UNTERWASSERDRUCK

Ich habe im Bericht von Chris gelernt, dass die Sonne einen Kern besitzt und dort herrschen 200 Milliarden bar Druck.

Im Erdenvergleich:
Ein Taucher ist in 10m Wassertiefe 2 bar Druck ausgesetzt.

 

Dieser Vergleich hat mich dazu bewogen über das physikalische Thema Druck insbesondere Druck unter Wasser zu schreiben.

Wie wird Druck gemessen?

Um Druck zu messen, brauchen wir ein Druckmessgerät. Dieses misst die Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Druck wird in der Einheit „Pascal“ (Abkürzung: Pa) gemessen. Diese ist nach dem französischen Mathematiker und Physiker Blaise Pascal benannt.
1 Pa entspricht dem Gewicht von hundert Gramm Sand, der gleichmäßig auf einen Quadratmeter verteilt wurde.

Die Einheit von Luftdruck ist „bar“.
Luftdruck wird mit einem Barometer gemessen. Barometer werden benötigt um die Wettervorhersage zu machen. In Flugzeugen wird die Flughöhe mit Barometern bestimmt.

Ein bar ist deutlich mehr als ein Pascal: Er entspricht dem Gewicht von einem Kilogramm Sand auf der Fläche von einem Quadratzentimeter. So gross ist etwa ein Fingernagel.

Auf Meereshöhe herrscht ein Normaldruck von 1 Bar. Je höher wir gehen, desto weniger Luft drückt auf uns. Deswegen spüren wir einen geringeren Luftdruck.

Drückt eine Kraft auf eine Fläche, nennt man dies physikalischen Druck.

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

Formelzeichen: p
Einheit: ein Pascal (1 Pa) 

Ein Pascal (1 Pa) ist die Abkürzung für die Einheit ein Newton je Quadratmeter. Benannt ist die Einheit nach dem französischen Mathematiker und Physiker BLAISE PASCAL (1623-1662). Druck kann in Flüssigkeiten und in Gasen auftreten. Auch feste Körper können auf andere Körper Druck ausüben.

Im Alltag wird der Begriff Druck u. a. im Zusammenhang mit dem Reifendruck, dem Druck in Wasserleitungen oder dem Luftdruck verwendet. Dabei benutzt man den Begriff Druck häufig, um Wirkungen von Kräften zu beschreiben. Die physikalischen Größen Kraft und Druck müssen aber deutlich voneinander unterschieden werden.

Während die Kraft angibt, wie stark ein Körper auf einen anderen einwirkt, beschreibt der Druck die Wirkung einer Kraft auf eine bestimmte Fläche. Allgemein gilt:
Der Druck gibt an, mit welcher Kraft ein Körper auf eine Fläche von einem Quadratmeter wirkt.

Weitere, teils gesetzlich nicht mehr zugelassene oder nur in speziellen Bereichen verwendete Einheiten sind ein Bar (1 bar), eine Atmosphäre (1 at) oder ein Torr (1 Torr entspricht dem Druck von 1 mm Quecksilbersäule). Für diese Einheiten gilt:

Bar – Einheit für Druck. 1 Bar entspricht einer Kraft von 1 kg auf einer Fläche von 1 cm². Es gibt auch andere Einheiten wie z.B. Pascal.

1 bar = 100 000 Pa
1 at = 98 100 Pa
1 Torr = 133,32 Pa

Wasserdruck im physikalischen Sinne bezeichnet den hydrostatischen Druck innerhalb des Wassers. Bei zunehmender Wassertiefe steigt auch der umgebende Druck. Man spricht von der Wassersäule. Besonders für Taucher ist es wichtig zu wissen, welchem Druck ihr Körper ausgesetzt ist, um die Gassättigung des Körpergewebes einzuschätzen und die Taucherkrankheit zu vermeiden.

Ein Meter Wassersäule (mWS) = 9,807 kPa ≈ 0,10 bar

In der nachfolgenden Übersicht sind Werte für den Druck angegeben, die in Natur und Technik auftreten.

Den Wasserdruck kann man hier berechnen bzw. umrechnen.
https://rechneronline.de/barometer/wasserdruck.php
Umrechentabelle
https://jumk.de/calc/druck.shtml

Was ist Wasserdruck?

Was ist Druck?

Wenn ich auf die Erde drücke, dann übe ich Kraft auf die Erde aus. Wenn eine Kraft auf etwas ausgeübt wird, dann ist das Druck. Wasser kann auch Druck ausüben.

