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Versuche

Heimversuche zum Luftdruck

Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Ein Fahrradschlauch oder eine Luftmatratze, dazu eine Luftpumpe ergeben eine Hebebühne.
Die hier dargestellten Versuche kann man zu Hause selbst machen oder sie können in der Schule in einer Schülerübung oder einem Lernzirkel eingesetzt werden.

Druckbleistift

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Der Versuch mit dem Bleistift verdeutlicht den Druck im hautnahen Körpergewebe, das sich sehr ähnlich wie eine Flüssigkeit verhält.
Material

  • Bleistift

Aufbau und Durchführung:
Man nimmt einen Bleistift, wie in gezeigt, zwischen Daumen und Zeigefinger und drückt diese immer kräftiger zusammen. Am Finger, der die Bleistiftspitze hält, wird man dabei wesentlich eher Schmerz empfinden.
 
Erklärung
Drückt man mit beiden Fingern gegen den Bleistift, wirkt auf beide Finger die gleiche Kraft. Die Bleistiftspitze besitzt eine wesentlich kleinere Auflagefläche als das andere Bleistiftende. Da bei gleicher wirkender Kraft der auf den jeweiligen Finger wirkende Druck umgekehrt proportional zur Auflagefläche ist, wirkt auf den Finger, der die Bleistiftspitze hält, ein wesentlich größerer Druck. Da beim Tastsinn im Wesentlichen der wirkende Druck und nicht etwa die wirkende Kraft entscheidend ist, beginnt der Finger, der die Bleistiftspitze hält und damit auch dem größeren Druck ausgesetzt ist, eher zu schmerzen als der andere Finger.

Ein ähnliches Problem aus der Praxis ist der große Druck, den Damenschuhe mit sogenannten Pfennigabsätzen hervorrufen. Er kann so groß sein, dass weiche Bodenbeläge wie Kork, PVC oder Teppich durch solche Schuhe beschädigt werden, weshalb man mancherorts Schilder sehen kann, die ein Begehen des Bodens mit solchen Schuhen verbieten.

Literatur
Hilscher, H.: Universität Augsburg Institut für Didaktik der Physik CD-ROM Freihandexperimente
Moisl, F.: Schüler-Experimentierbuch Physik 1, Ravensburger Taschenbücher, Ravens-burg 1982 Material

Druckmodell

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Abb. 1 Der Schaumstoff verformt sich, abhängig von der Fläche.
Material

  • Stück Schaumstoff
  • Volle Flasche oder andere Gegenstände

Aufbau und Durchführung

Die Eindringtiefe von Gegenständen in einen Schaumstoffblock dient als Maß für den wirkenden Druck. Man stellt den Gegenstand einmal mit einer großen und einmal mit einer kleinen Fläche auf den Schumstoff und vergleicht die Eindringtiefe.

Arbeitsauftrag

Beschreibe und dokumentiere den Versuch und erkläre das Versuchsergebnis.
 
Anmerkung

Das menschliche Gewichtsempfinden ist viel mehr vom Auflagedruck abhängig als allgemein angenommen. Dies kann man leicht demonstrieren, indem man einer Versuchsperson mit verbundenen Augen in die eine Hand ein Stück Holz oder Pappkarton, in die andere Hand ein Stück Blei von gleicher Masse legt. Auf die Frage, welcher Gegenstand schwerer sei, wird die Person das Blei angeben. Hängt man dagegen beide Gegenstände an Schnüren auf und lässt diese die Person halten, so wird sie keinen Gewichtsunterschied feststellen.

Tetrapack abkühlen

CC0/Kourius via pixabay
Abb. 1 Um eine leere Milchpackung zu erhalten kannst du, zum Beispiel, für deine Kameraden Pudding kochen.
Material

  • leere mit Verschlus abdichtbare quaderförmige Milch- oder Safttüte
  • kochendes Wasser

Aufbau und Durchführung
Der ganze Versuch sollte in der Spüle erfolgen und mit entsprechender Vorsicht (heißes Wasser) durchgeführt werden.
Fülle in eine leere Milchtüte mit Hilfe eines Trichters etwas kochendes Wasser (etwa ein bis zwei Tassen).
Verschließe die Tüte dicht und lass sie abkühlen.

