Auftrieb und Luftdruck

Mechanik

Auftrieb und Luftdruck

  • Warum schwimmen manche Körper im Wasser und andere nicht?
  • Wie stark ist eigentlich der Luftdruck?
  • Warum wird auf Bergen die Luft immer dünner?

Schwimmen wie ein Fisch

Fische können sich - scheinbar ohne großen Kraftaufwand - in einer bestimmten Wassertiefe aufhalten. Sie schaffen dies, weil sie eine Schwimmblase besitzen, deren Volumen sie verändern können.

Ist das Gewicht des Fisches gleich seiner Auftriebskraft, so schwebt der Fisch. Die Auftriebskraft ist nach Archimedes aber gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit. Das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist aber wiederum direkt proportional zum Volumen des Fisches.

Schwebt ein Fisch und pumpt er nun Luft in seine Schwimmblase, so nimmt sein Volumen und damit die Auftriebskraft zu. Da sein Gewicht gleich bleibt, wird der Fisch aufsteigen. Im Regelfall ist aber das aktive Aufpumpen der Schwimmblase gar nicht nötig, denn durch geringe Flossenbewegung erreicht er eine in geringere Wassertiefe, in der der Wasserdruck kleiner ist und somit die gasgefüllte Schwimmblase nicht mehr so stark zusammengedrückt wird und ihr Volumen selbständig vergrößert. Bei stärkerem Steigen muss der Fisch sogar Gas aus der Luftblase ablassen, damit die durch den geringer werdenden Wasserdruck bedingte Vergrößerung der Schwimmblase nicht ein zu schnelles Steigen bewirkt.

Wird beim schwebenden Fisch der Schwimmblase Gas entnommen, so nimmt die Auftriebskraft ab, der Fisch sinkt. Durch den zunehmenden Wasserdruck in größerer Tiefe wird dann das Volumen der Schwimmblase noch weiter verkleinert, so dass sich das Absinken beschleunigt und der Fisch um nicht zu schnell abzusinken wieder Gas in die Schwimmblase drücken muss.
Das Sinken und Steigen des Fisches wird hauptsächlich durch Flossenbewegung eingeleitet und die Balance durch den Druck in der Schwimblase hergestellt.

Die Schwimmblase ist aus einer Ausstülpung an der Oberseite des Darmeingangs hervorgegangen. Sie kann, wie beim Hecht, noch mit ihm verbunden sein oder, wie beim Barsch, vom Darm getrennte Kammern bilden. Zur Vergrößerung des Schwimmblasenvolumens werden Gase aus dem Blut über die so genannte Gasdrüse entnommen oder über einen Verbindungsgang zum Darm aufgenommen. Zur Verringerung des Schwimmblasenvolumens gelangt das Gas entweder in den Darm und von dort in die Umgebung oder über einen stark durchbluteten Bereich in der Schwimmblasenwand wieder zurück ins Blut.
Es gibt aber auch Fische ohne Schwimmblase (z.B. die Haie). Sie müssen sich ständig bewegen, wenn sie nicht zu Boden sinken wollen.

 

U-Boot

U-Boot
Abb.
1
Ein stillgelegtes U-Boot ist als Museum zugänglich.

Ein Unterseeboot (kurz U-Boot) ist sowohl für die Über- als auch die Unterwasserfahrt geeignet. Es dient vorwiegend militärischen, in Sonderfällen auch wissenschaftlichen, Zwecken. Die Außenhaut des Schiffes besteht aus dem sogenannten Druckkörper, der meist von kreisförmigem Querschnitt ist, da diese Form die vom Wasserdruck bedingten Kräfte am besten aufnehmen kann.

Durch Fluten der Tauchzellen wird das Gewicht des Bootes so weit erhöht, dass es abtaucht. Das Abtauchen kann durch Betätigen des Tiefenruders unterstützt werden. Die Trimmzellen, welche auch geflutet werden können, dienen der Schwerpunktsverlagerung.

Durch das Herausdrücken des Wassers aus den Zellen bzw. durch das Auspumpen der gefluteten Zellen kann erreicht werden, dass die mittlere Dichte des Bootes kleiner wird als die des Wassers und das Boot somit auftaucht.

