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Schweredruck und Luftdruck

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Die Autor/-innen
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Sandra Haufe
Schweredruck und Luftdruck
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung Schweredruck und Luftdruck

Hallo, beim Schwimmen im Freibad hast du bestimmt schon einmal den Druck auf deinen Ohren gespürt der entsteht, wenn du etwas tiefer tauchst. Vielleicht hast du etwas ähnliches auch schon im Flugzeug beim Start oder der Landung gespürt. Beim Ändern deiner Höhe oder Tiefe in einem Medium muss sich also irgendetwas verändern. Dieses besteht in der Änderung des Luftdruckes oder des Schweredruckes des Wassers. In diesem Video lernst du den Begriff Druck kennen. Es wird am Beispiel des Tauchers erklärt wie dieser entsteht und mit der Schwerkraft zusammenhängt. Aus diesem Beispiel wird dann schrittweise eine allgemeine Formel für den Druck in Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Tiefe abgeleitet und ein Beispiel praktisch durch gerechnet. Hier lernst du auch, ob oder wie der Druck von der Form des Gefäßes abhängt. Hast du schon eine Idee ? Auch im Wetterbericht ist immer wieder vom Luftdruck die Rede. Das ist unser zweites Beispiel. Hier lernst Du was es mit dem Luftdruck auf sich hat, wie du ihn messen kannst und wie er mit dem Wetter zusammenhängt.

