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SG016  Druck p

© H. Hübel Würzburg 2013

Kraft F

Glossar

Physik für Schülerinnen und Schüler

Druck p kennzeichnet den Spannungszustand in einem Gas oder einer Flüssigkeit, der entsteht, wenn auf ein eingeschlossenes Gas bzw. eine eingeschlossene Flüssigkeit eine Kraft F ausgeübt wird ("Kraft macht Druck"). Umgekehrt entsteht aus dem Druck in einem Gas oder einer Flüssigkeit auf eine begrenzende Wand eine Kraft F senkrecht zur Wand ("Druck macht Kraft").

Versuche mit hydraulischen Pressen oder Spritzen legen die Definition nahe:

   p = F/A    wobei F der Betrag der Kraft F ist, die senkrecht auf die Fläche A wirkt. 

Man kann nicht sagen "Druck ist Kraft pro Flächeneinheit", denn erstens ist eine Kraft ein Vektor, der Druck aber nicht. Zweitens ist begrifflich der Druck etwas ganz anderes als eine Kraft. Man kann auch nicht sagen "ein Druck wirkt" z.B. auf einen Kolben, weil ein Druck nur den Spannungszustand charakterisiert; er wirkt nicht. Nur Kräfte oder Drehmomente können "wirken". Aus dem Druck kann aber eine Kraft auf den Kolben entstehen. Streng genommen gibt es auch keine "allseitige Ausbreitung" des Drucks; das würde nicht zu der Definition als Maß für den Spannungszustand passen.

In der Definitionsformel stecken vielmehr zwei Aussagen:

  1. Wenn auf eine Fläche A, die das Gas oder die Flüssigkeit begrenzt, senkrecht eine Kraft F wirkt, dann entsteht ein Spannungszustand, der durch den Druck p charakterisiert wird, wobei sich p gemäß p = F/A aus dem Betrag F der Kraft F und der Fläche A berechnet. ("Kraft macht Druck") 

  2. Wenn eine Fläche A dem Druck p ausgesetzt ist, dann entsteht senkrecht auf diese Fläche eine Kraft F, deren Betrag F sich aus F = p·A berechnet.("Druck macht Kraft")

Druck ist neben anderen, wie die Temperatur, eine Größe, die den Zustand eines Gases oder einer Flüssigkeit beschreibt.

Gemäß der Definitionsformel ist die Einheit des Drucks  [p] = 1 N/m2 = 1 Pa ("Pascal"). Das ist eine sehr kleine Einheit. Der Luftdruck bei uns beträgt z.B. 1036 hPa = 1036·100 N/m2 ≈ 105 N/m2 = 105 Pa. (hPa = "Hektopascal"). D.h. auf eine Fläche von 1 m2 entsteht eine Kraft vom Betrag 105 N, so als würde auf dem Quadratzentimeter eine Masse von 1 kg lasten, also das Gewicht von ca. 10 N wirken (da 1 m2 = 104 cm2).

Manchmal ist auch noch in Gebrauch: 1 bar = 1000 hPa. 1 bar entspricht ungefähr der veralteten Einheit 1 at ("Atmosphäre").

Beachte:

In einem Gas ist die Erhöhung des Drucks häufig mit einer Kompression - einer Verringerung des Volumens - verbunden, also einer Erhöhung der Teilchendichte: die Zahl der im Volumen eingeschlossenen Teilchen bleibt konstant, aber das Volumen wird kleiner. Mancher neigt vielleicht dazu, gedanklich Druck mit Kompression und erhöhter Teilchendichte zu verbinden. Kompression ist aber nicht die einzige Möglichkeit, den Gasdruck in einem festen, abgeschlossenen Volumen zu erhöhen. Es könnte auch die Temperatur erhöht werden, wobei die Teilchendichte unverändert bleibt: konstante Teilchenzahl und konstantes Volumen. Wasser z.B. ist so gut wie nicht kompressibel: es lässt sich so gut wie nicht zusammendrücken. Dennoch kann man den Wasserdruck erhöhen ohne die Teilchendichte (Dichte der Wassermoleküle) wesentlich zu erhöhen.

Mit Kompressibilität hat die Existenz eines Drucks nichts zu tun, wohl aber Kompression. Ein Gas lässt sich zusammendrücken, ist also kompressibel. Wasser lässt sich so gut wie nicht zusammendrücken, ist also so gut wie inkompressibel.



Teilchendichte = Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit. Die "Teilchen" dabei könnten je nach Gas Atome oder Moleküle sein.

Die Aussagen "Kraft macht Druck" und "Druck macht Kraft" sind in der Elektrizitätslehre beim Stromkreis vergleichbar mit den Aussagen "Spannung macht Strom" und "Strom macht Spannung" ("U macht I" und "I macht U"). Es handelt sich um Paare von Begriffen, von denen jeder die Ursache des anderen bzw. die Folge des anderen sein kann.



( April 2022: Umrechnungsfehler korrigiert; Ergänzungen )