# Luftdruck

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```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:
Str&ouml;mungslehre, Auftrieb (Flugzeug, Hubschrauber),
Str&ouml;mungswiderstand
Zusatzinformationen:
Vakuumtechnik (Anwendungen, verschiedene Pumpen), Barometer,
Windkanal, Auswirkungen von hohen (-&gt; Tauchen) und niedrigen Dr&uuml;cken
auf den menschlichen K&ouml;rper
In welcher Klasse?
6. Klasse:
Aerodynamik, Str&ouml;mungswiderstand
Vorkenntnisse:
Luftdruck, Auftrieb aus der 2. Klasse
Lernziele:
Verstehen des Auftriebs beim Flugzeug und Hubschrauber
Str&ouml;mungswiderstand – Sch&uuml;lerInnen sollen wissen, wovon er
abh&auml;ngig ist.
 Zusatzinformationen:
&Uuml;berblick &uuml;ber Anwendungen der Vakuumtechnik
Allgemeine Informationen &uuml;ber Messungen im Windkanal


3
Theoretische Grundlagen:
Auftrieb
Unter Auftrieb versteht man eine Kraft, die der Schwerkraft eines K&ouml;rpers
entgegenwirkt. Man unterscheidet hier zwischen statischem Auftrieb
und dynamischem Auftrieb, wovon aber nur der dynamische Auftrieb
eine praktische Bedeutung f&uuml;r den Segelflug hat.
Dieser entsteht am Fl&uuml;gel und (bei entsprechender Profilierung) auch am
H&ouml;henleitwerk. Bei der dynamischen Auftriebserzeugung werden
Druckunterschiede am Fl&uuml;gel ausgenutzt, die durch die Profilw&ouml;lbung
entstehen. Die vom Fl&uuml;gelprofil verdr&auml;ngte Luft muss in ihrem geteilten
(oben und unten) Str&ouml;mungsverlauf einen l&auml;ngeren Weg &uuml;ber die
Profiloberseite machen. Die Str&ouml;mung hat dadurch auf der Oberseite des
Fl&uuml;gels eine h&ouml;here Geschwindigkeit als auf der Unterseite. Es entsteht im
verlangsamten Teil der Str&ouml;mung, d.h. unten, ein &Uuml;berdruck, w&auml;hrend der
Druck in der Umgebung der schnelleren Umstr&ouml;mung (Oberseite) so
abf&auml;llt, dass ein Sog entsteht. Der Auftrieb wirkt senkrecht zur Richtung
der relativen Bewegung. Diese unsymmetrische Umstr&ouml;mung des Profils
h&auml;ngt von der Profilform und von der Gr&ouml;&szlig;e des Anstellwinkels ab.
Abbildung 1
Je gr&ouml;&szlig;er die Geschwindigkeit der Str&ouml;mung, desto kleiner ist der Druck
=&gt; Bernoullische Gleichung:
1 2
v  gh  p = konstant
2
 ist die Dichte des Mediums, v die Geschwindigkeit des Mediums, g die
Erdbeschleunigung, h die H&ouml;he und p der Druck.
4
Der statische Auftrieb entsteht z.B. Bei Hei&szlig;luftballonen, Gasballonen
oder Luftschiffen. Bei Hei&szlig;luftballonen wird &uuml;ber den Brenner die Luft in
der Ballonh&uuml;lle erhitzt, die Luft dehnt sich durch die Erw&auml;rmung aus und
hat somit eine geringere Dichte als k&auml;ltere Luft, der Ballon kann also
steigen. Beim Gasballon und beim Luftschiff wird &uuml;berwiegend Helium
eingesetzt, das eine geringere Dichte als Luft aufweist.
Abbildung 2
Flugzeug
Abbildung 3
Man kann das heutige herk&ouml;mmliche Flugzeug in vier Baugruppen
unterteilen:
 Rumpf
 Tragfl&auml;chen
 Leitwerk:
Es besteht aus zwei wichtigen Ruderfl&auml;chen, der waagerechten und
der senkrechten Fl&auml;che, die beide &uuml;ber bewegliche Abschnitte zur
Steuerung des Flugzeuges und &uuml;ber feste Teile zur Gew&auml;hrleistung
5
der Stabilit&auml;t verf&uuml;gen. Der vordere Teil der waagerechten
Ruderfl&auml;che wird H&ouml;henflosse genannt, und der hintere bewegliche
Abschnitt ist das H&ouml;henruder. Der feste Teil der senkrechten
Ruderfl&auml;che 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 f&uuml;r die Bewegung um eine
andere Achse zust&auml;ndig ist.