 

U-Boot schematisch
Abb.
2
Baugruppen eines modernen U-Bootes mit Brennstoffzellen-Antrieb und dieselelektrischem Motor. Zum Betrieb des Dieselmotors ist Frischluftzufuhr notwendig. Frischluft steht bei geringen Tauchtiefen über einen Schnorchel zur Verfügung. Bei größeren Tauchtiefen erfolgt der Antrieb durch den Elektromotor, der von den Brennstoffzellen mit elektrischer Energie versorgt wir
thyssenkrupp Marine Systems

Typische Daten für ein U-Boot mit herkömmlichen Diesel-Antrieb sind:

Wasserverdrängung 100t - 2000 t

Geschwindigkeit 25 Knoten bei Überwasserfahrt; 15-20 Knoten bei Unterwasserfahrt;

Tauchtiefe bis 150 m

Tauchweite ca. 160 Seemeilen

Typische Daten für ein U-Boot mit Kernenergie-Antrieb sind:

Wasserverdrängung ca. 9000 t

Geschwindigkeit 30 Knoten bei Überwasserfahrt; 40-50 Knoten bei Unterwasserfahrt;

Tauchtiefe bis 600 m

Tauchweite ca. 100 000 Seemeilen und mehr

3 Auf- und Abtauchen eines U-Bootes durch das Ein- und Ablassen von Ballastwasser

Die nebenstehende Animation zeigt dir den Vorgang des Ab- und Auftauchens eines Unterseebootes sehr stark schematisiert.

Dünne Luft auf dem Mount Everest

Beim Tauchen wird der Druck um so größer, je tiefer man taucht. Mit zunehmender Tiefe lastet ja immer mehr Wasser auf der Schicht, in der wir uns gerade befinden.

Auch der Schweredruck der Luft entsteht, weil die oberen Luftschichten auf die darunter liegenden drücken. Wir leben am Boden eines Meeres aus Luft. Daher wird der Luftdruck um so geringer, je höher wir steigen bzw. fliegen. In Meereshöhe beträgt er im Mittel \(1013\rm{hPa}\) . Auf der Zugspitze ist er schon auf \(691\rm{hPa}\) zurückgegangen und auf dem Mount Everest (\(8848\rm{m}\)) beträgt er nur noch \(314\rm{hPa}\).

Im Gegensatz zu Wasser kann man Luft zusammenpressen. Das Volumen einer bestimmten Luftmenge (konstanter Masse) hängt vom Druck ab: Je kleiner der Druck ist, desto größer ist das Volumen. Mit abnehmendem Druck verringert sich daher auch die Dichte der Luft. Die Dichte der Luft am Mount Everest ist etwa ein Drittel der Dichte der Luft auf Meereshöhe. Bei jedem Atemzug hat man daher nur ein Drittel der Luftmenge, die man auf Meereshöhe gewohnt ist.

Die Erstbesteigung des Everest gelang 1953 Edmund Hillary mit einem Atemgerät. Seit dieser Zeit haben viele Expeditionen den Gipfel mit Hilfe von Sauerstoffflaschen erreicht. Reinhold Messner und Peter Habeler setzten sich 1978 das Ziel, den Everest ohne die Hilfe von Sauerstoffflaschen zu bezwingen. Messner schreibt:

"Auch nachdem die ersten Kameraden mit Sauerstoff am Gipfel gewesen waren und im Basislager gefeiert wurden, zweifelten Peter und ich immer noch an unseren Aufstiegschancen. Wir wussten, dass der Engländer Norton bereits 1924 bis auf ca. 8600 m ohne Sauerstoffgeräte vorgedrungen war. Aber wir wussten nicht, ob der Mensch höher überhaupt noch lebensfähig ist. Auf jeden Fall mussten wir schnell sein, wenn wir ohne Gehirnschaden davonkommen wollten. Wir vertrauten auf unsere leichte Ausrüstung, die in Jahren aufgebaute Kondition und das instinktive Kletterkönnen".