Arbeitsauftrag
Beschreibe den Versuch und deine Beobachtung und erkläre das Versuchsergebnis.

Manneken Pis

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Abb. 1 Für den Versuche könnt ihr ein Kunststoffrohr oder einen Schlauch benutzen.
Das echte "Manneken-Pis" steht in der Nähe der Grand’Place in Brüssel. Es ist eine unscheinbare etwa 45 cm hohe Brunnenfigur, die einen urinierenden Knaben zeigt. Bei besonderen Anlässen ließen Monarchen, Zünfte oder Politiker den Knaben festlich kleiden.

Material

  • Rohr oder Schlauch
  • Trichter
  • Wassergefäß
  • Aufbau und Durchführung

Man bohrt in das Rohr oder den Schlauch (ein Plastikrohr läßt sich leicht bohren) in einigen cm Abstand Löcher. Die Löcher sollten sauber und gleichmäßig mit einem Durchmesser von 1,5 mm oder 2 mm gebohrt werden. Dickere Löcher sind nicht geeignet. Das Rohr wird unten mit einem Stopsen oder Klebeband verschlossen. Dann gießt man Wasser ins Rohr und betrachter den Ausfluss.

Arbeitsauftrag
Beschreibe und dokumentiere den Versuch und erkläre das Versuchsergebnis mit Hilfe des Schweredrucks.

Hinweis
Wer den Versuch nicht selbst ausprobieren will, kann ihn auf einem Video der Uni Würzburg sehen. (Adresse: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/physikonline/video1/m8_fluide/ausfluss3.html)

Luftdruck verschließt Wasserglas

 

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Abb. 1 Ein halbvolles Wasserglas wird mit einer Plastikfolie verschlossen.

Material

  • Glas Wasser mit glattem Rand
  • Stück harte Plastikfolie oder Postkarte

Aufbau und Durchführung

  • Plastikfolie auf Wasserglas legen
  • Folie mit Hand andrücken und Glas über Spüle umdrehen
  • Folie loslassen

 
Arbeitsauftrag

Beschreibe und dokumentiere den Versuch und erkläre das Versuchsergebnis mit Hilfe des Luftdrucks.

 

Erklärung

Die Erklärung des Versuchs mit Hilfe des Luftdruckes ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick erscheint. Nur zu sagen, dass der äußere Luftdruck \(p_{\rm{außen}}\) geringer ist als der Schweredruck des Wassers \(p_{\rm{Wasser}}\) genügt nicht, da im Glas ja auch Luft ist. Unter der sinnvollen Annahme, dass der Druck der Luft im Inneren des Glases gleich groß ist wie der Luftdruck außen müsste auf Grund der Ungleichung \[p_{\rm{innen}}+p_{\rm{Wasser}}=p_{\rm{außen}}+p_{\rm{Wasser}}>p_{\rm{außen}}\] die Abdeckung abfallen! Dies tut die Abdeckung aber gerade nicht. Daher muss sich der Druck der Luft im Inneren des Glases nach dem Umdrehen geringer sein als der äußere Luftdruck.

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Abb. 2 Erklärung der Beobachtung durch ausgelaufenes Wasser

Der Luftdruck \(p_{\rm{innen}}\) im Glas reduziert sich im Experiment, da beim Umdrehen immer eine kleine Menge Wasser austritt (beobachte den Rand des Glases), aber keine Luft von außen ins Glas nachströmen kann. Wenn du einen Bierdeckel verwendest, so saugt dieser auch etwas Wasser auf, was den Effekt verstärkt. Nun ist tatsächlich der äußere Luftdruck etwas größer als die Summe aus dem inneren Luftdruck und dem Schweredruck des Wassers - die Abdeckung wird durch den äußeren Luftdruck auf den Glasrand gedrückt (der Bierdeckel biegt sich sogar etwas nach innen durch) und dichtet das Glas ab. Es fließt kein Wasser heraus.