Zu den drei Vorrichtungen geh&ouml;ren die beweglichen Teile des Leitwerks,
also die H&ouml;hen- und Seitenruder, und die beweglichen Teile der
Tragfl&uuml;gelhinterkante, die man Querruder nennt. Bedient werden diese
Steuerfl&auml;chen vom Cockpit aus, mit einem Steuerkn&uuml;ppel oder Steuerhorn
und den Seitenruderfu&szlig;hebeln.
H&ouml;henruder sorgen f&uuml;r die L&auml;ngsbewegung um die Querachse. Richten
sich die H&ouml;henruder auf wird das Heck gesenkt und der Bug f&uuml;r den
Aufstieg hochgehoben. Senken sich die H&ouml;henruder, so fliegt das Flugzeug
nach unten.
Die Querruder steuern die Rollbewegung um die L&auml;ngsachse. Wird das
linke Querruder aufgerichtet und das rechte heruntergeklappt wird das
Flugzeug in die linke Schr&auml;glage gebracht. Das funktioniert nat&uuml;rlich auch
in der entgegengesetzten Richtung.
Die Seitenruder sorgen f&uuml;r die Drehbewegung um die Hochachse, indem
sie zusammen mit den Querrudern den Kurs des Flugzeuges nach links
oder rechts ver&auml;ndern.
6
Anstellwinkel
Abbildung 5
Unter dem Anstellwinkel versteht man den Winkel zwischen der
Anblasrichtung und der Profilsehne.
Die auftrieberzeugenden Fl&auml;chen der Fl&uuml;gel stellt man so ein, dass deren
Profile vom Luftstrom nicht unmittelbar von vorn, d.h. in der Richtung
ihrer Profilsehne getroffen werden, sondern zur Rumpfl&auml;ngsachse in einem
gewissen Winkel, dem sogenannten Einstellwinkel stehen.
Der Anstellwinkel &auml;ndert sich beim Flug in Abh&auml;ngigkeit davon, wie das
Flugzeug oder Flugmodell bzw. dessen Fl&uuml;gelprofil gegen die Str&ouml;mung
der Luft angestellt wird. Auftrieb &amp; Widerstand des Tragfl&uuml;gels und damit
auch des Flugzeugs in seiner Gesamtheit h&auml;ngen davon ab, wie gro&szlig;
dieser Anstellwinkel im momentanen Flugzustand ist.
Einstellwinkel
Abbildung 6
Der Einstellwinkel ist der Winkel, in dem die Profilsehne des Fl&uuml;gels zur
L&auml;ngsachse des Flugzeugs steht. Der Einstellwinkel wird so festgelegt,
dass der Rumpfwiderstand des Flugzeugs in dem Anstellwinkelbereich, in
dem es normalerweise fliegen soll, m&ouml;glichst klein bleibt. Die Fl&uuml;gel
schneller Motorflugzeuge haben eher einen geringen Einstellwinkel,
w&auml;hrend man bei relativ langsam fliegenden Segelflugzeugen gr&ouml;&szlig;ere
Werte w&auml;hlt. Der Einstellwinkel bleibt w&auml;hrend des Fluges konstant.
7
Hubschrauber
Ein Hubschrauber wird im Prinzip durch „rotierende Tragfl&auml;chen“ nach
oben gezogen.
Bei den &uuml;blichen Modellen ist am Heck des Hubschraubers ein
Ausgleichsrotor mit horizontaler Achse angebracht. Ohne ihn w&uuml;rde sich
die Maschine durch die Drehbewegung des Hauptrotors st&auml;ndig 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 &uuml;ber das Heck der
Maschine streicht, einen gr&ouml;&szlig;eren Anstellwinkel, wodurch dessen Auftrieb
etwas gr&ouml;&szlig;er wird.
Der Hubschrauber neigt sich ein wenig nach vor. Der Auftrieb l&auml;sst sich
nun in eine lotrechte, die das Gewicht tr&auml;gt, und in eine waagrechte
Komponente, die den Vortrieb bewerkstelligt, zerlegen.
