Natur und Technik Vakuum und Überdruck
Wetten, dass ein Autoreifen, ein Industrieroboter und unser Blutkreislauf mehr gemeinsam haben, als es auf Anhieb scheint? In Natur und Technik funktioniert vieles nur dann, wenn Druck und Überdruck im richtigen Verhältnis stehen.
Wie schwer ist der Himmel?
Luft ist ein Sinnbild für Leichtigkeit. Zu Recht. Luft wiegt tatsächlich nicht viel. Aber ein Gewicht hat sie trotzdem. Das liegt an den winzigen Molekülen, aus denen sie besteht. Etwas mehr als ein Kilogramm bringt jeder Kubikmeter des Gasgemisches auf die Waage. Damit ist auch klar, dass die Lufthülle unseres Planeten kein Leichtgewicht ist. Im Gegenteil: Die Atmosphäre drückt mit einer Masse von etwa fünf Milliarden Tonnen auf die Erde. Auf jedem Quadratmeter Boden steht daher eine Luftsäule mit dem Gewicht von zehn Tonnen und selbst auf jedem Quadratzentimeter lastet rund ein Kilogramm Luft. Das gilt allerdings nur in Meereshöhe. Da die Luftsäule mit steigender Höhe kürzer wird, sinkt auch ihr Gewicht. In fünf Kilometer Höhe hat sich die Auflast halbiert, in 20 Kilometer Höhe beträgt sie nur noch ein Zehntel des Bodenwertes.
Das Wetter und andere Maschinen
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Weil der Luftdruck von so unterschiedlichen Faktoren wie Höhe, Temperatur und Feuchtigkeit abhängt, ist er einem ständigen Wechsel unterzogen. Diese Schwankungen bringen die Atmosphäre in Bewegung und setzen die "Wettermaschine" in Gang. Denn letztlich sind die Winde aller Stärken, von der leichten Brise bis hin zum Orkan nur eine Folge veränderter Luftdruckverhältnisse. Aber nicht nur in der Natur, sondern auch in der Technik spielen Drucke und Druckveränderungen eine große Rolle. Weil sich die Luft wie alle Gase komprimieren, also zusammenpressen lässt, kann sie Energie transportieren und bei ihrer Entspannung mechanische Arbeit verrichten. Auf diesem Prinzip eines künstlich erzeugten Überdrucks basieren nicht nur Luftmatratzen, sondern eine ganze Reihe von Druckluftmaschinen wie etwa Luftpumpen, Kompressoren, Schrauber, Schleifgeräte oder der Presslufthammer.
Das Vakuum als Werkzeug
Aber nicht nur das Verdichten, sondern auch das Vermindern des Drucks ist für den technischen Einsatz von größter Bedeutung: Die Vakuumtechnik setzt den Druckunterschied zwischen den normalen atmosphärischen Bedingungen der Umgebung und mehr oder minder luftleer gepumpten Behältern als Werkzeug ein. Moderne Bremskraftverstärker für Kraftfahrzeuge und die Bremssysteme für Eisenbahnen entfalten ihre Kraft mithilfe eines künstlich erzeugten Unterdrucks, in Flugzeugen oder auf Schiffen pumpt ein Druckgefälle die Toiletten leer, großflächige Glasscheiben und Bauteile lassen sich mittels eines Vakuum-Sauggreifers ohne Beschädigung der Oberflächen fixieren oder transportieren.
Die Dichte des Wassers bringt Druck auf die Säule
Druck ist letztlich nichts anderes als Gewichtskraft, die auf eine Fläche wirkt. Das gilt für Gase und den Gasdruck genau so wie für Flüssigkeiten. Mit einem Unterschied: Flüssigkeiten sind schwerer als Gase. Genauer gesagt, haben sie mehr Masse pro Volumen und damit eine größere Dichte als Gase. Das hat zwei Folgen: Erstens lassen sich Flüssigkeiten aufgrund ihrer höheren Dichte nicht komprimieren, zweitens "drücken" Flüssigkeitssäulen stärker auf ihre Grundflächen. Bereits eine Wassersäule mit einer Höhe von 10 Metern erzeugt einen Druck von rund einem Bar, das entspricht dem Luftdruck auf der Erdoberfläche. Weil der Druck pro zehn Meter Tiefe um jeweils ein Bar zunimmt, herrschen in zehn Meter Tiefe bereits zwei Bar und 20 Meter Tiefe schon drei Bar Druck. Um diesem rasanten Druckanstieg standzuhalten, müssen Tauchboote extrem stabil gebaut sein. Andernfalls würden sie unweigerlich zermalmt.
Der Trick mit dem kleinen und dem großen Kolben
Flüssigkeiten eignen sich bestens zur Übertragung oder Verstärkung von Kräften, weil sie den Druck nach allen Seiten gleichmäßig fortpflanzen. In hydraulische Anlagen, die diese Eigenschaft nutzen, überträgt eine eingeschlossene Flüssigkeit den durch einen Kolben erzeugten Druck auf einen zweiten Kolben. Da dieser zweite Kolben eine größere Fläche hat, wirkt eine entsprechende größere Kraft auf ihn ein. Der Effekt liegt auf der Hand: Die kleine Kraft am kleineren Pumpkolben bewirkt eine große Kraft am größeren Arbeitskolben. Mit diesem Trick entfesseln hydraulische Hebebühnen, Pressen und Bremsen ihre gewaltigen Kräfte.