Saugheber

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Abb. 1 Das Wasser läuft kontinuierlich vom oberen zum unteren Eimer.
Material

  • Schlauch (Durchmesser: höchstens 2 cm)
  • 2 große Gefäße
  • Wasser

Aufbau und Durchführung
Man stellt ein mit Wasser gefülltes Gefäß etwas erhöht auf einen Tisch. Auf den Tisch stellt man ein zweites Gefäß. In das erste hängt man das eine Ende eines Schlauches, der bis zum Gefäßboden reichen sollte. Das andere Ende nimmt man in den Mund, saugt daran, bis der Schlauch mit Wasser gefüllt ist und hängt das Schlauchende in das untere Gefäß. Das Wasser strömt vom oberen in das untere Gefäß. Statt zu saugen, kann man auch den Schlauch voll Wasser füllen, beide Enden mit den Daumen zuhalten und in die Gefäße führen. Dort die Schlauchenden freigeben.

Jeder Aquarienbesitzer nutzt zur Leerung und Säuberung seiner Aquarien das Saugheber-Prinzip verwenden. Und Autobesitzern ist angeraten, ihren Tank zu verschließen, damit nicht Benzindiebe mittels Saugheber Benzin stehlen.

 

Aufgabe

Beschreibe den Versuch und erkläre mit eigenen Worten, warum das Wasser so fließt.

Lösung

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Abb. 2
An der Oberfläche beider Gefäße herrscht der (fast) gleiche Luftdruck \({p_{\rm{L}}}\).

Betrachtet man den Druck an einer gedachten Trennfläche im höchsten Punkt des Schlauches:

Dort ist auf der linken, dem Gefäß 1 zugewandten Seite der Druck:
\[p_{\rm{1}}=p_{\rm{L}}-p_{\rm{S1}}\]
wobei \(p_{\rm{S1}}\) der Schweredruck der Wassersäule der Höhe \(h_{\rm{1}}\) ist.

Auf der rechten, dem Gefäß 2 zugewandten Seite gilt entsprechend:
\[p_{\rm{2}}=p_{\rm{L}}-p_{\rm{S2}}\]
wobei \(p_{\rm{S2}}\) der Schweredruck der Wassersäule der Höhe \(h_{\rm{2}}\) ist.

\(p_{\rm{S1}}\) ist wegen der geringeren Höhe kleiner als \(p_{\rm{S2}}\). Links wird also von \(p_{\rm{L}}\) weniger abgezogen als rechts, deshalb ist der Druck \(p_{\rm{1}}\) auf der linken Seite der gedachten Trennfläche größer als \(p_{\rm{2}}\) auf der rechten Seite. Auf das Wasser wird also ein die Bewegung von Links nach Rechts fördernder Druck ausgeübt.

Schokokuss

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Abb. 1 Versuchsaufbau
Material

  • Glas mit dicht verschließbarem Plastikdeckel, z.B. ein Marmeladenglas
  • Schokokuss
  • Glasröhrchen oder Stück Plastikschlauch (Durchmesser: ca. 3 mm; Länge: ca. 20 cm)
  • Gummistopfen mit Loch für das Glasröhrchen
  • Alleskleber
  • etwas Werkzeug

Aufbau und Durchführung

In die Mitte des Plastikdeckels eines Marmeladenglases schmilzt man mit einem heißen Nagel ein rundes Loch oder bohrt das Loch mit der Bohrmaschine.
In das Loch steckt man entweder den Gummistopfen mit dem Glasröhrchen oder Trinkhalm, oder man macht das Loch passend für das Plastikschlauchstück.
Den Stopfen bzw. den Plastikschlauch verklebt man dicht mit dem Deckel. Der Schokokuss wird in das Glas gestellt. Dieses wird verschlossen, und man saugt an dem Glasröhrchen mit dem Mund Luft an. Um Luft holen zu können, muss man das Röhrchen ab und zu mit der Zunge verschließen.