8
Luftwiderstand
Unter Luftwiderstand versteht man die von der Geschwindigkeit und
Form eines bewegten K&ouml;rpers sowie der Luftdichte abh&auml;ngende und der
Bewegungsrichtung entgegenwirkende Kraft. Der Widerstand eines
Str&ouml;mungsk&ouml;rpers setzt sich aus einem Form- und Druckwiderstand und
einem Reibungs- oder Oberfl&auml;chenwiderstand zusammen. Er wird nach
folgender Formel berechnet:
W=
1
* cW *  * A * v 2
2
 ist die Dichte des str&ouml;menden Mediums, A die Querschnittsfl&auml;che des
K&ouml;rpers normal zur Str&ouml;mung und v die Relativgeschwindigkeit zwischen
K&ouml;rper und Medium.
Der cw-Wert ist der Widerstandsbeiwert der sich aus
Windkanalmessungen ergibt und von der Form und von der
Oberfl&auml;chenbeschaffenheit des K&ouml;rpers sowie von der Reynoldschen Zahl
(Re) abh&auml;ngt.
Re =
l  v

 ist wieder die Dichte des Mediums, v die Relativgeschwindigkeit
zwischen K&ouml;rper und Medium, l eine f&uuml;r den jeweiligen K&ouml;rper
charakteristische L&auml;nge (z. B. Kugelradius),  die dynamische Viskosit&auml;t
des Mediums.
Vorrichtung zur Messung des Str&ouml;mungswiderstandes:
Abbildung 8
9
Skizze
Gegenstand
cw-Werte
D&uuml;nne Kreisplatte
1,1
Offene, d&uuml;nnwandige Halbkugelschale
1,33
Schlanker Kreiszylinder
0,63-1,2
Offene Halbkugelschale
0,34
Kugel
0,20-0,47
Stromlinienk&ouml;rper
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, w&auml;hrend Luft oder Gas darauf geblasen wird. In einem Windkanal
werden die Auswirkungen bewegter Luft auf Objekte wie Flugzeuge,
Raumfahrzeuge, Geschosse, Fahrzeuge, Geb&auml;ude und Br&uuml;cken oder auch
z. B. Schispringer analysiert.
Abbildung 9
Mit Tests im Windkanal wird u. a. der Luftwiderstand von Fahrzeugen und
Flugzeugen untersucht. Durch entsprechende Ma&szlig;nahmen (z. B.
Anpassung der aerodynamischen Form) l&auml;sst sich dieser Widerstand
verringern und der cW-Wert verbessern.
Die Gr&ouml;&szlig;e von Windkan&auml;len reicht von einigen Zentimetern bis zu
mehreren Metern. Ein Beispiel ist der Tunnel des Ames Research Center
der NASA (National Aeronautics and Space Administration;
Bundesbeh&ouml;rde f&uuml;r Luft- und Raumfahrt der USA) in Kalifornien. In diesem
12 &times; 24 Meter gro&szlig;en Windkanal findet ein ganzes Flugzeug mit einer
Fl&uuml;gelspannweite von 22 Metern Platz.
Je gr&ouml;&szlig;er der Querschnitt des Windkanals, desto schwieriger ist es, einen
Luftstrom von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Das gilt besonders f&uuml;r Anlagen, in denen &Uuml;ber- und
Hyperschallgeschwindigkeitsbedingungen erzeugt werden sollen. Hier ist
der Energiebedarf so hoch, dass der Tunnel wesentlich kleiner sein muss.
Gro&szlig;e Unterschallwindkan&auml;le k&ouml;nnen den Luftstrom zwar mit
motorbetriebenen Propellergebl&auml;sen erzeugen, f&uuml;r h&ouml;here
Geschwindigkeiten sind aber Luftkompressoren (Drucklufterzeuger)
11
erforderlich. Diese setzen unter hohem Druck stehende Gase frei.
Windkan&auml;le, die mit einer Gasladung arbeiten, k&ouml;nnen nur sehr kurze Zeit
in Betrieb bleiben. Extrem hohe Geschwindigkeiten werden im
Hochgeschwindigkeitswindkanal erzeugt. Hier k&ouml;nnen z. B. kleine
Flugzeug- oder Raumfahrzeugmodelle mit einer Sprengladung in die eine
Richtung des Kanals geschossen werden, w&auml;hrend gleichzeitig ebenfalls
mit einer Sprengladung beschleunigtes Gas in die andere Richtung str&ouml;mt.