Auf Gipfelhöhe war das Atmen so anstrengend, dass die beiden kaum noch Kraft zum Weitergehen hatten. Nach jeweils 10 bis 15 Schritten sinken sie in den Schnee, machen eine Pause und gehen dann weiter. Am 8. Mai 1978 erreichen sie als erste Menschen den höchsten Berg der Welt ohne Sauerstoff.

Saugnapf

1 Aufbau und Funktionsweise eines Saugnapfs

Presst man ein gewölbtes Gummiteil (Saugnapf) durch eine äußere Kraft auf eine glatte Oberfläche, so strömt Luft aus und es entsteht ein - mehr oder minder gutes - Vakuum.

Der äußere Luftdruck bewirkt nun Kräfte, die den Saugnapf fest auf die glatte Oberfläche anpressen.

TORRICELLI-Barometer

TORRICELLI bewies 1643, dass Luft Gewicht hat. Er füllte eine Glasröhre mit Quecksilber, tauchte die Unterseite in ein Quecksilbergefäß und stellte fest, dass das Quecksilber in der Röhre bis auf durchschnittlich \(76\rm{cm}\) stieg, oberhalb dieser Quecksilbersäule war der Raum leer (also auch luftleer). Siehe hierzu auch den entsprechenden Versuch.

Die Messungen zeigten einen klaren Zusammenhang zwischen dem Quecksilberniveau, also dem äußeren Luftdruck und der Wetterlage:

  • bei niedrigem Druck: Regen oder sogar Sturm;

  • bei hohem Druck: sonniges Wetter.

Auf der Abbildung rechts ist ein schönes Exemplar einer niederländischen Firma dargestellt (auf dem Barometer ist zusätzlich noch ein mit roter Flüssigkeit gefülltes Thermometer angebracht). Man erkennt oben eine Schiebeskala, die im Bild links vergrößert dargestellt ist. Mit dieser Schiebeskala kann man den auf Meereshöhe umgerechneten Wert direkt ablesen und so für vergleichbare Wetterbeobachtungen heranziehen.

Die Ablesbarkeit der TORRICELLI-Röhre war aber beschränkt. Zum genauen Ablesen auf der Millimeterskala benötigte man eine Lupe.

HUYGENS-Barometer

Christian HUYGENS brachte eine Verbesserung der Ablesbarkeit des TORRICELLI-Barometers an, indem er eine zweite dünnere Röhre mit einer farbigen Flüssigkeit anschloss. Die farbige Flüssigkeit zeigt eine Vergrößerung der Quecksilber-Bewegung, weil der Durchmesser der 2. Röhre 10 mal kleiner ist als der des Quecksilberbehälters.

Bei der recht abgebildeten Wetterstation einer niederländischen Firma befindet sich neben dem Contra-Barometer nach HUYGENS noch ein Thermometer und darüber ein sogenanntes Sturmglas nach Admiral FITZROY.

Admiral FITZROY lebte im 19.Jahrhundert und war zu dieser Zeit als General zur See und als Meteorologe tätig. Er war ein Mitgründer des "British Meteorlogical Service" und machte einige Erfindungen im Bereich der Marinebarometer. Seine wohl berühmteste Erfindung wurde, um 1860, als das Victorian'sche Admiral FITZROY Barometer bekannt. Es besteht aus einer Glasröhre mit einer gesättigten, farblosen, chemischen Mixtur aus Kampfer in Alkohol und anderen Chemikalien. Am Zustand der Kristalle läßt sich das kommende Wetter ablesen. Wetterveränderungen sollen sich durch ausflocken, Kristallisation und Ähnlichem, bemerkbar machen und einordnen lassen. Die entstehenden Kristalle sollen je nach Wetter unterschiedliche Gestalt und Größe annehmen. Das Gerät ist nur bedingt von Temperatur oder Luftdruck abhängig. Seefahrer glaubten, an Hand des Erscheinungsbildes der Kristalle, charakteristische Wetterlagen vorhersagen zu können. Admiral FITZROY beschrieb, für einige Windrichtungen und Wetterveränderungen, Formen und Muster der Kristalle. (Beispiele solcher Kristalle eines Sturmglases sind unten dargestellt, entnommen aus Wetterfronttube)

In der modernen Meteorologie (Wetterkunde) hat das Sturmglas keine Bedeutung.

