PH1 – Druck [Grundlagen, Beispiele, Anwendungen]

In der Physik ist der Druck nichts anderes als der Quotient aus der wirkenden Kraft F und der Fläche A, auf welche diese Kraft senkrecht einwirkt.

Für ein optimales Verständnis helfen dir zwei Videoclips und vier Beispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Physik findest du im Kurs: PH1 – Grundlagen der Physik.

Oder lieber mit den Grundlagen starten? Alles dazu findest du im Kurs: Ma1-Grundlagen der Mathematik

Druck – Grundlagen

Worum geht es?

Druck ist ein zentrales Konzept in der Physik und Technik, das die Kraft beschreibt, die auf eine Fläche ausgeübt wird. Das Verständnis von Druck ist entscheidend in zahlreichen Anwendungen, von der Wettervorhersage bis hin zur Entwicklung technischer Geräte.

Was ist Druck?

Grundprinzipien

Definition: (P) ist definiert als die Kraft (F), die senkrecht auf eine Fläche (A) wirkt. Die Formel lautet:
$P = \frac{F}{A}$
Hierbei wird er in Pascal (Pa) gemessen.
Einheiten:
- Pascal (Pa)
- Bar (bar)
- Atmosphären (atm)
- Torr (Torr)
- Pfund pro Quadratzoll (psi)

Bedeutung dieser Größe

Materialfestigkeit:
Er spielt eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Materialfestigkeit und der Stabilität von Konstruktionen.
Flüssigkeits- und Gastechniken:
In der Hydraulik und Pneumatik ist er ein wesentlicher Parameter für das Funktionieren von Systemen und Maschinen.
Alltagsphänomene:
Luftdruck beeinflusst Wetterbedingungen und ist ein Schlüsselparameter in der Meteorologie.

Druck

Arten von Druck

Absoluter Druck, Relativer Druck und Differenzdruck

Absoluter Druck:
- Der absolute Druck ist der Druck bezogen auf das absolute Vakuum.
- Beispiel: Der absolute Luftdruck auf Meereshöhe beträgt etwa 101.325 Pa.
Relativer Druck (Überdruck):
- Der relative Druck ist der Druck bezogen auf den atmosphärischen Druck.
- Beispiel: Ein Reifen mit einem Druck von 2 bar über dem atmosphärischen Druck.
Differenzdruck:
- Der Differenzdruck ist der Unterschied zwischen zwei Druckwerten.
- Beispiel: Der Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite eines Filters.

Einflussfaktoren auf den Druck

Temperatur und Volumen

Temperatur:
Mit zunehmender Temperatur erhöht sich er in einem geschlossenen System, da die Teilchen schneller und häufiger auf die Wände des Behälters stoßen (Gay-Lussac’sches Gesetz).
Volumen:
Bei konstanter Temperatur führt eine Verringerung des Volumens zu einer Erhöhung des Drucks (Boyle-Mariotte-Gesetz).

P gibt an, mit welcher Kraft F ein Körper senkrecht auf eine Fläche A von einem Quadratmeter wirkt.

Die Gleichung für den Druck $p$ ergibt sich aus dem Quotienten von Kraft $F$ und Fläche $A$ :

Druck

$p = \dfrac{F}{A}$

Innerhalb der Physik werden Kraft und Druck wie folgt voneinander abgrenzt: Die Kraft $F$ gibt an, wie stark ein Körper auf einen anderen Körper einwirkt, $p$ ist die Wirkung einer Kraft auf eine bestimmte Fläche $A$ .

Merk’s dir!

Er gibt an, mit welcher Kraft ein Körper auf eine Fläche von einem Quadratmeter wirkt.

Die Einheit des Drucks ist demnach Newton pro Quadratmeter [N/m²]. Diese Einheit wird zusammengefasst als Pascal [Pa] und ist die abgeleitete SI-Einheit des Drucks.

Der Druck $p$ ist abhängig von der wirkenden Kraft und der Fläche, auf welche die Kraft wirkt. Betrachten wir dazu ein Beispiel.

Beispiel: Druckkraft berechnen

Gegeben seien die beiden obigen Kisten $1$ und $2$ , die auf einer weichen Unterlagen stehen. Beide Kisten sind gleich groß und weisen das selbe Gewicht auf, nämlich $m = 40 kg$ . Die Kiste $1$ steht waagerecht, die Kiste $2$ steht senkrecht auf der Unterlagen.

Was bedeutet das nun?

Beide Kisten üben dieselbe Kraft auf den Boden aus, weil beide Kisten gleich schwer sind (40 kg). Wir berechnen also zunächst dir wirkenden Gewichtskraft $F_G$ , die wie folgt berechnet wird (Masse mal Erdbeschleunigung):

$F_G = m \cdot g = 40 kg \cdot 9,81 \dfrac{m}{s^2} = 392,4 \dfrac{kg \; m}{s^2} = 392,4 N$

Die Gewichtskraft $F_G$ wird ausführlich in unserem Onlinekurs PH2-Einführung in die Statik behandelt.