Damit lassen sich f&uuml;r die Dauer von etwa einer Sekunde
Luftgeschwindigkeiten von bis zu 48 000 Kilometern pro Stunde erreichen.
Abbildung 10
Beim Flug von &Uuml;berschallraumfahrzeugen entsteht durch Reibung eine
erhebliche W&auml;rmeentwicklung (siehe W&auml;rme&uuml;bertragung). Zur
Untersuchung solcher Bedingungen wird in besonderen Windkan&auml;len ein
Strahl hei&szlig;en Gases auf das Modell geleitet. Gasbewegung und
W&auml;rmeentwicklung werden gemessen.
Manchmal wird in Unterschallwindkan&auml;len Rauch eingesetzt, um die
Luftbewegung an den Fl&uuml;geln eines Flugzeuges sichtbar zu machen. In
anderen eigens daf&uuml;r konstruierten Windkan&auml;len kann man die
Bedingungen in gro&szlig;en H&ouml;hen nachahmen und ihren Einfluss auf das
Verhalten eines Flugzeuges untersuchen. Es wurden bereits Bedingungen
erzeugt, die einer H&ouml;he von 145 Kilometern entsprechen. Diese
H&ouml;henversuche sind ebenfalls wichtig f&uuml;r die Beurteilung des Verhaltens
von Strahltriebwerken unter s&auml;mtlichen Flugbedingungen. In einem
Spezialwindkanal im Lewis Flight Propulsion Laboratory der NASA in
Cleveland (Ohio) kann man Strahltriebwerke in Originalgr&ouml;&szlig;e bei
12
Luftgeschwindigkeiten bis zu 3 860 Kilometer pro Stunde und H&ouml;hen bis
zu 30 500 Metern pr&uuml;fen. Der geplante europ&auml;ische &Uuml;berschallwindkanal
(European Transsonic Wind Tunnel), der von europ&auml;ischen
Luftfahrtbetrieben und Forschungseinrichtungen genutzt werden soll, wird
eine &auml;hnliche Leistungsf&auml;higkeit haben.
Vakuumtechnik
Geringe bis mittlere Vakua werden seit dem sp&auml;ten 19. Jahrhundert in
Haushaltsger&auml;ten wie Vakuumflaschen und Staubsaugern benutzt.
Abbildung 11
Dewar-Gef&auml;&szlig;
Ein Dewar-Gef&auml;&szlig; besitzt einen doppelwandigen Glasbeh&auml;lter, dessen Wandzwischenraum evakuiert und mit
einer w&auml;rmeisolierenden Schicht (meist d&uuml;nne Silberschicht) versehen ist. Dewar-Gef&auml;&szlig;e dienen beispielsweise
in Laboratorien zur Aufbewahrung von hei&szlig;en oder extrem kalten Stoffen (z. B. fl&uuml;ssige Luft). Der
doppelwandige Glasbeh&auml;lter h&auml;lt das aufzubewahrende Gut auf ann&auml;hernd konstante hohe bzw. niedrige
Temperatur. Das Gef&auml;&szlig; 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
Schmier&ouml;len aus Petroleumresiduen und beim Abpumpen von Luft aus
Gl&uuml;hbirnen 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 h&auml;ufigeren Isotop des Urans, mit dem es von Natur aus
verbunden ist.
Eines der wichtigsten Einsatzgebiete der Vakuumtechnik in j&uuml;ngerer Zeit
ist das gro&szlig;industrielle Tiefgefrieren. Unter Vakuumbedingungen wird die
Verdunstung von Wasser sehr stark beschleunigt, deshalb kommt dieses
Verfahren f&uuml;r die Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln zur Anwendung.
Das in den Lebensmitteln enthaltene Wasser wird verdampft und entzieht
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ihnen dabei so viel thermische Energie (Verdampfungsk&auml;lte), dass sie
schockartig durchgefroren werden.
Im Hochvakuum verdampftes Metall wird benutzt, um Kunststoffe oder
andere Gegenst&auml;nde mit einer Metallschicht zu &uuml;berziehen, die den
Gegenst&auml;nden ein hochwertiges metallisches Aussehen verleiht.
Durch die Einf&uuml;hrung von Hochgeschwindigkeits-Hochvakuumpumpen
konnte die Produktion von Fernsehr&ouml;hren gewaltig beschleunigt werden.
Geschmolzene, gegossene oder gesinterte Metalle k&ouml;nnen in ihren
physikalischen Eigenschaften durch Behandlung im Hochvakuum noch
verbessert werden, da hierbei Gaseinschl&uuml;sse und Verunreinigungen
entfernt werden. Metallische Einkristalle, die f&uuml;r Transistoren und &auml;hnliche
elektronische Bauteile verwendet werden, werden in
Hochvakuumreaktoren „gewachsen”, d. h. gefertigt. Elektrische
Transformatoren und Hochspannungskabel werden mit hoch
durchschlagfesten Dielektrika vakuumimpr&auml;gniert, um die Eigenschaften
der elektrischen Isolierung zu verbessern. Um bestm&ouml;gliche
W&auml;rmeisolierung f&uuml;r Flaschen und Rohre zu erreichen, in denen
verfl&uuml;ssigte Gase gelagert oder transportiert werden sollen, werden deren
Gef&auml;&szlig;w&auml;nde im Hochvakuum behandelt. Halbleitersubstrate zur
Herstellung elektronischer Schaltungen werden durch „Aufsputtern”
widerstandsf&auml;higer Materialien, wie Tantal oder Wolfram, in einer
Hochvakuumatmosph&auml;re behandelt.
Teilchenbeschleuniger sind auf sehr gute Vakua angewiesen, um den
Teilchen einen m&ouml;glichst unbehinderten, gaspartikelfreien Umlauf zu
erm&ouml;glichen. Um Bauteile der Luft- und Raumfahrttechnik unter
simulierten Weltraumbedingungen testen zu k&ouml;nnen, benutzt man gro&szlig;e
Versuchskammern mit Fassungsverm&ouml;gen von zum Teil mehreren tausend
Kubikmetern, die f&uuml;r die Erzeugung guter Vakua sehr hohe
Abpumpgeschwindigkeiten erfordern.
F&uuml;r bestimmte Formen chemischer Untersuchungen, bei denen die
Analyseprobe in gasf&ouml;rmigem Zustand oder in der Gestalt elektrisch
geladener Ionen sein muss, kann nur eine Vakuumumgebung das
Geforderte leisten. Derartige Ger&auml;te sind u. a. Massenspektrometer,
Elektronenmikroskope und Messger&auml;te f&uuml;r Vakuumverschmelzung und
kernmagnetische Resonanz.
14
Aufbau der Ger&auml;te
Vakuumanlage:
Abbildung 12
Ein betriebsf&auml;higes Vakuumsystem setzt sich aus drei Teilen zusammen:
 Hauptkammer, in der die Arbeit ausgef&uuml;hrt wird
 Vakuumpumpen
 zus&auml;tzliche Ausstattung wie Rohrleitungen, elektrische
Steuereinrichtungen und Messapparaturen
Um mit der Vakuumanlage in der Abbildung oben arbeiten zu k&ouml;nnen,
muss die Arbeitskammer mit ihrem Vakuummessger&auml;t vakuumdicht mit
dem Pumpstand verbunden sein. Sobald Hochvakuum- und Grobventile
geschlossen sind und das Vordruckventil ge&ouml;ffnet ist, laufen die
Diffusionspumpen und die mechanischen Pumpen an. Wenn die
Diffusionspumpe in Betrieb ist, kann sie durch Schlie&szlig;en des
Vordruckventils vom restlichen System abgetrennt werden. Anschlie&szlig;end
wird die Arbeitskammer abgepumpt, und zwar zun&auml;chst mit der
mechanischen Pumpe. Hierzu ist das Lufteinlassventil geschlossen und das
Grobventil ge&ouml;ffnet. Der Druck in der Arbeitskammer sinkt dann auf ein
zehntausendstel Bar (1 Bar ≡ 100 000 Pascal).