Transkript Schweredruck und Luftdruck

Hallo. In diesem Video geht es zunächst um den Schweredruck, zum Beispiel von Wasser. Dazu möchte ich mit euch eine Rechnung durchführen. Danach geht es um den Luftdruck. Dazu möchte ich euch zeigen, wie man diesen misst. Schauen wir uns den Schweredruck mal am Beispiel des Tauchens an. Dies ist ein langes, kreisförmiges Gefäß, das mit Wasser gefüllt ist. Es könnte beispielsweise das Meer sein. Und dies ist ein Taucher, der in dem Gefäß langsam immer tiefer herunter schwimmt. Und je tiefer er kommt, desto größer wird der Druck, den er zum Beispiel sehr stark auf seinen Ohren merkt. Ich glaube diesen Druck, der immer stärker wird, je tiefer man kommt, haben wir alle schon einmal gespürt, besonders wenn man ganz schnell hinabgetaucht ist. Aber wie viel Druck ist das denn jetzt genau? Wir kennen ja schon die Formel für den Druck p. Die ist: p=F/A. Wir schreiben hier FG, denn in unserem Fall ist F die Gewichtskraft des Wassers, die auf den Menschen drückt. Aber um einen genauen Wert für den Druck herauszufinden, der auf den Ohren des Tauchers lastet, müssen wir die Formel noch ein wenig verändern. Wir wissen, dass FG das Gleiche ist wie m×g, also Masse mal den Ortsfaktor. Jetzt können wir FG dadurch ersetzen. Also erhalten wir dann: p=(m×g)/A (wobei m×g für FG steht). Auch wissen wir, dass m (die Masse) dasselbe ist wie Dichte mal Volumen, also ρ×V. Und jetzt können wir auch das in die Formel einsetzen, dann erhalten wir: p=(ρ×V×g)/A (wobei ρ×V für die Masse steht). Und jetzt ersetzen wir noch ein letztes Mal etwas, nämlich das Volumen V, das ist nämlich dasselbe wie h×A. Man kann nämlich das Volumen eines solchen Körpers immer mit der Grundfläche A, die befindet sich hier, mal der Höhe h, die ist hier, berechnen. Nun können wir also in der Formel auch das Volumen ersetzen. Dann erhalten wir: ρ×h×A×g/A. Und die beiden A können wir gegeneinander kürzen. Dann erhalten wir endlich unsere endgültige Formel, die ist dann: p=ρ×h×g (also Dichte mal Höhe mal Ortsfaktor). Und das ist dann die endgültige Gleichung für den sogenannten Schweredruck. Jetzt, wo wir so eine schöne Formel hergeleitet haben, wollen wir doch auch einmal genau wissen, wie viel Druck auf den Ohren des Tauchers lastet. Wir kennen schon die Dichte des Wassers, diese beträgt 1000kg/m³. Außerdem kennen wir die Höhe h. Das ist nämlich das Stück, das der Taucher tief getaucht ist, in unserem Fall 2m. Und auch den Ortsfaktor g auf unserer Erde kennen wir, er beträgt nämlich ungefähr 10N/kg. Diese Werte können wir nun alle in die Formel einsetzen. Dann erhalten wir: p=(1000kg/m³)×2m×(10N/kg). Und das ergibt dann p=20000 pa. Das ist ganz schön viel. Der Druck in der Tiefe des Wassers muss also ganz schön groß sein. Wir können das Ganze auch umrechnen in eine andere Druckeinheit, das sind dann 0,2 bar bei nur 2m Wassertiefe. Das heißt bei 10m Wassertiefe hat man schon einen Druck von 1bar. Und bei 20m spürt man doppelt so viel Druck. Uns Menschen kann das schaden, weil in unseren Lungen ein sehr viel niedrigerer Druck herrscht, sie sind ja mit Luft gefüllt. Fische zum Beispiel sind auf den Druck eingestellt. Wichtig ist, wir sehen in der Formel, wovon der Druck abhängt. Er hängt einmal ab von der Dichte des Stoffes, also ρ, und von der Tiefe, in der wir uns befinden. Beziehungsweise haben wir es hier mit h=Höhe bezeichnet. Der Druck hängt also nicht von der Größe des Gewässers oder des Behälters ab und auch nicht von seiner Form. Das werden wir nun mal betrachten. Dies sind 3 miteinander verbundene Gefäße, die alle eine unterschiedliche Form haben. Nun geben wir in das linke Gefäß Wasser hinein und schauen, was passiert. Das Wasser verteilt sich in alle 3 Gefäße, aber immer auf der gleichen Höhe. Das bedeutet, dass der Wasserdruck auf gleicher Höhe immer gleich ist, egal in welchem Gefäß, denn sonst würde sich das Wasser anders verteilen. Denn wir haben ja schon gesehen, der Druck hängt nur von der Dichte des Stoffes und von der Höhe ab. Nun kommen wir mal weg von der Flüssigkeit zum Gas, dem Luftdruck. Dies hier sind zwei schöne Berge und ein Tal dazwischen. Im Tal ist der Luftdruck besonders hoch, auf dem Berg dagegen ist er relativ niedrig. Das habt ihr bestimmt schon einmal gehört, dass es auf dem Berg weniger Luft gibt und man schwieriger atmen kann. Und genau diesen Luftdruck kann man auch messen, und zwar mit einem Barometer. Das sieht etwa so aus wie ein etwas verformtes Reagenzglas, und es ist gefüllt mit Quecksilber. Ganz da oben ist das Barometer luftleer, es befindet sich also nichts darin. Und so kommt auch der Höhenunterschied zustande, denn der Druck von dem höher aufragenden Quecksilber auf der linken Seite gleicht genau dem Druck der Luft auf der rechten Seite. Und steigt jetzt zum Beispiel der Luftdruck, weil wir ins Tal kommen, dann stimmt der Ausgleich nicht mehr und das Quecksilber wird auf der rechten Seite nach unten gedrückt und wandert dementsprechend auf der linken Seite nach oben. So, dass das Ganze dann wieder ausgeglichen ist. Wenn man dann links noch eine Messskala aufträgt, kann man so immer den Luftdruck messen. Für das Wetter nämlich kann man so ein Barometer super verwenden. Prinzipiell gilt: Wenn es schön ist, ist die Luft tief am Boden. Das heißt, wir messen einen hohen Luftdruck. Ist aber schlechtes Wetter, dann befindet sich die Luft weiter oben, das heißt, wir messen hier unten auf der Erde einen tieferen Luftdruck. Also für den Alltag haben wir gelernt über den Schweredruck: Vorsicht beim Tauchen, denn der Schweredruck ist schon in relativ geringen Tiefen richtig gefährlich. Und was den Luftdruck angeht, könnt ihr euch doch mal ein Barometer basteln, das ist nämlich gar nicht so schwer. Und dann seid ihr immer über das aktuelle Wetter informiert. Nun sind wir am Ende dieses Videos.

16 Kommentare

16 Kommentare
  1. I don`t check anything

    Von Rebecca F., vor mehr als einem Jahr
  2. Ein wirklich hilfreiches Video. Ich hätte mir bei der Rechnung mit dem Taucher aber gerne auch einen Lösungsweg. Denn die Einheiten sind meiner Meinung nach das Schwerste in der Physik .Sonst top, vielen Dank!