GOETHE-Barometer

Schönwetter
Schlechtwetter

Geschichtliches

Das Wetterglas oder Goethe Barometer ist wohl das älteste Barometer der Welt. Es wird behauptet, dass die Mauren, die sehr tüchtige Wissenschaftler hatten, bei ihrem Einzug um 700 in Spanien solche Barometer mit sich führten.

In den Niederlanden wurden Wettergläser seit Beginn des 17. Jahrhunderts durch einen Herrn G. de Donckere angefertigt, nach dem sie Donnerflaschen genannt wurden. Sie fanden in der Seefahrt zur Früherkennung von Wetterwechseln ihre Anwendung. Goethe-Barometer wird es wohl deshalb genannt, weil man in Goethes Nachlass ein solches gefunden hat.

Prinzip

Das Prinzip des Goethebarometers ist einfach. Man vergleicht den auf die dünne Öffnung des Schnabels wirkenden Luftdruck mit dem im Inneren der geschlossenen Flasche befindlichen Luftdruck. Sinkt der äußere Luftdruck, wenn ein (meist mit schlechtem Wetter verbundenes) Tiefdruckgebiet kommt, so überwiegt der innere Druck den äußeren und die Flüssigkeit steigt im dünnen Schnabel. Steigt hingegen der äußere Luftdruck bei der Annäherung eines Schönwetter versprechenden Hochdruckgebiets, so sinkt entsprechend das Wasser im Schnabel.

Einen Nachteil hat das Goethebarometer gegenüber den heute gebräuchlichen allerdings. Es ist stark abhängig von der Umgebungstemperatur. Deshalb funktioniert es nur in einem gleichmäßig temperierten Raum zuverlässig.

Bilder und Textinhalte entstammen der Seite von Thomas Lommatzsch, der diese ästhetischen Glasgebilde sammelt und auf seiner Seite vorstellt.

Eco-Celli-Barometer

Das Eco-Celli-Barometer (rechts) und das Tendenz-Barometer nach Alexander Adie (links) sind quecksilberfreie Flüssigkeitsbarometer.

Ein abgeschlossenes Gasvolumen drückt wie im Goethe-Barometer eine rote auf siliconbasis aufgebaute Flüssigkeit in einer dünnen Kapilare gegen den äußeren Luftdruck. Da sich Gas und Flüssigkeit unabhängig vom Druck mit der Temperatur ausdehnen, vergleicht man den Stand der roten Flüssigkeit mit dem sich ebenfalls audehnenden Flüssigkeitsfaden eines mit blauem Methyl-Alkohol betriebenen Flüssigkeitsthermometers.

  • Stehen rote und blaue Flüssigkeit gleich: Wechselhaftes Wetter

  • Steht die rote niedriger als die blaue Flüssigkeit: Hochdruck - Schönes Wetter

  • Steht die rote höher als die blaue Flüssigkeit: Tiefdruck - Regen und Sturm

Beim Eco-Celli-Barometer sind die Kapillardurchmesser der beiden Rohre so aufeinander abgestimmt, dass man den Luftdruck mit einem Schieber genau ablesen kann.

Dazu stellt man den Schieber auf das Ende des blauen Thermometerfadens ein und liest den Luftdruck am roten Flüssigkeitsfaden ab.

Dosenbarometer

1 Aufbau und Funktionsweise eines Dosenbarometers

Aneroidbarometer sind Barometer, die keine Flüssigkeit brauchen, sie verwenden meist evakuierte oder mit Gas gefüllte Blechgefäße und setzen deren Ausbeulungsverhalten in einen Zeigerausschlag um.

Das Dosenbarometer besteht aus einer luftleer gepumpten Dose. Die Dose ist mit einer Schraube auf dem Boden des Gehäuses befestigt. Der gewellte Deckel bewegt sich in Abhängigkeit vom Luftdruck auf und ab. Bei steigendem Luftdruck wird der Deckel zusammengedrückt, bei fallendem dehnt er sich aus. Diese Bewegung wird von einem in der Mitte der Oberseite angebrachten kleinen Stift auf eine gebogene Feder übertragen.

Druckversion