Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

55.1 1960 erreichten Jacques Piccard und Don Walsh mit dem Tiefsee-U-Boot Trieste eine Tie- fe von 10 740m. F A p ... spritzt die Flüssigkeit nach allen Seiten aus dem Behälter. Wird Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt, so ... 55.2 Der Druck, den der Kolben auf die Flüs- sigkeit ausübt, wird nach allen Seiten weiter- gegeben. 55.3 Recherchiere: Wie können Fische in der Tiefsee (Wassertiefe > 500m) trotz des Wasserdrucks leben? Verformung Wie ein Körper auf Druck reagiert, hängt von seinen physikalischen Eigenschaften (Aggregatzustand, Elastizität, Festigkeit, etc.) und seinem Aufbau aus kleinen Teil- chen (Atome, Moleküle, Ionen) ab. In festen Körpern sind die Teilchen dicht gepackt, d. h. sie haben geringe Abstände von einander. Außerdem sind die gegenseitigen Kräfte so stark, dass die Teilchen feste Plätze einnehmen und der Körper eine feste Form hat. Die Form ändert sich bei geringen Belastungen durch Druck oder Zug nur geringfügig und vorüberge- hend ( elastisches Verhalten ). Bei hohem Druck oder Zug verformen sich feste Kör- per dauerhaft ( plastische Verformung ). Reicht der Zusammenhalt der Teilchen nicht, bricht oder zerreißt der Körper. Bei Flüssigkeiten sind die Teilchen ebenfalls dicht gepackt, aber gegen einander verschiebbar. Flüssigkeiten haben keine feste Form. Übt man auf eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Gefäß etwa mit Kolben einen Druck aus, dann wird der Druck nach allen Richtungen gleich stark weitergegeben ( 55.2 ). Feste Körper und Flüssigkeiten lassen sich praktisch nicht zusammendrücken, sie sind inkompressibel . In Gasen sind die Teilchen relativ weit voneinander entfernt, daher haben Gase keine feste Form und füllen geschlossene Gefäße aus. Gase lassen sich zusam- mendrücken. Wird ein Gas in einem Behälter mit einem Kolben komprimiert (z. B. in einer Fahrradpumpe), dann wird der Druck nach allen Seiten weitergegeben. 5.2 Der hydrostatische Druck Der Druck, den das Wasser infolge seines Gewichts auf das umgebende Wasser ausübt, wird hydrostatischer Druck genannt. In der Tiefe h lastet auf der Fläche A die Gewichtskraft F G = m · g . Für den Druck, den die Wassersäule ausübt, gilt: p = F G / A = m · g / A. Wegen m = ρ · A · h beträgt der hydrostatische Druck p in der Tiefe h p = ρ · g · h. Wir sehen, dass der Druck in einer Flüssigkeit von der Tiefe h und der Dichte ρ der Flüssigkeit abhängt. Experiment: Hydrostatischer Druck 55.1 Du brauchst: eine offene PET-Flasche mit seitlichen Löchern in verschiedener Höhe. E 1 a) Fülle Wasser in die Flasche. Beobachte, vergleiche und protokolliere, wie das Wasser aus den Löchern der aufrechten Flasche rinnt. W 1 b) Was folgt aus deinen Beobachtungen für die Tiefenabhängigkeit des hydrostatischen Drucks? Tauchen – nicht schnorcheln Welcher hydrostatische Druck herrscht in einer Wassertiefe von 10m ? Die Dichte von Wasser beträgt 10 3 kg/m 3 . Nach der Formel für den hydrostatischen Druck erzeugt eine 10m hohe Wasser- säule einen Druck von p = ρ · g · h = 10 3 · 9,81 · 10N/m 2 ≈ 10 5 N/m 2 = 10 5 Pa bzw. 1 bar . Der hydrostatische Druck des Wassers nimmt bei einem Tauchgang daher um 1 bar pro 10m Wassertiefe zu. Deshalb wirkt zusätzlich zum Luftdruck (s. S. 57) auf jeden cm 2 des Körpers eine Kraft entsprechend dem Gewicht einer Masse von 1 kg . Dies führt für Sport- und Berufstaucher zu speziellen Problemen, von denen hier nur eines angeführt wird. Um bei dem erhöhten Wasserdruck die Lunge füllen zu können, wird Luft mit dem gleichen Druck geatmet. Verständlicher- weise gehen bei einem Druck von 2 bar mehr Sauerstoff und Stickstoff ins Blut über als bei 1 bar . Stickstoff diffundiert aus dem Blut ins Gewebe. Beim Auftauchen verringert sich der Druck des Wassers auf den Brustkorb, daher kann sich die Luft in den Lungen ausdehnen und es kann zum Lungenriss kommen. Stickstoff im Blut und im Gewebe kann durch den geringeren Druck Bläschen bilden und Arterien verstopfen. Dies nennt man Taucherkrankeit . Durch langsames Auftauchen und bewusstes Ausatmen kann dies verhindert werden. 55 | MECHANIK 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv