Druck, Kolben- und Schweredruck

Mechanik

Druck, Kolben- und Schweredruck

  • Warum kann ein Fakir in einem Nagelbett schlafen?
  • „Stöckelschuhe verboten!“  Warum eigentlich?
  • Warum können Menschen nicht beliebig tief tauchen?
  • Wie steigt eigentlich der Wasserdruck mit der Tiefe?

Blutdruck

Unser Herzmuskel zieht (kontrahiert) sich ca. 60 bis 130mal in der Minute zusammen und entspannt dann wieder.

Kontraktionsphase (Systole):
Die linke Herzkammer pumpt mit Sauerstoff angereichertes (arterielles) Blut durch die Arterien in den großen Blutkreislauf, der die Muskeln und Organe versorgt.

Die rechte Herzkammer pumpt sauerstoffarmes (venöses) Blut in den kleineren Lungenkreislauf.

Entspannungsphase (Diastole): Sauerstoffarmes Blut kommt durch die Venen aus dem großen Kreislauf in die rechte Herzkammer.

Mit Sauerstoff angereichertes Blut gelangt aus dem Lungenkreislauf zur linken Herzkammer.

 

 

In der Kontraktionsphase presst das Herz das Blut in die Adern, der Blutdruck steigt. In der Entspannungsphase folgt das Füllen der entleerten Herzkammern, der Blutdruck sinkt, geht aber nicht auf Null zurück.
Weicht der Blutdruck eines Menschen deutlich von den Normwerten ab, so kann der Arzt auf gewisse Krankheiten schließen.

 

Messung des Blutdrucks:
Zur Blutdruckmessung legt man eine aufblasbare Manschette um den Oberarm in Herzhöhe an. Die richtige Höhe ist wichtig, damit der Schweredruck des Blutes das Ergebnis der Druckmessung nicht verfälscht (im Fuß ist der Blutdruck höher als im Kopf). Mit dem Blasebalg (oder einem Kompressor) der mit einem Druckmesser (Manometer) verbunden ist kann man den Druck in der Manschette erhöhen. Mit einem Auslassventil lässt sich der Druck kontinuierlich absenken. Auf die Schlagader, die in der Armbeuge verläuft wird ein Stethoskop (Hörrohr) gepresst, mit dem die Geräusche in der Ader abgehört werden können (manchmal ist das Stethoskop schon in die Manschette eingebaut).

Zunächst erhöht man den Druck soweit, dass kein Blut mehr durch die Ader fließt. Dies ist bei 25 kPa bzw. 200 mmHg (Gewichtsdruck einer 200 mm hohen Quecksilbersäule) meist der Fall. Im Stethoskop ist dann der Puls nicht mehr zu hören.

Nun lässt man durch das Ventil Luft austreten. Bei Auftreten der ersten Pulsgeräusche, die entstehen, wenn beim Druckmaximum etwas Blut durch die abgebundene Ader fließen kann, liest man den systolischen Blutdruck ab.

Reduziert man den Druck in der Manschette immer weiter, so verschwinden die Geräusche im Stethoskop wieder. Wenn man gerade nichts mehr hört, so kann man die diastolischen Blutdruck ablesen.

Eine Faustregel für den idealen systolischen Druck in mmHg lautet:

psyst(in mm Hg) = 110 + halbes Lebensalter in Jahren

Der Blutdruck Erwachsener sollte etwa pdiast ≈ 80 mmHg und psystol ≈ 120 mmHg sein.

 

Gefahr beim Tauchen

z. T. nach CVK

Beim Tauchen ist der menschliche Körper für ihn ungewohnten Umweltbedingungen ausgesetzt. Pro 10 m Tauchtiefe steigt der Druck um 1 bar. In 10 m Tauchtiefe ist also der äußere Druck auf den Taucher doppelt so groß wie an der Wasseroberfläche, in 20 m bereits dreimal so groß.

Trotz dieses Phänomens gibt es an den tiefsten Stellen des Meeres, in rund 10 km Tiefe, noch Lebewesen. obwohl dort der Wasserdurck 1000 mal so groß wie an der Wasseroberfläche ist. Wie ist das möglich?

Hier hilft ein Beispiel: Eine luftgefüllte, verschlossene Flasche, die man an ein Stück Eisen bindet und im Meer versenkt, wird durch den Druck in großer Tiefe zerstört. Eine wassergefüllte, offene Flasche dagegen bleibt unbeschädigt. Bei der offenen Flasche herrscht innen und außen der gleiche Druck; von innen und außen wirken somit gleich große Kräfte auf die Glaswand. Bei der verschlossenen Flasche wirken die Kräfte nur von außen.

Die Tiere der Tiefsee kann man mit der offenen Flasche vergleichen: In ihrem Körper herrscht der gleiche Druck wie im Wasser, und sie sind auf diese Druckverhältnisse eingestellt. Der Mensch dagegen entspricht der geschlossenen Flasche; seine Lunge ist der Hohlraum.

Ohne Hilfsmittel und ohne besonderes Training können Menschen nur etwa 40 s lang tauchen. Geübte Schwamm- und Perlentaucher schaffen es, bis zu 4 min unter Wasser zu bleiben. Sie erreichen Tiefen von bis zu 30 m.

Mit Pressluftgeräten kann man 80 m bis 90 m Tauchtiefe erreichen. Die aus der Pressluftflasche eingeatmete Luft steht stets unter dem gleichen Druck wie das Wasser der Umgebung. Daher wird der Lungenhohlraum nicht zusammengequetscht.

Allerdings wird es ab 50 m Tiefe wegen des Tiefenrausches genannten Phänomens sehr gefährlich. Bei ungeübten Tauchern können schon ab 15 m Anzeichen dieses rauschartigen Zustandes auftreten: Verlust der Urteilsfähigkeit, leichtsinniges Verhalten, Schläfrigkeit. Der Tiefenrausch entsteht durch den Stickstoffanteil der Atemluft.

Wie es zur gefürchteten Taucherkrankheit kommt, kannst du dir an einer Sprudelflasche klarmachen:
Wenn du sie öffnest, entstehen Gasbläschen, die aufsteigen und entweichen. In der geschlossenen Flasche herrscht nämlich ein höherer Druck, und das Gas ist im Wasser gelöst. Bei geringerem Druck kann das Wasser nicht soviel Gas aufnehmen.

Ähnlich ist es mit unserem Blut: Bei hohem Druck löst es mehr Stickstoff. Lässt der Druck plötzlich nach, bilden sich Gasbläschen im Blut und verstopfen die Adern. Es kommt zu Schmerzen und Lähmungen, die sogar zum Tode führen können. Taucher, die längere Zeit dem Druck in größerer Tiefe ausgesetzt waren, müssen in mehreren Etappen wieder an geringeren Druck gewöhnt werden. Das geschieht durch Pausen beim Auftauchen oder in einer Dekompressionskammer. Um den Tiefenrausch zu vermeiden, hat die Atemluft aus den Tauchflaschen einen geringeren Stickstoffanteil als die normale Luft. Der Stickstoff wird zum Teil durch eines anderes Gas (z.B. Helium) ersetzt. Mit diesem Gasgemisch (und speziellen Geräten) lassen sich Tiefen von einigen hundert Metern erreichen. Die Gefahr der Taucherkrankheit ist damit allerdings nicht gebannt; auch Helium wird nämlich im Blut gelöst.

Regeln zum Tauchen ohne Atemgerät:

  1. Vor dem Tauchen nur ein- oder zweimal tief durchatmen! Schnelles und tiefes Atmen vor dem Tauchen kann unter Wasser zu Bewusstlosigkeit führen. Mehr Sauerstoff gelangt durch das schnelle Atmen nicht ins Blut.

     

  2. Schnorchel nicht verlängern; 35 cm sind genug! Bei verlängertem oder auch bei einem zu dicken Schnorchel besteht die Gefahr, dass beim Atmen nur ein geringer Teil der im Schnorchel befindlichen Luft ausgetauscht wird. Man atmet also hauptsächlich bereits verbrauchte sauerstoffarme Luft wieder ein. Dadurch entsteht Sauerstoffmangel im Blut und es kommt eventuell zu Schäden im Gewebssystem, bevorzugt im zentralen Nervensystem.
     
  3. Für Druckausgleich sorgen! (Nase zuhalten und Luft aus der Lunge in die Nase drücken.) Durch den Schweredruck des Wassers wird das Trommelfell nach innen gewölbt. Schon ab 5 m Tauchtiefe können Schäden auftreten.

