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Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers

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Philip Rupp
Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers

Inhalt

Was ist ein Barometer?

Das Barometer spielt in der Physik eine wichtige Rolle. In diesem Text wird das Barometer auf einfache Weise erklärt. Die Definition für ein Barometer lautet:

  • Ein Barometer ist ein Messgerät zum Messen des Drucks, insbesondere des Luftdrucks.

Der irische Forscher Robert Boyle führte den Namen des Barometers ein. Der Name leitet sich von den griechischen Wörtern baros, das Schwere bedeutet, und metrein, das messen bedeutet, ab. Der Druck ist gegeben durch die Formel:

$\text{Druck} = \dfrac{\text{Kraft}}{\text{Fläche}}$

Mit den Formelzeichen $p$ für Druck, $F$ für Kraft und $A$ für Fläche gilt also:

$p = \dfrac{F}{A}$

Steigt der Luftdruck, so wirkt auf einen Körper oder eine Fläche eine größere Kraft. Die Wirkung dieser Kraft kann leicht gemessen werden. Wie ein Barometer genau misst, ist je nach Typ des Barometers verschieden.

Was bedeuten die Zahlen auf dem Barometer? Diese geben den Druck in der Spanne, in der das Barometer messen kann, an. Der aktuelle Druck wird entweder durch eine Flüssigkeitssäule oder einen Zeiger oder Ähnliches angezeigt. Der Luftdruck wird dabei meist in der Einheit Hektopascal, kurz $\pu{hPa}$, angegeben.

Welche Arten von Barometern gibt es?

Wie ein Barometer aufgebaut ist, ist je nach Art verschieden. Schauen wir uns den Aufbau und die Funktion zwei verschiedener Barometer genauer an.


Ein bekanntes Beispiel für ein Barometer ist das Flüssigkeitsbarometer. Es besteht vereinfacht aus einer Wanne und einem Rohrstück. Veranschaulicht ist das Messprinzip in der folgenden Grafik.

Prinzip Flüssigkeitsbarometer als Abbildung

Das Rohr ist oben luftdicht verschlossen und unten offen. In der Wanne und im unteren Bereich des Rohrs befindet sich eine Flüssigkeit. Im oberen Bereich des Rohrs herrscht ein Unterdruck, der Druck ist also deutlich geringer als der Umgebungsdruck. Über der Flüssigkeit in der Wanne befinden sich Gasteilchen der Umgebungsluft. Diese bewegen sich und erzeugen so einen Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit.

Am oberen Ende des Rohrs wirkt hingegen kaum Druck auf die Flüssigkeit. Der Luftdruck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, schiebt somit die Flüssigkeit in das Rohr und der Flüssigkeitsspiegel im Rohr steigt an. Je größer der Druck ist, desto höher steigt die Flüssigkeit. Sinkt der Druck, der auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt, wieder, so zieht die Erdanziehung die Flüssigkeit im Rohr wieder nach unten.

Am Rohrstück ist eine Skala angebracht, die so kalibriert ist, dass sie den aktuellen Luftdruck anzeigt. Wichtig ist hierbei, dass es die Umgebungsluft ist, die die Flüssigkeit in das Rohr drückt, und nicht der Unterdruck, der die Flüssigkeit in das Rohr zieht.
Häufig wird als Flüssigkeit Quecksilber genutzt. Solche Barometer nennt man Quecksilberbarometer.

Auch das Dosenbarometer wird häufig verwendet. Aufgebaut ist es meist aus einer Art Dose und einem Zeiger. In der Dose herrscht ein starker Unterdruck. Der Luftdruck drückt nun von außen gegen die Dose und verformt sie dabei. Dadurch bewegt sich der Zeiger, er zeigt auf einer Skala den aktuellen Luftdruck an. Je größer der Luftdruck ist, desto stärker wird die Dose eingedrückt. Moderne Dosenbarometer können kleinste Änderungen im Luftdruck messen.

