cW-Werte S.10):
www.fg-lb.de
Abbildung 3, 4, 9 – 17:
Microsoft Encarta Professional 2002
Abbildung 7, 8:
Physik 2 (Sexl, Raab, Streeruwitz) S. 110, 111
24