Physikalische Grundlagen
Druck
Unter dem Begriff Druck verstehen wir die auf eine Fläche wirkende Kraft. Das heißt der jeweilige Druck ist von der Gewichtskraft und von der Fläche abhängig. In einem reinen Medium in dem keine Bewegung stattfindet gleichen sich die Kräfte aus, das bedeutet nicht nur dass der jeweilige Umgebungsdruck erst zum Tragen kommt, wenn eine Fläche vorhanden ist auf welche er einwirken kann, sondern auch dass der Druck nicht Starr als eine auf den Boden drückende Gewichtskraft anzusehen ist. Als Beispiel sei der Taucher erwähnt auf dessen Körperfläche der Druck im Medium Wasser von allen Seiten einwirkt.
Für den Taucher sind die Druckangaben in bar und Newton (N) gebräuchlich. Wichtig sind aber zudem die Angaben der physikalischen und technischen Atmosphäre.
Sinngemäß unterscheiden wir zwischen statischen oder ruhenden Drucklasten und dynamischen Drucklasten. Auf dem Verhältnis von Druck und Fläche basiert auch das Prinzip der Lastverteilung. Lastverteilungen finden wir z.B. überall an Bauwerken, indem Kräfte gewollt auf Flächen umgeleitet oder verteilt werden. In Bezug auf Druck- oder Soglasten wird vorwiegend eine Vergrößerung der Fläche angestrebt auf welche diverse Lasten Einwirken. Unter Wasser finden wir dieses Prinzip z.B. in der Vergrößerung der Fläche durch Gitter, Körbe und dergleichen bei Abflüssen und Bereichen bei denen es zu Soglasten kommt oder kommen kann. Die Vergrößerung der Fläche wird hierbei durch den Abstand zur Öffnung bewerkstelligt.
Würde man z.B. ein Gitter direkt auf eine Rohrleitungsöffnung montieren, würde die Ansaugfläche verkleinert werden und die wirkende Kraft würde sich auf eine im gesamten kleinere Fläche Verteilen, dadurch kommt es zu einer punktuell höheren Ansaugkraft bzw. wirkt die Kraft stärker auf mehrere kleinere Flächen.
Im selben Sinne finden wir diesen Effekt z.B. bei der Benutzung eines Feuerwehrschlauches. Durch die bewusst Konstruierte kleinere Fläche am Strahlrohrausgang im Verhältnis zum eigentlichen Schlauchdurchmesser, wirkt der Druck auf die kleinere Öffnung, dadurch es kommt zu einer Bündelung der Wassermasse auf eine kleinere Fläche. Auch dies ist eine gewollte Variante einer Lastverteilung bei der eine Verkleinerung der Fläche angestrebt wird.
Merke:
- Bei einer gewünschten „Entlastung“ wird in der Regel eine Verteilung der Kraft auf eine größere Fläche angestrebt.
- Bei einer gezielten „Bündelung“ der Kraft auf einen Punkt hin wird die Fläche, auf die eine Kraft einwirkt, bewusst verkleinert (z.B. Aqua Cut).
Wasser und Luft haben ein bestimmtes Gewicht und üben dadurch auf ihre Umgebung einen Druck aus, der in alle Richtungen gleich wirkt. Die Luftsäule, die auf uns ruht, hat eine bestimmte Zusammensetzung und Höhe, dadurch herrscht in Meereshöhe ein Druck von 1 bar = 1000 Millibar.
Dieser Wert schwankt geringfügig je nach Wetter.
Die Wassersäule, die auf uns lastet, hat pro 10 m Wassersäule einen Druck von 1 bar.
Der Umgebungsdruck unter Wasser setzt sich zusammen aus dem Luftdruck (meist 1 bar) und dem Wasserdruck.
Damit ergibt sich ein Druck von:
an der Oberfläche: 1 bar
in 10 m Wassertiefe: 1 bar Luftsäule + 1 bar Wassersäule = 2 bar
in 20 m Wassertiefe: 1 bar Luftsäule + 2 bar Wassersäule = 3 bar
in 30 m Wassertiefe: 1 bar Luftsäule + 3 bar Wassersäule = 4 bar
in 33,2 m Wassertiefe: 1 bar Luftsäule + 3,32 bar Wassersäule = 4,32 bar
Die Physikalische Atmosphäre oder auch physikalischer Druck genannt bezieht sich Grundlegend auf die Erdatmosphäre (Luftdruck). Dieser wird beim Tauchen Pauschal mit 1bar auf Meeresniveau angegeben. Nach oben hin nimmt der Luftdruck pro 1000m Seehöhe um 0,1bar ab. Der Luftdruck auf 2000m Seehöhe beträgt somit 0,8bar. Somit ergibt sich im Einklang mit Flugverbotszeiten das nach dem Tauchen für den errechneten Zeitraum keine Höhenlagen aufgesucht werden sollten. Ebenso sollten Tauchgänge in höhergelegen Gewässern als Wiederholungstauchgang betrachtet werden, sofern diese nicht durch Nitrox kompensiert werden.