Prinzip Dosenbarometer als Abbildung

Wozu verwendet man ein Barometer?

Um die Frage zu klären, was der Nutzen eines Barometers ist, schauen wir uns die folgenden Beispiele an:

  • Barometer werden unter anderem in Flugzeugen genutzt. Sie messen sowohl den Außendruck als auch den Innendruck. Der Innendruck muss über den gesamten Flug gleich bleiben. Über den Außendruck kann die aktuelle Flughöhe ermittelt werden.
  • Auch an Wetterstationen werden Barometer genutzt. Das ist wichtig für die Vorhersage und Analyse des Wetters.
  • Für das Tauchen mit einem U-Boot ist die Kenntnis über den genauen Druck ebenfalls wichtig, also finden Barometer auch dort eine Anwendung.

Zusätzlich zum Video und dem Text findest du hier auf der Seite noch Arbeitsblätter und Übungen zum Thema Barometer.

Transkript Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers

Hallo und herzlich willkommen beim Lernvideo zum Thema Luftdruck, speziell zum Barometer, dem Messgerät des Luftdrucks. Mit dem Phänomen Druck allgemein solltet ihr schon etwas vertraut sein und einige Videos gesehen haben. Am Ende des Films werdet ihr dann die verschiedenen Arten von Barometern kennen und ihre Funktionsweise verstehen. Wir werden uns dafür erst mal allgemein mit Barometern beschäftigen. Woher kommt der Begriff? Und wo liegt der Unterschied zu einer herkömmlichen Waage? Danach zeige ich euch zwei häufig verwendete Versionen, das Flüssigkeitsbarometer und das Dosenbarometer. Wir betrachten hierbei den Aufbau und die Funktionsweise dieser unterschiedlichen Geräte. Am Ende schauen wir uns dann noch einmal ein paar kleine Beispiele an, wo man Barometer heutzutage überall benutzt. Doch beginnen wir erst einmal ganz vorne. Barometer sind Messgeräte, mit denen man den Druck, bevorzugt den Luftdruck, messen kann. Der Name wurde vom irischen Forscher Robert Boyle eingeführt und leitet sich von den griechischen Wörtern "baros" und "metrein" ab, das bedeutet "Gewicht" und "messen". Man darf das Barometer aber nicht mit einer herkömmlichen Waage verwechseln. Eine Waage misst quasi die Masse eines Körpers. Genauer gesagt misst sie die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Ein Barometer hingegen misst keine Kraft, sondern einen Druck, also Kraft pro Fläche. Das ist der feine, aber wichtige Unterschied. Und genau hier liegt auch die Funktionsweise eines Barometers. Wenn der Luftdruck steigt, so wirkt auf einen Körper oder eine Fläche eine größere Kraft und die Wirkung dieser Kraft kann man leicht messen. Das beste Beispiel für ein Barometer ist das Flüssigkeitsbarometer. Es besteht grob gesagt aus einer kleinen Wanne und einem Rohrstück, das im oberen Ende luftdicht verschlossen und am anderen Ende offen ist. Das Rohr ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und wird mit dem offenen Ende in die ebenfalls mit einer Flüssigkeit gefüllten Wanne gesenkt. Durch das Eigengewicht der Flüssigkeit sinkt diese im Rohr ein Stück ab. Dabei entsteht am geschlossenen Ende ein Vakuum, also ein luftleerer Freiraum. Die Funktionsweise ist nun simpel. Über dem Wasser der Wanne befinden sich Gasteilchen der Luft. Diese bewegen sich und erzeugen so einen Druck auf die Wasseroberfläche. Da sich am oberen Ende des Rohrstücks jedoch ein Vakuum befindet, wird hier kein Druck erzeugt. Der Luftdruck schiebt somit das Wasser in das Rohr und der Wasserspiegel im Rohr steigt. Je größer der Druck ist, desto höher steigt das Wasser. Sinkt der Luftdruck wieder, so zieht die Erdanziehung die Flüssigkeit im Rohr wieder ein Stück herunter. Man muss also nur eine Skala am Rohrstück anbringen und kann darüber den aktuellen Druck ablesen. Wichtig hierbei ist, dass es die Luft ist, die das Wasser in das Rohr drückt, nicht aber das Vakuum, welches es in das Rohr zieht. Naiv betrachtet scheint das Vakuum lediglich das Wasser anzuziehen. Physikalisch ist das jedoch Quatsch. Die nächste, oft verwendete Variante des Druckmessers, ist das Dosenbarometer. Aufgebaut ist es maßgeblich aus einem dosenartigen Gebilde und einem Zeiger. In der Dose herrscht ein starker Unterdruck. Der Luftdruck drückt nun von außen gegen diese Dose und verformt sie leicht. Dadurch bewegt sich der Zeiger und man kann den aktuellen Luftdruck erkennen. Denn je stärker der Luftdruck ist, desto stärker bewegen sich die Luftteilchen und drücken die Dose immer weiter zusammen. In modernen Dosenbarometern werden sogar hohe Stapel von diesen Dosen benutzt. Dadurch lässt sich die Empfindlichkeit erhöhen und man kann auch kleine Änderungen des Luftdrucks messen. Werfen wir nun noch einen kurzen Blick auf die Anwendungsbereiche von Barometern. Heutzutage benutzt man sie sehr vielseitig. Zum Beispiel in Flugzeugen, dort werden sie benutzt, um sowohl den Außendruck als auch den Innendruck im Flugzeug selbst zu messen, denn diese müssen den ganzen Flug über gleich bleiben. Man kann über den Luftdruck sogar die aktuelle Flughöhe bestimmen. Für moderne Flugzeuge ist diese Methode aber zu ungenau. Jede Wetterstation benutzt ebenso Barometer, denn mit ihrer Hilfe lässt sich sogar abschätzen, wie das Wetter in den nächsten Stunden werden wird. Und natürlich benötigt man auch stets den aktuellen Luftdruck beim Tauchen mit einem U-Boot, denn dieser muss jederzeit bei Bedarf nachgeregelt werden, denn man will ja nicht, dass das U-Boot zusammengedrückt wird, wie die Dose im Dosenbarometer. Damit verabschiede ich mich von euch und hoffe ihr hattet Spaß beim Schauen. Euer Phillip Physik.