Pumpen

Hinweis: Fotos und Text stammen aus dem Deutschen Museum in München

Die Saugpumpe

Die Saugpumpe zum Fördern von Wasser entstand im 15. Jahrhundert. Das Wasser im Steigrohr wird im wesentlichen bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch Saugen, das heißt durch die Wirkung des äußeren Luftdrucks, gehoben. Bei der Abwärtsbewegung strömt es nur durch ein Ventil in den Raum oberhalb des Kolbens, wo es gleichzeitig mit dem nächsten Saughub aus dem Ausflussrohr geschöpft wird. Die größtmögliche Steighöhe ergibt sich durch den Luftdruck zu etwa 10 Metern. Bei längeren Steigrohren bildet sich in etwa 10 m Höhe ein stillstehender Wasserspiegel mit darüber befindlichem Wasserdampf aus.

Saugpumpe

Modell aus dem Deutschen Museum

2 Aufbau und Funktionsweise einer Saugpumpe

Die Animation in Abb. 2 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise einer Saugpumpe.

Die Saugdruckpumpe

Die Saugdruck-Kolbenpumpe dient zum Heben von Wasser auf Förderhöhen über 10 m oder zum Überwinden eines Gegendrucks. Ihre Erfindung wird dem Mechaniker Ktesibios aus Alexandrien (3. Jahrhundert vor Christus) zugeschrieben. Sie ist in der Bauart das Vorbild der ersten Vakuumkolbenpumpen gewesen. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wirkt die Pumpe als Saugpumpe. Das Wasser wird durch ein meist kurzes Steigrohr in den Pumpenzylinder gesaugt. Bei der Abwärtsbewegung drückt der Kolben das angesaugte Wasser aus dem Pumpenzylinder in eine Druckleitung, in der Förderhöhe oder Förderdruck nur durch technische Rücksichten begrenzt sind. Ein Windkessel in der Druckleitung dient zum Ausgleich der Pumpstöße.

Saugpumpe

Modell aus dem Deutschen Museum

4 Aufbau und Funktionsweise einer Saugdruckpumpe

Die Animation in Abb. 4 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise einer Saugdruckpumpe.

Didaktisches zum Druck

Von Frau Prof. Rita Wodzinski (Uni Kassel) stammen die folgenden Überlegungen zur Behandlung des Drucks. Mit freundlicher Genehmigung darf LEIFI davon Gebrauch machen.

Vortrag: Neuere Konzepte zur Behandlung des Drucks

Folien zum Vortrag über den Druck

Kommunizierende Röhren im Alltag

Im Folgenden zeigen wir dir einige Beispiele für technische Anwendungen bzw. Naturerscheinungen, die auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren beruhen.

Füllstandsanzeige
Ein transparentes Röhrchen, das wie skizziert an einen undurchsichtigen Flüssigkeitsbehälter angebracht ist, kann die Füllhöhe anzeigen.

 

Geruchssperre
Durch das in der Rohrbiegung befindliche Wasser wird der unangenehme Geruch des Abwassersystems aus der Wohnung ferngehalten.

 

Schlauchwaage:
Was wird mit dem wassergefüllten transparenten Schlauch erreicht?

4 Aufbau und Funktionsweise einer Schleuse

Schleusen

Zum Höhenausgleich zwischen Oberwasser und Unterwasser werden an Kanälen Schleusen verwendet.

Wasserversorgung
Aus einem hochgelegenen Behälter (Hochbehälter) oder aus einem hohen Wasserturm (wenn das Gelände flach ist) fließt das Wasser durch das Röhrensystem zu den Abnehmern. Ohne Reibungsverluste müsste die Feuerwehr bzw. die Fontäne bis auf das Niveau des Hochbehälters spritzen können.

 

Artesianischer Brunnen
Artesianische Brunnen tragen ihren Namen nach der französischen Landschaft Artois. In Mulden sammelt sich das versickernde Wasser im sandigen und geröllhaltigen Boden an der tiefsten Stelle. Diese wasserdurchlässige Schicht ist auf der Ober- und Unterseite von einer wasserundurchlässigen Lehm- oder Gesteinsschicht abgeschlossen. Bohrt man durch die obere wasserundurchlässige Schicht, so steigt ein Wasserstrahl empor.
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