Verformung Wie ein Körper auf Druck reagiert, hängt von seinen physikalischen Eigenschaften (Aggregatzustand, Elastizität, Festigkeit, etc.) und von seinem Aufbau aus kleinen Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) ab. In festen Körpern sind die Teilchen dicht gepackt, das heißt, sie haben geringe Abstände voneinander. 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 vorübergehend (elastisches Verhalten). Bei hohem Druck oder Zug verformen sich feste Körper dauerhaft (plastische Verformung). Reicht der Zusammenhalt der Teilchen nicht, bricht oder zerreißt der Körper (siehe auch Gebirgsdruck, 66.2). Bei Flüssigkeiten sind die Teilchen ebenfalls dicht gepackt, aber gegeneinander verschiebbar. Flüssigkeiten haben keine feste Form. Übt man auf eine Flüssigkeit in einem geschlossenen Gefäß etwa mit einem Kolben Druck aus, dann wird der Druck in alle Richtungen gleich stark weitergegeben (67.2). 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 vollständig aus. Gase lassen sich zusammendrücken (sie sind kompressibel). 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 die Flüssigkeit infolge ihres Gewichts auf ihre Umgebung ausübt, wird hydrostatischer Druck genannt. In der Tiefe h lastet auf der Fläche A die Gewichtskraft FG = m·g. Für den Druck p, den die Flüssigkeitssäule ausübt, gilt: p = FG _ 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 67.1 Du brauchst: eine offene PET-Flasche mit seitlichen Löchern in verschiedener Höhe E2 a) Fülle Wasser in die Flasche. Beobachte, vergleiche und protokolliere, wie das Wasser aus den Löchern der aufrechten Flasche rinnt. E3 b) Was folgt aus deinen Beobachtungen für die Tiefenabhängigkeit des hydrostatischen Drucks? Welcher hydrostatische Druck herrscht in einer Wassertiefe von 10 m? Die Dichte von Wasser beträgt 103 kg/m3. Nach der Formel für den hydrostatischen Druck erzeugt eine 10 m hohe Wassersäule einen Druck von p = ρ·g·h = 103·9,81·10 N/m2 ≈ 105 N/m2 = 105 Pa = 1 bar. Der hydrostatische Druck des Wassers nimmt bei einem Tauchgang daher um 1 bar pro 10 m Wassertiefe zu. Deshalb wirkt zusätzlich zum Luftdruck (siehe S. 69) auf jeden cm2 des Körpers eine Kraft entsprechend dem Gewicht einer Masse von 1kg. Dies führt für Sport- und Berufstaucherinnen und -taucher 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. Verständlicherweise 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. Tauchen – nicht schnorcheln 67.1 1960 erreichten Jacques Piccard und Don Walsh mit dem Tiefsee-U-Boot Trieste eine der tiefsten Stelle der Weltmeere (10 916 m). F A p ... spritzt die Flüssigkeit nach allen Seiten aus dem Behälter. Wird Druck auf die Flüssigkeit ausgeübt, so ... 67.2 Der Druck, den der Kolben auf die Flüssigkeit ausübt, wird nach allen Seiten weitergegeben. Das Wort Druck verwenden wir im Alltag in unterschiedlichen Zusammenhängen. „Es übt jemand Druck auf mich aus“ oder „Im Autoreifen ist zu wenig Druck“. Im ersten Fall haben wir es mit einem individuellen, nicht messbaren Gefühl zu tun. Im zweiten Fall können wir messen. Begriffe, die wir in der Physik verwenden, müssen letztlich immer messbar sein. Damit können wir sicherstellen, dass alle dasselbe darunter verstehen. 67 Mechanik I 5 Druck in Flüssigkeiten und Gasen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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