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Flüssigkeiten und Gase

Warum treiben manche Körper auf der Wasseroberfläche und manch andere sinken ab? Welchen Effekt nutzen Flugzeuge zum Fliegen? Und wie können extrem schwere Objekte wie beispielweise Autos angehoben werden? Mit diesen und weiteren Fragen beschäftigen wir uns in diesem Artikel zum Thema Flüssigkeiten und Gase. Was es damit auf sich hat, welche Begriffe und Einteilungen für dich wichtig sind und wie du diese in Beispielen anwendest, erfährst du in diesem Artikel. Das Kapitel können wir der Mechanik und damit dem Fach Physik zuordnen.

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Flüssigkeiten und Gase

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Warum treiben manche Körper auf der Wasseroberfläche und manch andere sinken ab? Welchen Effekt nutzen Flugzeuge zum Fliegen? Und wie können extrem schwere Objekte wie beispielweise Autos angehoben werden? Mit diesen und weiteren Fragen beschäftigen wir uns in diesem Artikel zum Thema Flüssigkeiten und Gase. Was es damit auf sich hat, welche Begriffe und Einteilungen für dich wichtig sind und wie du diese in Beispielen anwendest, erfährst du in diesem Artikel. Das Kapitel können wir der Mechanik und damit dem Fach Physik zuordnen.

Grundlagen zur Mechanik

Flüssigkeiten und Gase - was genau haben sie mit der Mechanik zu tun? Bisher haben wir in den Themengebieten der Kinematik und der Dynamik feste Körper betrachtet und deren Bewegungen und einwirkende Kräfte untersucht. Meist verbinden wir Flüssigkeiten und Gase, sogenannte Fluide, nicht direkt mit der Mechanik. Sie sind aber ebenso ein wichtiges Teilgebiet. Die nachfolgende Grafik zeigt die Einteilung der Mechanik nach Aggregatszustand in zwei große Bereiche:

Abbildung 1: Einteilung Mechanik

In der Festkörpermechanik werden dabei feste Körper betrachtet, die Bewegungen ausführen oder auf die Kräfte wirken. Daneben existiert die sogenannte Fluidmechanik, die sowohl die Mechanik der Flüssigkeiten und auch der Gase beschreibt. Oft wird in der Literatur auch der Begriff Strömungsmechanik verwendet. Aber mit was genau beschäftigt sich dieses Teilgebiet? Grundsätzlich lässt sich die Fluidmechanik weiter einteilen nach dem Bewegungszustand der Fluide. So gliedern sie sich in folgende Bereiche:
Abbildung 2: Einteilung Fluidmechanik

Unterschieden wird dabei zwischen ruhendem und strömenden Fluid. Wie auch in der klassischen Mechanik wird die Lehre von ruhenden Fluiden als Statik bezeichnet. Je nach Medium teilen sich die Themengebiete in Hydrostatik (Flüssigkeiten) und Aerostatik (Gase) auf. Im Falle von bewegten bzw. strömenden Fluiden sind die Teilbereiche Hydrodynamik und Aerodynamik in der Literatur verankert. Damit beschäftigt sich die Fluidmechanik in mehreren Bereichen mit Flüssigkeiten und Gase. Aber was genau ist denn aus physikalischer Sicht eine Flüssigkeit oder ein Gas?

Grundlegende Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen

Sowohl Festkörper, als auch Fluide bestehen aus kleinsten Teilchen. Je nach Anordnung der Teilchen lassen sich dabei verschiedene Aggregatszustände unterscheiden. Durch das sogenannte Stoffteilchenmodell können die winzigen Komponenten vereinfacht dargestellt werden.

Stoffteilchenmodell

In der Literatur findest du meistens drei verschiedene Aggregatszustände: fest, flüssig und gasförmig. Dabei besitzt jeder Zustand gewisse Eigenschaften. Die nachfolgende Grafik soll dabei eine Übersicht zu den wichtigsten Merkmalen verschaffen.

Abbildung 3: Aggregatszustände und Eigenschaften

Je nach Aggregatszustand unterscheiden sich Festkörper und Fluide voneinander. Durch den größeren Teilchenabstand und die geringere Teilchenanziehung bei Flüssigkeiten hängen die Teilchen zwar noch zusammen, können aber verschoben werden. Dadurch besitzen Flüssigkeiten keine feste Form, sondern passen sich ihrer Umgebung bzw. ihrem Behälter an. Bei Gasen wird dieser Teilchenabstand noch größer und die Teilchen sind frei beweglich. So nimmt ein Gas den gesamten Raum ein, was ihm zur Verfügung steht.

Mehr Informationen zu den jeweiligen Aggregatszuständen kannst du in den entsprechenden Kapiteln nachlesen.