Wasserdruck im ruhenden Wasser

Das kann ich am Beispiel des Sees schön erklären. In einem See befinden sich ganz, ganz viele Wasserteilchen neben- und übereinander. Die Wasserteilchen unterliegen – wie alles auf der Erde – der Erdanziehungskraft. Das bedeutet, dass sie von der Erde angezogen werden. Alle Wasserteilchen üben deshalb zur Erde hin einen Druck aus. Das führt zum Wasserdruck. Man spricht auch vom Schweredruck des Wassers. 

Die Wasserteilchen am Grund des Sees haben dabei am meisten Druck auszuhalten – einfach weil so viele Wasserteilchen darüber liegen.

Der Druck ist unten kaum noch auszuhalten!

 

Die Höhe des Wasserdrucks ist also unterschiedlich: Je weniger Wasser man über sich hat, desto geringer ist der Druck. Für Taucher gilt, dass sie bei Tauchgängen in tiefem Wasser einen gewaltigen Wasserdruck aushalten müssen.

Wasserdruck bei fließendem Wasser

Wasser ruht aber oft gar nicht, sondern es fließt (als Fluss oder auch durch Wasserleitungen) und es fällt auch hinunter (zum Beispiel als Wasserfall).

Wasser bewegt sich immer nach unten, wenn es kann. Das liegt ebenso an der Erdanziehungskraft. Fließendes Wasser übt in die Richtung, in die es fließt/fällt, auch einen Druck aus.  

 

Experiment zum Thema „Wasserdruck“

Wasserdruck ist in der Tiefe höher

Reissnägel werden in die Flasche gedrückt

  Wir benötigten:

  • eine leere PET-Flasche mit nicht zu dicken Wänden mit Deckel
  • Reissnägel
  • Wasser 

zuerst die Flasche mit Wasser füllen – bis zum oberen Rand. Dann den Deckel auf die Flasche schrauben.

 Anschließend Reissnägel in unterschiedlicher Höhe in die Flasche drücken.

Die Reissnägel möglichst gleichzeitig wieder aus der Flaschenwand ziehen. Zurück blieben kleine Löcher.

Wasser spritzt aus der Flasche

Was ist passiert?

Wie erwartet lief aus allen Löchern Wasser. Der Strahl verlief jedoch unterschiedlich. Je weiter unten sich ein Loch befand, desto weiter und stärker spritzte das Wasser. Aus einem Loch sehr weit oben tröpfelte nur ein bisschen Wasser.

Weshalb dieses Phänomen? 

Erklärung:

Dieses Experiment zeigt sehr schön, dass der Wasserdruck mit zunehmender Tiefe (= mit zunehmender Wassersäule) steigt. Je mehr Wasserteilchen übereinander sind, desto größer ist der Druck, den die Wasserteilchen unten aushalten müssen.

Weil das Wasser seitlich wegspritzt, kann man hier auch erkennen, dass der Wasserdruck nicht nur nach unten wirkt. Im Gegenteil: Der Wasserdruck wirkt gleich stark in alle Richtungen!

  Tipp!

  • Wenn der Deckel abgeschraubt wird, dann spritzt das Wasser fast noch besser, weil der Wasser-/Luftaustausch besser stattfinden kann.

Gefahren von Druck

Da ich sehr gerne die Unterwasserwelt bestaune und früher einige Tauchgänge erlebt habe weiss ich wovon ich hier schreibe.

Hoher Druck hat sehr grosse Kraft.

Unter dem Begriff Tauchphysik werden alle speziellen Bedingungen der nicht belebten Natur unter Wasser zusammengefasst, denen ein Taucher, besonders ein  Gerätetaucher ausgesetzt ist.

Die Kenntnis spezieller Gesetzmässigkeiten oder Eigenschaften unter Wasser ist wichtig für gefahrenbewusstes Tauchen. Die Tauchphysik gehört zur Grundausbildung der Taucher. Daraus abgeleitete Verhaltensregeln müssen von Tauchern beachtet werden, um Unfallrisiken für sich und ihre Tauchpartner zu minimieren.

