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Aufgabe

Pressluftflasche

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Hinweis: Die Idde zu dieser Aufgabe stammt von Thomas Schulze.

 

Abb. 1 Pressluftflaschen

In den Pressluftflaschen von Tauchern herrscht ein hoher Druck von etwa \(200\,\rm{bar}\). Warum das so sein muss, wirst du später lernen.

a)

Berechne den Betrag der Kraft, die von Innen auf die \(380\,\rm{cm}^2\) große Bodenfläche wirkt.

b)

Berechne den Betrag der Kraft, die der Luftdruck von etwa \(1{,}0\,\rm{bar}\) von außen auf den Boden ausübt.

c)

Erläutere, welche Eigenschaften das Material der Pressluftflasche haben muss.

d)

Sehr gefährlich ist es, wenn durch einen Unfall das Ventil der Pressluftflasche abgeschlagen wird.

Berechne den Betrag der Kraft, die von Innen auf das Ventil mit dem Flächeninhalt \(4{,}5\,\rm{cm}^2\) wirkt.

e)

Erkläre, warum auch Cola-Flaschen aus Glas gefährlich sein können, wenn sie geschüttelt werden oder lange in der Sonne stehen.

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a)

Geg.: p1 = 200 bar; A = 380 cm2. Ges.: F1

\[\begin{array}{l}{p_1} = \frac{{{F_1}}}{A} \Rightarrow {F_1} = {p_1} \cdot A\; \Rightarrow \\{F_1} \approx 200\,\rm{bar} \cdot 380\,\rm{cm}^2 = 200 \cdot {10^5}\,\rm{Pa} \cdot 0,0380\,\rm{m}^2 \approx 760\,\rm{kN}\end{array}\]

b)

Wie Aufgabe a):\[{F_2} = 1{,}0\,\rm{bar} \cdot 380\,\rm{cm}^2 = 1 \cdot {10^5}\,\rm{Pa} \cdot 0,0380\,\rm{m}^2 \approx 3{,}8\,\rm{kN}\]

c)

Offensichtlich muss das Material sehr robust sein (z.B. Stahl). Das daraus resultierende hohe Gewicht an Land interessiert unter Wasser wenig (siehe später).

d)

Wie Aufgabe a):\[{F_3} = 200\,\rm{bar} \cdot 4{,}5\,\rm{cm}^2 \approx 9\,\rm{kN}\]Die beschleunigende Kraft entspricht etwa der Gewichtskraft eines Pkw.

e)

Beim Schütteln oder durch den Wärmeeinfluss steigt der Druck des Gases im Inneren der Flasche. Hat das Glas einen feinen Riss, so kann die nach außen drückende Kraft die Flasche zerplatzen lassen.

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Druck und Auftrieb