Die Kammer wird dann zur Diffusionspumpe hin ge&ouml;ffnet, wobei zuerst
das Grobventil geschlossen und danach die Vordruck- und
Hochvakuumventile ge&ouml;ffnet werden. Sodann ist die Kammer f&uuml;r Arbeiten
bereit, die darin ausgef&uuml;hrt werden sollen. Die Arbeitskammer ist ein
luftdicht abgeschlossener Beh&auml;lter mit einer oder mehreren M&ouml;glichkeiten
des Zugriffs auf den Innenraum. F&uuml;r einfachere Aufgaben werden oft auch
abgedichtete Glas- oder Stahlglocken benutzt. Zum Innenraum der
Kammer stehen von au&szlig;en her leckdichte Verbindungen zur Verf&uuml;gung, z.
15
B. Schaugl&auml;ser, elektrische Anschl&uuml;sse oder Werkzeuge, die mechanische
Bewegungen von au&szlig;en in das Vakuum &uuml;bertragen k&ouml;nnen.
Vakuumpumpe - Schematischer Querschnitt durch eine
Drehschieberpumpe:
Abbildung 13
Bei der Drehschieberpumpe l&auml;uft ein Zylinder exzentrisch in einem
zylindrischen Hohlgeh&auml;use. Am L&auml;ufer ist ein hin- und herschiebbares
Schaufelblatt so angebracht und mit Federn vorgespannt, dass es in
st&auml;ndigem Kontakt zur Laufbuchse steht und somit direkten Gasdurchtritt
zwischen Einlass und Auspuff verhindert. Das gesamte Innere ist mit
einem Dichtungs&ouml;l benetzt, das einen sehr geringen Dampfdruck hat.
Wasserstrahlpumpe:
Abbildung 14
Die Strahlpumpe beruht auf dem Prinzip, dass ein Gas oder eine
Fl&uuml;ssigkeit, die unter hohem Druck als gerichteter Strahl durch eine D&uuml;se
gepresst wird, Gasmolek&uuml;le aufnimmt und abf&uuml;hrt. Als Treibmittel kann z.
B. Wasser oder Wasserdampf dienen.
Die Diffusionspumpe arbeitet nach einem &auml;hnlichen Prinzip, benutzt aber
den entgasten Dampf einer Fl&uuml;ssigkeit mit sehr geringem Dampfdruck,
16
meist ein speziell f&uuml;r diesen Zweck hergestelltes organisches &Ouml;l oder
Quecksilber als Treibmittel. Dieses Treibmittel wird in dem Gasraum, der
evakuiert werden soll, frisch verdampft und durchstr&ouml;mt ihn mit extrem
hoher Geschwindigkeit, so dass Gasmolek&uuml;le in den Treibmittelstrahl
eindiffundieren und mitgenommen werden. Das gasbeladene Treibmittel
wird dann entgast und in einem Kreislauf zur&uuml;ckgef&uuml;hrt.
Barometer
Das Barometer ist ein Ger&auml;t zur Messung des Luftdruckes, also der Kraft,
die durch das Gewicht der Luft in der Atmosph&auml;re auf eine Fl&auml;cheneinheit
ausge&uuml;bt wird.
Fl&uuml;ssigkeitsbarometer enthalten Quecksilber, das 13,6-mal so schwer wie
Wasser ist, wodurch die Quecksilbers&auml;ule, die den Luftdruck aufwiegt, im
Mittel nur 760 Millimeter hoch ist. Diese 760-Millimeter-Quecksilbers&auml;ule
legt den mittleren Luftdruck in Meeresh&ouml;he fest, dies entspricht 760 Torr
(-&gt; 1 Torr = 1 Millimeter Quecksilbers&auml;ule) 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
gef&uuml;lltes Glasrohr, das er in eine Schale mit Quecksilber brachte. Der Fl&uuml;ssigkeitsspiegel im Rohr blieb in allen
F&auml;llen in einer H&ouml;he von ungef&auml;hr 76 Zentimetern stehen.