Staubsauger vs. Mensch

In der Sendung "Kopfball" des WDR wurde mal gefragt, wer mit einem Strohhalm Orangensaft höher aus einem Glas ziehen kann, ein Staubsauger, oder ein Mensch.

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Abb. 1 Versuchsaufbau
Material

  • Staubsauger mit Düse
  • 3 - 4 m dünner durchsichtiger Schlauch
  • Klebeband
  • Flasche oder Eimer mit Wasser

 
Aufbau und Durchführung

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Abb. 2 Versuchsanordnung
Man befestigt den Schlauch mit Klebeband dicht an die Düse, so dass der Staubsauger nun durch den Schlauch saugt (siehe Foto).
Im Treppenhaus stellt man den Staubsauger mit dem Schlauch in den oberen Stock und führt den Schlauch nach unten in die mit Wasser gefüllte etwa 4 m tiefer stehende Flasche.
Eine Person des Vertrauens (damit der Staubsauger kein Wasser schluckt) schaltet den Staubsauger an, während man beobachtet und misst, wie hoch das Wasser vom Staubsauger gezogen wird.

Arbeitsauftrag
Beschreibe und dokumentiere den Versuch und bestimme aus der Wasserhöhe den Saugdruck des Staubsaugers.
Alternative zur sportlichen Ertüchtigung:
Man nimmt statt des Staubsaugers den Mund und probiert, wie hoch man das Wasser oder den Saft saugen kann. (Für einen Saugrekord muss der Schlauch etwas länger und das Treppenhaus hoch genug sein.

Doppelstrohhalm

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Abb. 1 Der Versuchsaufbau mit dem Doppelstrohhalm.
Material

  • Drei Strohhalme
  • Korken
  • Glas Wasser und Glas Spiritus

Aufbau und Durchführung:
In einen Korken werden von unten zwei Bohrungen und von oben eine Bohrung gemacht, so dass drei Strohhalme hineingesteckt werden können und die Luft, die man in den oberen Strohhalm bläst aus beiden unteren herauskommt.
Nun werden zwei Gläser gleich hoch, eins mit Spiritus, eins mit Wasser gefüllt und die Strohhalme gleich tief (bis auf den Grund) eingetaucht. Anschließend bläst (nicht saugen!) in den oberen Strohalm langsam hinein und beobachtet, wo zuerst Blasen aufsteigen.

Arbeitsauftrag
Beschreibe und dokumentiere den Versuch und erkläre das Versuchsergebnis mit Hilfe der unterschiedlichen Dichte von Spiritus und Wasser.

Hebebühne

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Abb. 1 Eine kleine Hebebühne lässt sich mit einfachen Mitteln ganz leicht selbst bauen …
Material

  • Fahrradschlauch mit Ventil
  • Luftpumpe, möglichst mit Druckschlauch (gibt es für Rennräder)
  • großes Brett (es soll den ganzen ausgebreiteten Fahrradschlauch bedecken)
  • evtl. Gewichtstück (oder Person)

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Abb. 2 Ein Fahrradschlauch oder eine Luftmatratze, dazu eine Luftpumpe ergeben eine Hebebühne.
Aufbau und Durchführung

  • An das Ventil eines nicht aufgeblasenen Fahrradschlauches wird eine Luftpumpe angeschlossen und auf den ausgebreiteten Schlauch ein Brett gelegt.
  • Eine Versuchsperson setzt sich auf das Brett und pumpt den Fahrradschlauch auf, dabei wird sie mitsamt dem Brett hochgehoben. Anstelle der Versuchsperson kann auch ein Gewichtstück gehoben werden.

