Hydrostatik und Fluiddynamik: Grundlagen, Prinzipien und Anwendungen

Hydrostatik: Untersuchung von Flüssigkeiten in Ruhe

Fluid: Eine Substanz, die leicht ihre Form verändert, wenn Kräfte geringer Größe wirken. Fluide können Flüssigkeiten oder Gase sein.

Druck (Pa, N/m²)

Quotient aus der Kraft, die senkrecht auf eine Fläche wirkt, und der Größe dieser Fläche. (Je mehr Druck, desto mehr Kraft und umgekehrt, und je mehr Fläche, desto weniger Druck und umgekehrt.)

Barometer

Messgerät für den atmosphärischen Druck, der durch das Gewicht der Atmosphäre über der Erdoberfläche entsteht. Torricelli (italienischer Physiker) wies dies nach.

1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01 x 10⁵ Pa

Messgeräte: Barometer und Manometer.

Variablen, die den Luftdruck beeinflussen:

• Höhe (Je höher die Höhe, desto geringer der Luftdruck)
• Wetterlage (Klimaveränderungen beeinflussen den Luftdruck)

Gas

Moleküle schwingen zufällig und sind komprimierbar.

Flüssigkeit

Nimmt die Form des Behälters an und die Moleküle sind getrennt.

Dichte

Quotient aus der Masse eines Körpers und dem von ihm eingenommenen Volumen. Gemessen in kg/m³ oder g/cm³.

Variablen: Masse und Volumen. Die Temperatur beeinflusst die Dichte von Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen, der Druck beeinflusst die Dichte von Gasen. Jeder Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, erfährt einen Druck, der mit zunehmender Tiefe steigt.

Pascalsches Prinzip

Der Druck, der auf eine Flüssigkeit in einem geschlossenen System ausgeübt wird, verteilt sich gleichmäßig in der gesamten Flüssigkeit.

Anwendungen:

Hydraulische Pressen, Hebebühnen für Autos, hydraulische Bremsanlagen in Autos.

Archimedes-Prinzip

Ein Körper, der in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, erfährt einen Auftrieb, der gleich dem Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeit ist.

Verdrängtes Volumen:

Das Volumen des Körpers, der in die Flüssigkeit eingetaucht ist.

Wenn der Körper vollständig unter Wasser ist, sind das Volumen des Körpers und das verdrängte Volumen gleich. Wenn der Körper nur teilweise unter Wasser ist, entspricht nur der eingetauchte Teil des Volumens dem verdrängten Volumen.

Warum schwimmt ein Boot?

Die Auftriebskraft entspricht dem Gewicht des Bootes. Das Volumen des verdrängten Wassers entspricht dem Volumen des Bootes unter Wasser.

Archimedes-Prinzip angewandt auf Gase: Ein Ballon steigt auf, weil seine mittlere Dichte geringer ist als die atmosphärische Dichte, was durch die Erwärmung der Luft erreicht wird.

Scheinbare Masse und scheinbares Gewicht

Wenn ein Körper in eine Flüssigkeit getaucht wird, scheint er weniger Gewicht und weniger Masse zu haben. Dies liegt an der Auftriebskraft, die dem tatsächlichen Gewicht des Objekts entgegenwirkt.

Boyle-Mariottesches Gesetz

Wenn sich bei einem Gas Druck und Volumen isotherm (bei konstanter Temperatur) ändern, ist das Produkt aus dem ursprünglichen Druck und dem ursprünglichen Volumen gleich dem Produkt aus dem Enddruck und dem Endvolumen. (Je mehr Druck, desto weniger Volumen und umgekehrt.)