Heutige Quecksilberbarometer bestehen im Prinzip aus einem etwa 840
Millimeter hohen Glasrohr, das oben verschlossen und unten offen ist. Mit
Quecksilber gef&uuml;llt, wird das Rohr mit dem offenen Ende in einen oben
offenen, ebenfalls mit Quecksilber gef&uuml;llten Beh&auml;lter getaucht. Der
Quecksilberspiegel im Glasrohr f&auml;llt dann auf eine H&ouml;he von etwa 760
Millimeter &uuml;ber dem Spiegel im Beh&auml;lter. Dabei entsteht im oberen Teil
des Rohres ein fast perfektes Vakuum. Schwankungen des Luftdruckes
lassen die Fl&uuml;ssigkeit im Rohr steigen oder fallen. Auf Meeresh&ouml;he 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 f&uuml;r die H&ouml;he &uuml;ber dem Meeresspiegel (Normalnull),
geographische Breite (wegen der Ver&auml;nderung der effektiven
Gravitationskraft), f&uuml;r die Temperatur (wegen der Ausdehnung des
Quecksilbers) und f&uuml;r 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 &uuml;ber
einen Mechanismus und einen Zeiger auf eine Skala &uuml;bertragen. Spezielle
Dosenbarometer werden als H&ouml;henmesser oder Altimeter verwendet, da
der Luftdruck mit zunehmender H&ouml;he abnimmt.
Abbildung 16
Flugmedizin
Ein entscheidender Faktor beim Fliegen ist der st&auml;ndige Sauerstoffbedarf
des menschlichen K&ouml;rpers. Der Organismus kann Sauerstoff nur im Blut
speichern. Die Muskeln k&ouml;nnen zwar eine Zeit lang auch ohne
Sauerstoffnachschub arbeiten, doch dann nimmt ihre Leistungsf&auml;higkeit
durch die Anh&auml;ufung giftiger Abfallstoffe rapide ab. Am empfindlichsten
reagieren Augen und Gehirn auf Sauerstoffmangel.
Die Erdatmosph&auml;re besteht zu 21 % aus Sauerstoff und &uuml;bt auf
Meeresh&ouml;he einen durchschnittlichen Druck von 1 013 Hektopascal (hPa)
aus. Mindestens bis zu einer H&ouml;he von 5 000 Metern reicht der &auml;u&szlig;ere
Luftdruck aus, um Menschen, deren Organismus an gro&szlig;e H&ouml;hen
angepasst ist, unbeschwertes Atmen zu erm&ouml;glichen. In gro&szlig;en H&ouml;hen
18
muss der Druck k&uuml;nstlich erh&ouml;ht werden, um Menschen, die nicht an den
geringen Luftdruck angepasst sind, &uuml;ber l&auml;ngere Zeit hinweg das
&Uuml;berleben zu sichern.
Milit&auml;rflugzeuge, die in gro&szlig;en H&ouml;hen fliegen, sind mit Sauerstoffger&auml;ten
ausgestattet, die bei Flugh&ouml;hen &uuml;ber 3 000 Meter von den
Besatzungsmitgliedern st&auml;ndig getragen werden m&uuml;ssen. Bei Flugzeugen,
die f&uuml;r H&ouml;hen von &uuml;ber 10 000 Metern geeignet sind, steht in der Regel
das gesamte Cockpit unter &Uuml;berdruck oder sie sind mit einer &Uuml;berdruckSauerstoffversorgung ausger&uuml;stet. In Milit&auml;rmaschinen, die bis &uuml;ber 16
000 Meter aufsteigen k&ouml;nnen verf&uuml;gt die Besatzung &uuml;ber Ganzk&ouml;rperDruckanz&uuml;ge.
Zivile Fluggesellschaften statten ihre Maschinen den gesetzlichen
Regelungen entsprechend mit Druckkabinen aus. In Flugzeugen, die
beispielsweise H&ouml;hen um 6 700 Meter erreichen, muss der Kabinendruck
einer H&ouml;he von etwa 1 800 Metern entsprechen.
Bei geringem Luftdruck in &uuml;ber 9 150 Meter H&ouml;he bleibt der Stickstoff
nicht mehr in der Gewebefl&uuml;ssigkeit des K&ouml;rpers gel&ouml;st, sondern wird in
Form kleiner Blasen frei. Diese k&ouml;nnen ebenso wie zerst&ouml;rte Fettzellen ins
Blut gelangen und als Embolien Blutgef&auml;&szlig;e blockieren. Dieser Zustand,
Gasembolie oder Druckfallkrankheit genannt, f&uuml;hrt zu geistiger
Verwirrung, L&auml;hmungserscheinungen und dem Zusammenbruch von
Nerven- und Kreislaufsystem.