    Von Miro1893, vor fast 2 Jahren
  3. auf 10 min gestreckt :(
    Spaß cooles video hat geholfen

    Von Eric & Lydia P., vor mehr als 2 Jahren
  4. das Video war gut aber ein bisschen zu lang aber sonst war alles gut

    Von Tanja Becker27, vor mehr als 3 Jahren
  5. Schlechtes und Schönes Wetter; Definition erwünscht :D

    Von Raik W., vor mehr als 3 Jahren
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Schweredruck und Luftdruck Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schweredruck und Luftdruck kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, welche Größen in der Formel zur Berechnung des Schweredrucks vorkommen.

    Tipps

    Welche Größe wird mit der Formel berechnet?

    Welche der Größen ist auf der Erdoberfläche eine Konstante?

    Welche Größe bezeichnet eine Stoffeigenschaft?

    Welche Größe ist ein Maß für die Position des Objektes in der Flüssigkeit?

    Lösung

    Den Schweredruck $p$ berechnet man aus dem Produkt von drei Größen:

    Die Dichte $\rho$ der Flüssigkeit fließt in die Formel mit ein, ebenso der Ortsfaktor $g$, eine Konstante auf der Erdoberfläche. Die dritte Größe $h$ kennzeichnet die Lage des Objektes in der Flüssigkeit, also zum Beispiel die Tauchtiefe.

  • Leite die Formel zur Berechnung des Schweredrucks aus den Größen $\rho,~h,$ und $g$ her.

    Tipps

    Beginne mit allgemeinen Formel zur Berechnung des Druckes.

    Ersetzte Schritt für Schritt eine der Größen in der Formel durch zwei andere.

    Kürze am Ende die überschüssigen Größen.

    Lösung

    Am Ende der Herleitung erhält man somit eine Gleichung zur Berechnung des Schweredrucks, die einfach zu bestimmende Größen enthält. Es muss weder eine Kraft gemessen, noch eine Fläche bestimmt werden.

    Es reicht, die Dichte der Flüssigkeit und den Ortsfaktor zu verwenden. Diese beiden Größen sind Werte, die aus dem Tafelwerk oder ähnlichem ermittelt werden. Dazu kommt die Tiefe, in der sich der Körper befindet.

  • Berechne den Schweredruck, der auf die Organismen der Tiefsee wirkt.

    Tipps

    Verwende zur Berechnung die hergeleitete Formel für den Schweredruck.

    $p=\rho \cdot h \cdot g$

    Die Werte für die Berechnung sind im Text gegeben.

    Setzte sie in die Formel ein und berechne das Ergebnis.

    Das Ergebnis liefert dir den Druck in Pascal.

    Lösung

    Setzt man die gegebenen Größen in die Gleichung zur Berechnung des Schweredrucks ein, so erhält man für den Druck in 8 000 Metern Wasser Tiefe einen Wert von 80 000 000 Pascal. Dies entspricht 800 bar!!! Ein enormer Druck, mit dem die Organismen der Tiefsee konfrontiert sind.

    Übrigens ein kleiner Tipp: Also Faustregel für den Schweredruck im Wasser kannst du dir auch merken, dass alle 10 Meter der Druck um ein Bar zunimmt. Bei 8 000 Metern sind das dann also 800 bar. Um diesen Wert in Pascal umzurechnen, musst du mit dem Faktor 100 000 multiplizieren.

  • Vergleiche Luft- und Schweredruck miteinander.

    Tipps

    Wo tritt welche Druckform allgemein und in unserer Umwelt jeweils auf?

    Wie verhält sich der jeweilige Druck im Meer und im Gebirge?

    Für welche Druckmessung ist das Barometer konzipiert?

    Wie funktionieren beispielsweise Lungen und Kiemen bei Organismen?

    Lösung

    Schweredruck und Luftdruck sind beides Druckformen, die die Wirkung eines umgebenden Mediums auf einen Körper beschreiben. Von Schweredruck spricht man bei allen Flüssigkeiten, von Luftdruck bei Gasen.

    Das Barometer dient aufgrund seines Bauprinzips der Messung von Luftdrücken, da es hin zu einem gasförmigen Medium geöffnet sein muss. Es ist damit eine Spezialform von Druckmessgeräten (Manometern). Andere Manometerformen dienen der Bestimmung von Schweredrücken im Wasser.

