5.4 Der Luftdruck Auch die Luft der Atmosphäre hat Masse und Gewicht. Wir leben am Boden eines Luftmeeres: Auf uns lastet die ca. 1 000 km dicke Atmosphäre, deren Gewicht den Luftdruck bewirkt. Drei Viertel der Luftmasse befinden sich in den untersten 10 km. Der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe, der Normaldruck, beträgt 1,013·105 Pa (1,013 bar). Auf jedem Quadratmeter der Erdoberfläche lastet damit ein Gewicht von etwa 105 N. Da die Erdoberfläche ca. 5·1014 m2 groß ist, schließt man daraus, dass die Masse der Erdatmosphäre ca. 5·1018 kg beträgt (Vergleiche mit der Erdmasse!). Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab: Die Luftsäule wird kürzer, außerdem nimmt die Dichte der Luft mit der Höhe ab, weil Luft im Gegensatz zu Wasser durch Druck merklich komprimierbar ist. Die Druckänderung beträgt ca. 1 % pro 80 m Höhe. Wir spüren sie, wenn wir etwa mit einer Seilbahn in kurzer Zeit eine große Höhendifferenz überwinden und das System Ohr-Nase-Lunge dabei die Druckänderung nicht genügend schnell ausgleichen kann. In Flugzeugen muss der Luftdruck ähnlich groß wie am Boden sein. Daher wird in der Kabine ein Druck von etwa 0,8 bar, entsprechend einer Höhe von 2 200 m, aufrechterhalten. Den Übergang zum Normaldruck merkt man insbesonders beim Landen. Wie in Flüssigkeiten erfahren auch in Gasen, insbesondere in der Luft, alle Körper einen Auftrieb. Auch hier gilt das Archimedische Prinzip: Der Auftrieb ist gleich groß wie das Gewicht des verdrängten Gases. Ballone nützen den Auftrieb in Luft. Ein Ballon steigt auf, wenn das Gewicht des gesamten Ballons (Hülle + Füllgas + Last) kleiner als der Auftrieb ist. Ballone werden im Wetterdienst, in der Forschung und als Freizeitgeräte verwendet. Untersuche, überlege, forsche: Luftdruck 69.1 W4 In Werbefilmen sieht man gelegentlich, wie Menschen oder Gegenstände von einer großen Zahl Heliumballone durch die Luft getragen werden. Bestimme wie viele Ballone (Durchmesser 30 cm, kugelförmig) man bräuchte, um eine Person (65 kg) in die Luft zu heben (Dichte von Luft: 1,2 kg/m3; von Helium: 0,18 kg/m3). 69.2 S3 Das Gewicht der Atmosphäre übt auf jeden cm2 unserer Haut eine Kraft von 10 N aus. Diskutiere mögliche Erklärungen. Recherchiere, ob diese Erklärungen korrekt sind. Warum spüren wir den Luftdruck nicht? Warum spüren wir rasche Höhenänderungen in den Ohren? Blutdruckmessung in der Medizin Das Herz ist ein Muskel, der – wie eine Pumpe – das Blut durch den Körper presst. Die Messung des Blutdrucks ist daher wichtig, um herauszufinden, ob Kreislauf und Herz in Ordnung sind. Beim Messen des Blutdrucks wird eine Manschette um den Oberarm gelegt und aufgepumpt (69.1). Dadurch wird Druck ausgeübt, bis die Oberarmarterie abgedrückt ist und der Blutfluss unterbrochen wird. Vermindert man durch Ablassen der Luft langsam den Druck, so hört man bei einem bestimmten Druck im Stethoskop ein Klopfgeräusch, das anzeigt, dass sich wieder Blut den Weg bahnt. Dieser Wert wird als systolischer Druck bezeichnet. Eine Systole ist die Phase, in der sich das Herz zusammenzieht und Blut in die Arterien gepresst wird. Lässt man nun weiter Luft aus der Manschette, so verschwindet das Geräusch allmählich, bis es ganz verstummt. Dieser Punkt entspricht dem diastolischen Blutdruck. Unter Diastole versteht man die „Ruhepause“ des Herzens, bei der in den Arterien ein kleinerer Druck herrscht. Bei der Blutdruckmessung verwendet man nicht Pascal oder Bar als Druckeinheit, sondern „Millimeter Quecksilbersäule (mm Hg)“ (69.2). Ein gesunder junger Mensch sollte einen systolischen Wert von ca. 120 mm Hg und einen diastolischen Wert von etwa 80mm Hg haben. Zu hoher Blutdruck (etwa 160/95mm Hg) kann die Lebenserwartung verkürzen und ist unbedingt zu behandeln. 69.1 Messung des Blutdrucks mit Manschette und Stethoskop Vakuum h = 760 mm Quecksilber Gewichtsdruck der Luftsäule Gewichtsdruck der Quecksilbersäule 69.2 Evangelista Torricelli war der Nachfolger Galileis am Hofe des Großherzogs der Toskana. Er stellte ein Rohr mit Quecksilber mit der Öffnung nach unten in ein offenes Gefäß. Dabei stellte er fest, dass sich das Rohr nicht vollständig leerte: Es blieb eine 76 cm hohe Quecksilbersäule im Rohr. Er schloss daraus, dass der Luftdruck (der Gewichtsdruck der Atmosphäre) auf die Oberfläche des Quecksilbers im Gefäß genauso groß ist wie der Gewichtsdruck der Quecksilbersäule. Er stellte zudem fest, dass die Quecksilbersäule sich mit der Zeit änderte und dass eine Abnahme der Höhe einer Schlechtwetterperiode vorausging. Damit erfand Torricelli im Jahre 1643 das Barometer. Wie hoch, glaubst du, müsste die Säule sein, wenn man statt Quecksilber Wasser verwendet? 69.3 Der Reifendruck ist der Gasdruck in einem Luftreifen. Er wird in bar angegeben. Dabei wird nicht der absolute Wert angegeben, sondern der Überdruck gegenüber dem Luftdruck. 69 Mechanik I 5 Druck in Flüssigkeiten und Gasen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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