Die wirkende Kraft ist also konstant. Als nächstes schauen wir uns die Fläche an, auf welche die Kraft wirkt. Die Kraft, die von der Kiste $1$ ausgeht, ist über eine größere Fläche verteilt, als die der Kiste $2$ . Wir schauen uns die beiden Flächen an:

$A_1 = 0,5m \cdot 1,5 m = 0,75 m^2$

$A_2 = 0,5 m \cdot 0,8 m = 0,4 m^2$

Die Fläche der Kiste $1$ ist größer, als die Fläche der Kiste $2$ . Wir berechnen nun die Drücke, welche durch die Kisten auf die Unterlagen ausübt werden:

$p_1 = \dfrac{F_G}{A_1} = \dfrac{392,4 N}{0,75 m^2} = 523,2 \dfrac{N}{m^2} = 523,2 Pa$

$p_2 = \dfrac{F_G}{A_2} = \dfrac{392,4 N}{0,4 m^2} = 981 \dfrac{N}{m^2} = 981 Pa$

Der Druck, welchen die Kiste $1$ auf den Boden ausübt ist kleiner, als derjenige, welchen die Kiste $2$ auf den Boden ausübt. Grund dafür ist die Verteilung der Gewichtskraft $F_G$ der Kiste $1$ auf eine größere Fläche. Im Gegensatz dazu ist der Druck, welchen die Kiste $2$ auf den Boden ausübt, größer als bei Kiste $1$ . Die Gewichtskraft wird in diesem Fall auf eine kleinere Fläche verteilt.

Druck gleich Kraft pro Fläche bei zwei unterschiedlichen Kisten

Beispiele aus der Praxis

Du kannst Drücke also variieren, indem du zum Beispiel die Fläche änderst. Schauen wir uns mal einige praktische Beispiele aus dem Alltag an:

In der obigen Grafik siehst du Skifahrer auf dem Weg zur Piste. Das Körpergewicht der Skifahrer wird auf die Skier verteilt. Dabei haben die Skis eine so große Fläche, dass der Druck auf den Schnee nur so groß ist, dass die Skis nicht zu weit einsinken. In der nächsten Grafik siehst du genau das umgekehrte Beispiel:

Beim Fußball müssen die Fußballer bestimmte Schuhe tragen. Fußballschuhe sind mit Stollen ausgestattet, die sich an der Unterseite der Fußballschuhe befinden. Hier wird die Gewichtskraft der Fußballer nicht über die gesamte Fußsohle auf den Boden verteilt (wie bei normalen Schuhen), sondern über die Stollen auf den Boden übertragen.

Die Stollen haben nur eine kleine Kontaktfläche mit dem Boden.

Er ist demnach auf den Stollen größer als auf der flachen Schuhsohle, da sich die Gewichtskraft auf eine kleinere Fläche verteilt. Dies ermöglicht das Einsinken der Stollen in den Boden, damit die Fußballer mehr Standfestigkeit (Grip) haben.

Merkregel zum Druck

Merk’s dir!

Du merkst dir nun also, dass der auf eine Fläche wirkende Druck umso größer (kleiner) ist,

je größer (kleiner) die auf die Fläche wirkende Kraft $F$ ist,
je kleiner (größer) die Fläche ist.

Anwendungsfälle

Hydraulische Systeme: In hydraulischen Systemen wird er verwendet, um Kräfte zu übertragen und Bewegungen zu steuern, z.B. in Bremsanlagen von Fahrzeugen.
Pneumatische Systeme: Druckluftsysteme nutzen ihn, um Werkzeuge anzutreiben und Prozesse zu steuern, z.B. in der Automatisierungstechnik.
Medizinische Anwendungen: Blutdruckmessungen sind ein wichtiger Indikator für die Gesundheit des Herz-Kreislauf-Systems.
Wettervorhersage: Luftdruckmessungen sind entscheidend für die Vorhersage von Wetteränderungen und Sturmwarnungen.

Mögliche Fragestellungen | Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Was ist Druck?

Er ist die Kraft, die senkrecht auf eine Fläche ausgeübt wird, gemessen in Pascal (Pa).

2. Wie berechnet man Druck?

Er wird berechnet, indem man die Kraft durch die Fläche teilt: $FA\frac{F}{A}$ .

3. Was ist der Unterschied zwischen absolutem und relativem Druck?

Absoluter Druck bezieht sich auf das absolute Vakuum, während relativer Druck den Druck im Vergleich zum atmosphärischen Druck angibt.

4. Wie beeinflusst die Temperatur den Druck?

Eine Erhöhung der Temperatur in einem geschlossenen System führt zu einer Erhöhung von P, da die Teilchen schneller und häufiger auf die Wände des Behälters stoßen.

5. Welche Anwendungen hat der Druck?

Er wird in hydraulischen und pneumatischen Systemen, in der Medizin (Blutdruckmessung), und in der Wettervorhersage verwendet.

Zusammenfassung

Der Druck ist ein fundamentaler physikalischer Parameter, der die Kraft pro Flächeneinheit beschreibt. Er spielt eine entscheidende Rolle in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen, von der Materialforschung bis zur Medizin.

Das Verständnis der verschiedenen Arten von Drücken und ihrer Einflussfaktoren ist entscheidend für präzise Berechnungen und Anwendungen in verschiedenen Disziplinen. Durch das Wissen über Drücke können wir komplexe Systeme entwickeln, Naturphänomene vorhersagen und alltägliche Prozesse optimieren.

Was kommt als Nächstes?

In der folgenden Lerneinheit zeigen wir dir, wie die unterschiedlichen Arten bestimmt werden.

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