    Der Schweredruck in Wasser nimmt mit der Tauchtiefe stetig zu. Der Luftdruck hingegen nimmt mit zunehmender Höhe wie im Gebirge ständig ab.

    Schweredruck und Luftdruck wirken aufgrund der Gewichtskraft des jeweiligen Mediums auf einen darin befindlichen Körper. Eine Schicht von einem Meter Wasser über uns übt wegen der hohen Dichte von Wasser einen deutlich höheren Schweredruck auf uns aus als der Luftdruck eine Schicht von einem Meter Luft.

    Trotzdem ist der Aufenthalt in der Atmosphäre ähnlich dem Tauchen in Wasser. Je tiefer wir uns in der Atmosphäre befinden, also je dichter am Erdboden, desto höher ist der Luftdruck. Menschen sind an die Luftdruckverhältnisse auf der Erdoberfläche angepasst, daher nehmen wir den Luftdruck von immerhin einem bar nicht wahr. Abweichungen von diesen Druckverhältnissen führen jedoch zu gesundheitlichen Problemen wie etwa der Höhen- oder Taucherkrankheit.

  • Gib an, von welchen Größen der Schweredruck abhängt.

    Tipps

    Welche Größen werden zur Berechnung des Schweredrucks verwendet?

    Welche Größen spielen für den Schweredruck keine Rolle? Denke an den Versuch mit den unterschiedlich geformten Gefäßen.

    Insgesamt sind drei Größen relevant.

    Lösung

    Der Schweredruck, der auf die Pflanze wirkt, ist von drei Größen abhängig. Diese finden sich auch in der Formel zur Berechnung des Schweredrucks wieder:

    Je dichter die Flüssigkeit ist, desto stärker drückt ihre Gewichtskraft von oben auf die Pflanze. Mit zunehmender Dichte der Flüssigkeit steigt auch der Schweredruck. So ist der Druck in stark salzhaltigen Gewässern größer als im Süßwasser.

    Je tiefer sich die Pflanze in der Flüssigkeit befindet, desto höher wird der Schweredruck. Das hast du bereits bei der Aufgabe mit den Tiefseefischen erfahren - alle 10 Meter Tiefe steigt der Druck um ein bar.

    Die dritte Größe ist der Ortsfaktor. Er ist in der Nähe der Erdoberfläche eine Konstante. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt (nach unten oder oben), desto mehr verändert er sich und muss gegebenenfalls angepasst werden.

    Keine Rolle hingegen spielt das Gefäß, in welchem sich die Flüssigkeit befindet: ein kleines Becherglas oder ein großer Ozean. Bei beiden spielt nur die Wassersäule direkt über der Wasserpflanze eine Rolle. Sie wirkt mit ihrem Gewicht auf die Wasserpflanze. Und diese ist unabhängig von Form und Größe des Behälters.

  • Erkläre, wie sich der Schwerdruck bei den beschriebenen Versuchen jeweils ändert.

    Tipps

    Welche Einflussfaktoren kannst du mit deinem Wissen ausschließen?

    Welche Abweichungen können durch den Messprozess selbst auftreten?

    Welche dieser Abweichungen sind normal, welche unerwünscht?

    Lösung

    Die Schülergruppe wollte mit ihrem Versuch bestätigen, dass der Wasserdruck nur von der Tauchtiefe, nicht jedoch von der Form oder Größe des wassergefüllten Gefäßes abhängt.

    Somit haben sie für die unterschiedlich geformten und unterschiedlich großen Becken damit gerechnet, dass alle Werte für den Wasserdruck für eine bestimmte Tiefe gleich sind. Dies war jedoch nicht der Fall.

    Möglicherweise haben sich im Versuch unnötige Fehler eingeschlichen: Defekte oder ungenaue Messgeräte können die Ursache für die Abweichungen sein. Oder bei der Versuchsdurchführung gab es Unterschiede, die das Ergebnis beeinflusst haben. Zum Beispiel könnte die Zeit eine Rolle spielen, nach der das Ergebnis abgelesen wird. Oder ein anderer Blickwinkel beim Ablesen selbst kann das Ergebnis verfälschen.

    Vielleicht sind die beobachteten Messabweichungen jedoch auch völlig normal. Jedes Messgerät besitzt nur eine bestimmte Genauigkeit. Geringfügige Dichteunterschiede im Wasser durch unterschiedliche Temperaturen oder einen anderen Chlorgehalt könnten bei den Abweichungen auch eine Rolle spielen.

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