Hydrostatischer Druck

Der Wasserdruck nimmt pro 10 m Tiefe um ungefähr 1 bar zu. Theoretisch sind es in reinem Süßwasser 0,98 bar auf 10 m und im Meerwasser, wegen der Salinität, bis zu etwa 1,03 bar. Für den Gerätetaucher ist es meist ausreichend, mit dem Wert von 1 bar zu rechnen. Die Tauchtiefe, und damit der Wasserdruck, ist eines der wichtigsten Kriterien, die der Taucher bei der Planung und Durchführung eines Tauchgangs beachten muss.

https://www.wdr.de/tv/applications/fernsehen/wissen/quarks/pdf/Q_Tauchen.pdf

Wirkung des zunehmenden Drucks unter Wasser

nimmt der Druck zu und komprimiert mir die Luft in den luftgefüllten Hohlräumen meines Körpers. Mit der Zunahme des Drucks werden die Gewebe meines Körpers in Richtung der Luftgefüllten Hohlräume gedrückt, was ich in meinen Ohren, den Nebenhöhlen und an meiner Tauchermaske spüren kann. Wenn ich den Abstieg fortsetze, kann dies unangenehm und bei weiterem Abtauchen welches mir auch schon passiert ist, sogar schmerzvoll werden. Dies wird Barotrauma genannt Baro = Druck,Trauma,=Verletzung

Unter Barotrauma ist also ein Druckungleichgewicht zu verstehen bei dem der Druck ausserhalb eines luftgefüllten Hohlraums den Druck innerhalb dieses Hohlraums übersteigt, was als unangenehm oder schmerzhaft empfunden wird. Neben Ohren, Nebenhöhlen und der Maske kann ein Barotrauma auch in der Lunge, den Zähnen und anderen luftgefüllten Hohlräumen im Körper entstehen.

Ich stelle Druckausgleich her um ein Barotarauma zu stoppen. Meine Ohren und Nebenhöhlen sind mit dem Rachenraum verbunden, wodurch ich mit Luft aus der Lunge leicht ein Druckausgleich in diesen Hohlräumen herstellen kann.

Meine 5 Druckausgleichtechniken sind:

  • Nase zu halten und bei geschlossenem Mund leicht durch die Nase ausatmen – dies leitet Luft in die Ohren und in die Nebenhöhlen.
  • Schlucken und meinen Kiefer hin und her bewegen während ich mit zugehaltener Nase ausatme.
  • Bei jedem abgetauchten Meter stelle ich erneut Druckausgleich her. Wenn ich zulange warte könnte ich keinen Druckausgleich durchführen, weil der Druck des Wassers zu gross wird. Dann muss ich einen Meter auftauchen und erneut Druckausgleich versuchen. Wenn ich keinen Druckausgleich herstellen kann muss ich den Tauchgang abbrechen weil ich sonst einen Riss im Trommelfell mit Drehschwindel riskieren könnte.
  • In meiner Tauchermaske kann ich den Druckausgleich automatisch durchführen, indem ich einfach durch die Nase in die Maske hinein ausatme.

 Wirkung des abnehmenden Drucks unter Wasser

Druckveränderungen haben keinerlei schädliche Auswirkungen auf meine Lunge, wenn ich beim Schnorcheltauchen den Atem anhalte. Ich nehme dabei einen Atemzug und tauche ab; der zunehmende Druck komprimiert die Luft in meiner Lunge und das Volumen nimmt ab. Beim Auftauchen dehnt sich die Luft wieder aus und beim Erreichen der Oberfläche hat die Lunge annähernd ihr urssprüngliches Volumen zurückgewonnen.

Beim Gerätetauchen jedoch unterscheidet sich die Situation dramatisch. Das Tauchgerät ermöglicht es mir unter Wasser zu atmen, indem es mir Luft liefert, die den  gleichen Druck aufweist, wie er in der jeweiligen Tiefe im Wasser herrscht. Dies bedeutet, dass meine Lunge auch in der Tiefe ihr normales Volumen behält. Diese Luft wird sich ausdehnen, während ich auftauche.

Atme ich normal und halte die Luft/Atemwege zu meiner Lunge geöffnet, gibt eskein Problem. Dann kann die Luft entweichen und meine Lunge behält ihr normales Volumen. Wenn ich jedoch beim Auftauchen meinen Atem anhalte, meine Atemwege blockiere würde, dann würde ich meine Lunge überdehnen, so ähnlich wie bei der verschlossenen Plastiktüte oder Ballon, der in der Tiefe mit Luft gefüllt und dann an die Oberfläche mitgenommen wird.

Sich ausdehnende Luft kann einen Lungenüberdehnung verursachen (Lungenriss)- die ernsthafteste Verletzung für einen Taucher. Aus diesem Grund lautet die wichtigste Regel beim Gerätetauchen; Atme fortwährend, und halte niemals, wirklich niemals den Atem an.  Ein Überdruck in der Lunge wird dann auftreten, wenn ich nicht fortwährend normal atme um dadurch ständigen Druckausgleich zu ermöglichen.

Katharina, 1 August 2018