Merke:
- Der Luftdruck nimmt nicht linear, sondern exponentiell ab
- Zwischen Höhe und Luftdruck besteht keine Proportionalität
Grundeinheit Physikalische Atmosphäre = ATM
Die technische Atmosphäre oder technischer Druck (Relativer Druck) wird beispielsweise in der Hydraulik – Technik angegeben. Als technischen Druck bezeichnet man den in einem Behältnis eingegrenzten oder vorherrschenden Druck (z.B. Betriebs- und Arbeitsdrücke). Wird zum Beispiel ein hydraulisches Arbeitsgerät mit einem Betriebsdruck von 400 bar betrieben, so ist damit der technische Druck gemeint. Dies bedeutet zugleich dass der Druck in der Versorgungleitung 400bar über dem Umgebungsdruck (Luftdruck) liegt.
Grundeinheit Technische Atmosphäre = AT
oder auch ATÜ = Technische Atmosphären über Bezugsniveau
Als absoluter Druck wird die Summe aller vorherrschten Drücke bezeichnet. Der Begriff absoluter Druck wird oft fälschlicher Weise Pauschal mit dem Umgebungsdruck gleichgestellt. Das in einer Rohrleitung ein Druck von 20bar herrscht bedeutet nicht gleichzeitig das diese mit einem Druck von 21bar auf seine Umgebung einwirkt.
Der uns beim Tauchen bekannte tatsächliche Umgebungsdruck von 3bar in 20m Tiefe ist die Summe aus 1bar Luftdruck und 2bar Wasserdruck.
Also 1bar physikalischer Druck und 2bar technische Atmosphäre = 3bar absoluter Druck.
Merke: Wenn das Reifendruckmessgerät an der Tankstelle einen Druck von 2,3 bar anzeigt, dann ist damit der Überdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck von ca. 1 bar gemeint. Der Druck im Autoreifen liegt also 2,3 bar über dem atmosphärischen Druck.
Der absolute Druck beträgt somit 3,3 bar.
Festkörper, Flüssigkeiten und Gase
Festkörper haben wie der Name schon sagt, eine feste Form. Während Flüssigkeiten und Gase leicht verformt werden können.
Festkörper und Flüssigkeiten haben ein festes Volumen und lassen sich kaum zusammenpressen, während Gase leicht komprimiert werden können. Die Dichte, definiert als Masse pro Volumen, ist sowohl bei festen Körpern als auch bei Flüssigkeiten groß, während sie bei Gasen klein ist.
Sie ist bei Gasen zudem variabel, weil diese sich komprimieren lassen, bei festen und flüssigen Stoffen aber im Wesentlichen konstant.
Merke: Feste Körper haben eine gewisse Steifheit und Härte, Flüssigkeiten sammeln sich allein durch die Gewichtskraft am Boden, und Gase füllen ein Gefäß vollständig aus.
Druckverteilung bei festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen
Wer schon einmal auf dem Rücken auf einer weichen Matratze und auf einem harten Felsen lag, kennt den Unterschied, den die Auflagefläche und die Kraftverteilung darauf ausmachen. Bei der Matratze verteilt sich das Gewicht gleichmäßiger, während man beim Felsen harte Stellen und spitze Steinchen spürt.
Drückt man auf einen Teller auf dem Tisch, gibt dieser den Druck an den Tisch weiter.
Drückt man hingegen mit dem Finger auf Kaffee in einer Tasse, so weicht dieser einfach aus.
Festkörper, Gase und Flüssigkeiten verhalten sich bei Druck also verschieden.
Druck, Hydraulik und Pneumatik
Ist eine Flüssigkeit eingeschlossen, kann sie dem Druck nicht einfach ausweichen, sondern gibt ihn an
die Begrenzungsfläche weiter. Das Prinzip von Pascal besagt, dass eine Flüssigkeit oder ein Gas, das eingeschlossen ist und auf das an irgendeiner Stelle Druck ausgeübt wird, diesen gleichmäßig verteilt.
Die Flüssigkeit oder das Gas übt auf die Begrenzungsfläche [ A ] die Kraft F aus.
Mit dem Prinzip von Pascal lässt sich also Kraft übertragen.
Bei hydraulischen Systemen wird eine Flüssigkeit (meist ein Öl) dafür benutzt und bei pneumatischen Systemen ein Gas (meist Luft), das unter Druck steht.
Bremsen beim Auto bspw. sind hydraulisch, und man braucht dazu Bremsflüssigkeit.
Bremsen bei der Eisenbahn sind pneumatisch, was man am Zischen der abgelassenen Druckluft erkennt.