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. :/

    Von NAYEON, vor etwa einem Jahr
  2. Sehr gutes Video! Wäre noch schön gewesen zu erwähnen, dass das Experiment vom Flüssigkeitsbarometer von Evangilista Torricelli durchgeführt wurde. ;D

    Von Angelikaklemm, vor mehr als 8 Jahren

Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Luftdruck – Aufbau und Funktion eines Barometers kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Funktion eines Barometers.

    Tipps

    Was wird gemessen?

    Wie ist die Bezeichnung für ein Apparat zum Feststellen von physikalischen Größen?

    Lösung

    Ein Barometer ist ein Messgerät, das den Luftdruck in der Umgebung misst.

    Das Barometer wurde ca. 1665 vom irischen Naturforscher Robert Boyle als dieses benannt. Dieser Begriff leitet sich aus den griechischen Wörter báros (Schwere, Gewicht) und metreín (messen) ab.

    Die ersten Ideen zum Luftdruck und den Barometern stammten von den Naturwissenschaftlern Galilei, Torricelli und Pascal.

    Heute findet man es häufig in Wetterstationen mit der zusätzlichen Skala für: Wolkig, beständig und heiter. Neben dem Barometer beinhalten diese auch häufig ein Thermometer zur Bestimmung der Temperatur und ein Hydrometer zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit.

    Aus den drei Daten Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit kann dann bestimmt werden, wie das Wetter ist. Da vor einer Wetteränderung sich auch häufig der Luftdruck ändert, kann sogar gesagt werden, ob und wie sich das Wetter ändert.