Als wichtige Vorbeugungsma&szlig;nahme hat sich das Einatmen reinen
Sauerstoffs vor dem Flug erwiesen, denn auf diese Weise wird der
Stickstoff aus dem Blut verdr&auml;ngt. Schneller Druckverlust, wie er bei einer
Undichtheit der Flugzeugkabine in gro&szlig;er H&ouml;he auftreten kann, f&uuml;hrt zur
Bildung von Gasblasen in den K&ouml;rperh&ouml;hlen. Ihr Druck verursacht
schwerwiegende Sch&auml;digungen des Herzens und anderer Organe.
Tauchen
Tauchglocken
Tauchglocken waren ab Mitte des 16. Jahrhunderts im Einsatz. Sie f&uuml;hrten
zum einen zu der Einsicht, dass nach dem Atmen komprimierter Luft das
Auftauchen mit angehaltenem Atem zu schweren
Lungen&uuml;berdehnungsunf&auml;llen f&uuml;hren k&ouml;nnen, zum anderen, dass die
verbrauchte Luft bald ersetzt werden muss, damit der Kohlendioxidgehalt
nicht auf gef&auml;hrliche Werte ansteigt. Letzteres geschah entweder &uuml;ber
F&auml;sser oder durch einen Schlauch mittels einer Handpumpe, die oberhalb
der Wasseroberfl&auml;che betrieben wurde. L&auml;ngere Aufenthalte und
effizientes Arbeiten unter Wasser waren nun m&ouml;glich.
In Unkenntnis der S&auml;ttigungs- und Ents&auml;ttigungsvorg&auml;nge des
Luftstickstoffs im K&ouml;rpergewebe bei ver&auml;nderlichen Druckverh&auml;ltnissen
kam es allerdings h&auml;ufig zu akuten, zu chronischen und auch zu t&ouml;dlichen
19
Dekompressionserkrankungen. Haltezeiten auf bestimmten Tiefen,
abh&auml;ngig von Arbeitstiefe und Tauchzeit, k&ouml;nnen dieses Problem
beseitigen.
Oberfl&auml;chenunabh&auml;ngige Tauchger&auml;te
Abbildung 17
Das Mitf&uuml;hren eines Vorrats an komprimierten Atemgasen und ein
mechanischer Atemregler erm&ouml;glichen f&uuml;r begrenzte Zeit
oberfl&auml;chenunabh&auml;ngige Tauchg&auml;nge. Tauchger&auml;te dieser Art m&uuml;ssen
atemgesteuert die n&ouml;tige Sauerstoffmenge liefern und den Druck des
Atemgases an der Schnittstelle zum Taucher genau auf den aktuellen
Umgebungsdruck reduzieren.
1860 entwickelten Beno&icirc;t Ronquayrol und Auguste Denayrouze aus einem
Atemschutzger&auml;t f&uuml;r den Bergbau die erste Version eines brauchbaren
mechanischen Atemreglers.
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Versuche:
Implodierte Dose
Verwendete Materialien:
Dose, Sch&uuml;ssel mit kaltem Wasser, Bunsenbrenner, Zange
Versuchsdurchf&uuml;hrung:
Zuerst f&uuml;llt man die Sch&uuml;ssel mit kaltem Wasser.
In die Dose gibt man ganz wenig Wasser, sodass der Boden benetzt ist,
und erhitzt es stark &uuml;ber dem Bunsenbrenner.
Dann nimmt man die Dose mit der Zange am oberen Rand und st&uuml;lpt sie
mit der &Ouml;ffnung nach unten in das vorher vorbereitete kalte Wasser.
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Versuchsergebnis:
Die Dose implodiert, da die Luft bzw. der Wasserdampf in der Dose
abgek&uuml;hlt wird und sich zusammenzieht, aber durch die Dosen&ouml;ffnung
nicht so schnell kaltes Wasser in die Dose gelangen kann.
Zeit:
ungef&auml;hr 10 Minuten
Tipps:
Die Dose muss sehr schnell in das kalte Wasser gebracht werden,
ansonsten funktioniert es nicht.
Am besten implodieren kleine Dosen!
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Gewicht der Luft
Verwendete Materialien:
Versuchsdurchf&uuml;hrung:
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 kugelf&ouml;rmigen Glaskolben mit einem Durchmesser von 15
cm verwenden, ergibt sich f&uuml;r das Gewicht der Luft (mit der Dichte  Luft =
1,2929 kg/m3) im Kolben V*  Luft =
4 3
r  *  Luft &uacute; 2,3 g.
3
Zeit:
ungef&auml;hr 10 Minuten
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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