Grundlagen des Drucks: Definitionen, Hydrostatischer Druck und Atmosphärendruck

Grundlegende Begriffe des Drucks

Definitionen

• Druck: Kraft, die auf eine Flächeneinheit wirkt. Die SI-Einheit des Drucks ist das Newton pro Quadratmeter (N/m²), genannt Pascal (Pa).
• Pascal: Der Druck, der durch eine Kraft von einem Newton auf einer Fläche von einem Quadratmeter ausgeübt wird.
• Hydrostatischer Druck: Druck, der in einer Flüssigkeit durch ihr eigenes Gewicht entsteht.
• Hydraulische Presse: Ein Mechanismus, der aus zwei Zylindern unterschiedlichen Querschnitts besteht, die durch ein Rohr mit einer Flüssigkeit verbunden sind, welche in beiden Zylindern die gleiche Höhe erreicht. Diese Zylinder sind durch unterschiedlich große Kolben verschlossen, die mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen.
• Atmosphäre: Die Gasmischung rund um die Erde, die Druck auf deren Oberfläche ausübt.
• Barometer: Instrument zur Messung des Drucks, den die Atmosphäre auf die berührenden Körper ausübt.
• Pascal-Prinzip: Das von Blaise Pascal formulierte Prinzip besagt, dass der Druck, der auf einen Punkt einer inkompressiblen Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter ausgeübt wird, gleichmäßig in alle Richtungen auf jeden Punkt der Flüssigkeit und die Behälterwand übertragen wird. Es wird beim Bau von Pressen, hydraulischen Waagen usw. angewendet.

Theoretische Grundlagen des Drucks

Hydrostatischer Druck – Variationen

1. Der Druck im Inneren einer Flüssigkeit wirkt in alle Richtungen.
2. Der Druck nimmt mit der Tiefe zu.
3. Eine höhere Dichte der Flüssigkeit führt zu einem stärkeren Druck.
4. Der Druck hängt nicht von der Form oder der Breite des Behälters ab.

Torricellis Experiment

Torricelli füllte ein dünnes Glasrohr von 1 m Länge und 1 cm² Querschnitt, das an einem Ende geschlossen war. Er verschloss das freie Ende mit einem Finger und führte das Rohr kopfüber in einen mit Quecksilber gefüllten Eimer ein. Beim Entfernen des Fingers sank das Quecksilber im Rohr auf eine Höhe von 760 mm über der Oberfläche des Quecksilbers im Behälter. Im oberen Ende des Rohres entsteht ein Vakuum.

• Der atmosphärische Druck wirkt auf die freie Oberfläche des Quecksilbers und hält die Säule im Rohr auf einer konstanten Höhe.
• Der Luftdruck wirkt auf das Quecksilber im Tank und verhindert, dass die Säule im Rohr weiter absinkt.

Der Druck, der durch eine 760 mm hohe Quecksilbersäule ausgeübt wird, wird als normaler atmosphärischer Druck bezeichnet und entspricht 101.300 Pa. Er wird zur Messung der Atmosphäre verwendet.

Zusammenhang zwischen Luftdruck und Höhe

Wenn wir aufsteigen, befindet sich weniger Luft über uns, d.h. der atmosphärische Druck ist niedriger, und folglich sinkt die Höhe der Quecksilbersäule.

Hoch- und Tiefdruckgebiete (Zyklone und Antizyklone)

Druckgebiete und Isobaren

Auf Meereshöhe beträgt der Druck 1013 mbar. Druckwerte darüber und darunter werden als Hochdruck bzw. Tiefdruck bezeichnet.

• Antizyklon: Ein Gebiet mit hohem Druck.
• Borrasca (Zyklon/Tiefdruckgebiet): Ein Gebiet mit geringem Druck.

Die Entstehung dieser Zonen ist auf die ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre zurückzuführen: Wird Luft erwärmt, steigt sie auf, dehnt sich aus und hinterlässt ein Gebiet mit niedrigem Luftdruck. Kalte Luft ist dichter und sinkt ab, was zu Hochdruckgebieten führt.

Isobaren: Linien, die Punkte gleichen Drucks verbinden. Auf Karten werden sie in Abständen von 4 hPa gezeichnet. Zyklone und Stürme sind nicht starr, sondern bewegen sich und verändern ihre Form.

Wind und Wetter

In einem Gebiet mit niedrigem Druck zieht die Luft aus den umliegenden Regionen mit höherem Druck an. Dort, wo zyklonal Luftmassen unterschiedlicher Herkunft zusammenlaufen und in Kontakt kommen, ist das Wetter instabil.

Im Gegensatz dazu strömt die Luft von einem Hochdruckgebiet zu Bereichen mit geringerem Druck. Da die Luftströmungen unterschiedlich sind, kommt es nicht zum Kontakt heterogener Luftmassen, und das Wetter ist gut.

Daraus folgt, dass sich die Luft von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten bewegt, was zu Windströmungen führt.

Fronten

• Front: Die Schnittfläche zwischen der Erdoberfläche und der Luftmasse.
• Warmfront: Warme Luft verdrängt kalte Luft, und umgekehrt (Kaltfront).