  • Gib die Bestandteile der beiden Barometer an.

    Tipps

    Aus welchen Bestandteilen bestehen die Barometer?

    Lösung

    Ein Flüssigkeitsbarometer besteht aus einem mit einer Flüssigkeit befüllten Rohr. Dieses steht in einer Wanne, die mit der gleichen Flüssigkeit befüllt ist. Am oberen Ende des geschlossenen Rohrs ist ein Vakuum.

    Ein Dosenbarometer besteht aus einem dosenförmigen Gefäß, an dem ein Zeiger befestigt ist. In diesem Gefäß herrscht ein starker Unterdruck.

  • Erkläre die Funktionsweise der zwei Barometer.

    Tipps

    Wie funktionieren die Barometer?

    Aus welchen Bestandteilen bestehen die Barometer?

    Lösung

    Beim Flüssigkeitsbarometer wird durch den Luftdruck die Höhe der Flüssigkeit im Rohr verändert. Erhöhnt sich der Luftdruck, so wird der Druck auf das Wasser in der Wanne höher und das Wasser wird in das Rohr gedrückt. Nimmt der Luftdruck ab, so wird die Höhe der Flüssigkeit im Rohr weniger.

    Beim Dosenbarometer wird die Dose durch den Luftdruck verformt und der Zeiger zeigt diese Veränderung auf. Die Dose ist aus sehr dünnem Blech gefertigt, das sich sehr einfach verformen lässt. Wird der Luftdruck um die Dose größer, wird die Dose zusammengedrückt und der Zeiger gibt das wider.

  • Erkläre die physikalische Größe Luftdruck.

    Tipps

    Was gibt der Luftdruck an?

    Lösung

    Der Luftdruck gibt die Kraft der Luft an, die senkrecht auf eine Fläche wirkt. Bei der Kraft handelt es sich um die Gewichtskraft der Luft. Also der Luftdruck auf der Erdoberfläche ist die Gewichtskraft der Luftsäule auf eine bestimmte Fläche. Auf Meereshöhe ist der Luftdruck $ 101 325 Pa$. Die Einheit $Pa$ heißt $Pascal$ und ist nach einem der Entdecker des Luftdrucks, Blaise Pascal, benannt. Rechnet man diese Kraft von Newton in Kilogramm um, wird diese Gewichtskraft von einer Masse von 10328 Kilogramm bewirkt. Luft wiegt also definitiv auch etwas.

  • Benenne Einsatzmöglichkeiten eines Barometers.

    Tipps

    Was misst das Barometer?

    Was gibt der Luftdruck an?

    Lösung

    Das Barometer hat mehrere Einsatzmöglichkeiten.

    In einer Wetterstation hilft das Barometer mit der Anzeige des Luftdrucks das Wetter vorauszusagen.

    Früher half es einem Flugzeug bei der Bestimmung der Flughöhe, da der Luftdruck von der Messhöhe abhängt.

    Ein Barometer misst nicht die Masse eines Körpers oder die Geschwindigkeit.

    Und in einem U-Boot ist das Barometer ein Sensor, der den Druckausgleich einleitet, damit das U-Boot in den Tiefen des Meeres nicht zusammengedrückt wird .

  • Entscheide, welche Einsatzmöglichkeiten für das Barometer zusammengehören.

    Tipps

    Was misst das Barometer?

    Was gibt der Luftdruck an?

    Lösung

    Das Barometer hat mehrere Einsatzmöglichkeiten.

    In einer Wetterstation hilft das Barometer mit der Anzeige des Luftdrucks das Wetter vorauszusagen. Früher half es einem Flugzeug bei der Bestimmung der Flughöhe, da der Luftdruck von der Messhöhe abhängt.

    Ein Barometer misst nicht die Masse eines Körpers oder die Geschwindigkeit.

    Und in einem U-Boot sorgt es für den Druckausgleich, damit das U-Boot nicht zusammengedrückt wird in den Tiefen des Meeres.

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