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Aufgabe

Schwerdedruck - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben zum Schweredruck zu lösen musst du häufig die Gleichung \(p=\rho \cdot g \cdot h\) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das machen kannst zeigen wir dir in der folgenden Animation.

Die Gleichung\[{\color{Red}{p}} = {\rho} \cdot {g} \cdot {h}\]ist bereits nach \({\color{Red}{p}}\) aufgelöst. Du brauchst also keine Umformungen durchzuführen.
Um die Gleichung\[{p} = {\color{Red}{\rho}} \cdot {g} \cdot {h}\]nach \({\color{Red}{\rho}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\color{Red}{\rho}} \cdot {g} \cdot {h} = {p}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {g} \cdot {h}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {g} \cdot {h}\) im Nenner steht.
\[\frac{{ {\color{Red}{\rho}} \cdot {g} \cdot {h}}}{ {g} \cdot {h}} = \frac{{p}}{ {g} \cdot {h}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {g} \cdot {h}\).\[{\color{Red}{\rho}} = \frac{{p}}{ {g} \cdot {h}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{\rho}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{p} = {\rho} \cdot {\color{Red}{g}} \cdot {h}\]nach \({\color{Red}{g}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\rho} \cdot {\color{Red}{g}} \cdot {h} = {p}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {h}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {\rho} \cdot {h}\) im Nenner steht.
\[\frac{{ {\rho} \cdot {\color{Red}{g}} \cdot {h}}}{ {\rho} \cdot {h}} = \frac{{p}}{ {\rho} \cdot {h}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {h}\).\[{\color{Red}{g}} = \frac{{p}}{ {\rho} \cdot {h}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{g}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{p} = {\rho} \cdot {g} \cdot {\color{Red}{h}}\]nach \({\color{Red}{h}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[ {\rho} \cdot {g} \cdot {\color{Red}{h}} = {p}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {g}\). Schreibe diese Division aber nicht mit dem Divisionszeichen (:), sondern als Bruch, in dem \( {\rho} \cdot {g}\) im Nenner steht.
\[\frac{ {\rho} \cdot {g} \cdot {\color{Red}{h}}}{ {\rho} \cdot {g}} = \frac{{p}}{ {\rho} \cdot {g}}\]
Kürze den Bruch auf der linken Seite der Gleichung durch \( {\rho} \cdot {g}\).\[{\color{Red}{h}} = \frac{{p}}{ {\rho} \cdot {g}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{h}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der Formel für den Schweredruck nach den vier in der Formel auftretenden Größen
a)

Ein Taucher befindet sich im Meer (die Dichte von Salzwasser beträgt \(1{,}02\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}\)) in einer Tiefe von \(15{,}0\,\rm{m}\) unter der Wasseroberfläche.

Berechne den Wasserdruck, dem der Taucher in dieser Tiefe ausgesetzt ist.

b)

Ein oben geschlossener Glaszylinder mit der Höhe \(33{,}6\,\rm{cm}\) ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt. Am Boden des Zylinders herrscht ein Druck von \(28{,}1\,\rm{hPa}\).

Berechne die Dichte der Flüssigkeit.

c)

Um den Ortsfaktor auf der Mondoberfläche zu bestimmen füllen Astronauten einen Behälter \(60\,\rm{cm}\) hoch mit einer Flüssigkeit der Dichte \(1{,}20\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}\). Am Boden des Behälters messen die Astronauten einen Druck von \(1170\,\rm{Pa}\).

Berechne den Ortsfaktor auf der Mondoberfläche.

d)

Ein Tank wird so hoch mit Petroleum (Dichte \(0{,}85\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}\)) gefüllt, dass der Druck am Boden des Tanks \(150\,\rm{hPa}\) beträgt.

Berechne, wie hoch das Petroleum im Tank steht.

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a)

Mit \(\rho=1{,}02\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}=1{,}02 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\), \(g=9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) und \(h=15{,}0\,\rm{m}\) nutzen wir die Formel für den Schweredruck\[p=\rho \cdot g \cdot h\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[p=1{,}02 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3} \cdot 9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}} \cdot 15{,}0\,\rm{m}=150\,000\,\rm{Pa}=1500\,\rm{hPa}=1{,}50\,\rm{bar}\]

b)

Mit \(p=28{,}1\,\rm{hPa}=28{,}1\cdot 10^2\,\rm{Pa}\), \(g=9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) und \(h=33{,}6\,\rm{cm}=33{,}6 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) erhalten wir mit der Formel für den Schweredruck\[p=\rho \cdot g \cdot h \Leftrightarrow \rho=\frac{p}{g \cdot h}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[\rho=\frac{28{,}1\cdot 10^2\,\rm{Pa}}{9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}} \cdot 33{,}6 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}}=853\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}=0{,}853\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}\]

c)

Mit \(p=1170\,\rm{Pa}\), \(\rho=1{,}20\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}=1{,}20 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) und \(h=60\,\rm{cm}=60 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}\) erhalten wir mit der Formel für den Schweredruck\[p=\rho \cdot g \cdot h \Leftrightarrow g=\frac{p}{\rho \cdot h}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[g=\frac{1170\,\rm{Pa}}{1{,}20 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3} \cdot 60 \cdot 10^{-2}\,\rm{m}}=1{,}6\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\]

d)

Mit \(p=150\,\rm{hPa}=150\cdot 10^2\,\rm{Pa}\), \(\rho=0{,}85\,\frac{\rm{g}}{\rm{cm}^3}=0{,}85 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3}\) und \(g=9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}\) erhalten wir mit der Formel für den Schweredruck\[p=\rho \cdot g \cdot h \Leftrightarrow h=\frac{p}{\rho \cdot g}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[g=\frac{150\cdot 10^2\,\rm{Pa}}{0{,}85 \cdot 10^3\,\frac{\rm{kg}}{\rm{m}^3} \cdot 9{,}81\,\frac{\rm{N}}{\rm{kg}}}=1{,}8\,\rm{m}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Mechanik

Druck und Auftrieb