Arbeitsauftrag
Beschreibe und dokumentiere den Versuch.

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Abb. 3 Ordentlich pusten!
Zusatzaufgabe: Langer Atem

Kannst Du eine Luftmatratze, auf der eine Person liegt, so aufblasen, dass sich die Person hebt?

Material

  • Luftmatratze
  • evtl. Schlauch mit Mundstück


Aufbau und Durchführung
Kannst Du eine Luftmatratze, auf der eine Person liegt, so aufblasen, dass sich die Person hebt?

Arbeitsauftrag

Beschreibe und dokumentiere den Versuch.

Barometer

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Abb. 1 Der Aufbau ist mit wenigen Handgriffen erledigt.
Material

  • Ein Luftballon
  •  Marmeladen- oder Honigglas
  •  Schere
  •  Schnur
  •  Strohhalm oder Papstück als Zeiger
  •  durchsichtiges Klebeband

Vorbereitung

Vom Luftballon wird die Kappe abgeschnitten, über das Glas gezogen (geht nicht ganz einfach) und mit der Schnur fixiert (Siehe Abbildung 1)

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Abb. 2 Der Luftballon bewegt sich bei Druckänderung.
Erläuterung zur Verwendung

Durch Temperaturänderung des Glases (Handwärme oder Kühlschrank) kann man leicht den Druck im Glasinneren ändern und die Wölbung der Gummihaut beobachten. Als Barometer funktioniert das Glas nur, wenn die Temperatur des Glases konstant bleibt. Dann kann man einen Strohhalm oder einen Pappezeiger mit Klebeband auf die Membran kleben und der Zeiger gibt ein Maß für den Außendruck, wie in Abbildung 3.

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Abb. 3 Der aufgeklebte Strohhalm fungiert als Zeiger.
Arbeitsauftrag

Führe den Versuch durch und teste die Druckänderung durch Temperatur und beobachte dann den Zeigerausschlag über einen Zeitraum von einer Woche.

Als Barometer für einen sehr langen Zeitraum ist das Einfachbarometer wegen der schnell alternden gespannten Gummimembran wenig geeignet.

Goethe-Barometer

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Abb. 1 Mit dem Goethebarometer werden Änderungen des Luftdrucks gemessen.
Material

  • Plastikflasche
  • durchsichtiger Plastikschlauch
  • Wasser (am besten gefärbt - Lebensmittelfarbe)
  • Klebeband, Schnur
  • Bohrmaschine
  • evtl. Dichtungsmasse (Kaugummi, Kleber)


Vorbereitung

  • In den Plastikdeckel der Plastikflasche wird ein paasgenaues Loch gebohrt, so dass der Plastikschlauch genau hindurch geht. Im durch Foto dokumentierten Fall hatten Bohrloch und Schlauch 6 mm, so dass keine weitere Dichtung notwendig war.
  • In der Nähe des Flaschenbodens wird um die Flasche eine Schnur gebunden und mit Klebeband fixiert, so dass man die Flasche umgedreht aufhängen kann.
  • Der Schlauch wird durch das Loch gesteckt, so dass er innen etwa 5 cm heraus steht und falls notwendig abgedichtet. Außen wird er später mit Klebeband seitlich an die Flaschenwand geklebt. Die Flasche wird etwa zur Hälfte mit gefärbtem Wasser gefüllt, dann wird der Deckel geschlossen, die Flasche umgedreht und umgedreht aufgehängt.


Arbeitsauftrag

Hänge dieses Goethebarometer in einen Raum mit möglichst gleicher Temperatur (Man kann den Fehler durch Änderung der Raumtemperatur messen und dann herausrechnen). Beobachte die Anzeigewerte über mehrere Tage und vergleiche die Änderungen mit den wirklichen Luftdruckwerten. Bedenke 1 cm Höhenunterschied der Wassersäulen entspricht einem Druckunterschied von 1 hPa.