Komprimierbarkeit und Dichte

Eine wichtige Eigenschaften von Fluiden ist besonders in der Mechanik relevant: die Komprimierbarkeit. Am einfachsten lässt sich dies anhand eines Beispiels erklären.

Wir betrachten dazu einen mit Wasser gefüllten Behälter. Nun versuchen wir mit einem festen Kolben die Flüssigkeit zusammenzudrücken. Dies wird uns jedoch nicht gelingen. Egal wie viel Kraft wir dafür aufwenden, das Wasser wird sich nicht komprimieren lassen.

Abbildung 4: Wasser im Behälter

Damit weisen Flüssigkeiten die Eigenschaft auf, dass sie inkompressibel sind. Im engen Zusammenhang steht damit die Dichte der Flüssigkeiten.

Wir erinnern uns: die Dichte ist der Quotient aus der Masse und dem Volumen eines Stoffs.

Da wir Flüssigkeiten in der Regel nicht zusammendrücken können, ändert sich damit weder die Masse, noch das Volumen und wir erhalten damit eine konstante Dichte. Sie ist also unveränderlich im Falle der Flüssigkeiten.

In der Strömungsmechanik wird meist zwischen idealen und realen Fluiden unterschieden. Der Einfachheit halber werden in der Schule nur ideale Fluide behandelt, die reibungsfrei und im Falle der Flüssigkeiten inkompressibel sind. Reale Flüssigkeiten lassen sich nämlich unter gewissen Bedingungen trotzdem komprimieren.

Im Gegensatz zu den Flüssigkeiten verhält es sich bei den Gasen anders. Dazu betrachten wir wieder ein Beispiel.

Diesmal stellen wir uns einen geschlossen Behälter vor, in den wir ein Gas wie z.B. Helium eingeleitet haben. Mithilfe eines festen Kolbens versuchen wir wieder das Gas zusammenzudrücken. Im Bild siehst du, dass das Helium nun nicht mehr den gesamten Behälter ausfüllt, sondern nur noch einen Teil und ebenfalls die eingezeichneten Teilchen näher zusammenrücken. Im Gegensatz zum Wasser lässt sich das Helium also komprimieren und damit der eingenommene Raum verkleinern. Vergleichbar ist der Vorgang mit einer Luftpumpe, wie wenn du dein Fahrradreifen aufpumpst.

Abbildung 5: Helium im Behälter

Gase lassen sich zusammengefasst demnach als kompressibel bezeichnen. Durch das Zusammendrücken im Behälter verändert sich der eingenommene Raum (das Volumen) und damit auch die Dichte des Fluids. Sie ist somit bei Gasen veränderlich.

Druck

Bisher haben wir damit bei der Betrachtung der Beispiele nur die reinen Fluide untersucht. In der Mechanik der Flüssigkeiten und Gase spielt dabei eine weitere physikalische Größe eine wichtige Rolle: der sogenannte Druck. Aber was genau ist das und wie hängt dies mit unseren Beispielen zusammen?

Druck Grundlagen

Füllen wir nun das Helium statt in den geschlossenen Behälter von oben in einen Luftballon. In der nachfolgenden Grafik sehen wir den Ballon mit dem Gas gefüllt. Die Vergrößerung zeigt dabei die Teilchen im Inneren. Da sich diese bei Gasen frei bewegen können, prallen sie immer wieder aneinander und auch gegen die Ballonwand. So üben die anstoßenden Teilchen eine Kraft auf die Wand aus. Die gesamte ausgeübte Kraft der Teilchen auf die Balloninnenfläche wird dabei als Druck bezeichnet.

Abbildung 6: Helium im Luftballon

Wird in den Luftballon nun noch mehr Helium gefüllt, so vergrößert sich dieser zunächst aufgrund des dehnbaren Materials des Ballons. Ab einem gewissen Punkt bleibt das Volumen des Luftballons gleich, die Gasmenge wird aber weiterhin vergrößert. So stoßen immer mehr Teilchen an die Balloninnenfläche, was den Druck erhöht. Irgendwann ist dieser Druck zu groß und der Luftballon platzt.

Allgemein lässt sich der Druck physikalisch wie folgt definieren:

Als Druck p wird in der Physik eine Größe bezeichnet, die den Zusammenhang zwischen einer Kraft F und einer Fläche A darstellt. Aus der senkrecht einwirkenden Kraft auf eine Fläche ergibt sich der Druck.

Die Einheit des Drucks ergibt sich aus den Einheiten der Komponenten Kraft [N] und Fläche [m²]. So wird der Druck in Newton pro Quadratmeter angegeben. Dies entspricht der nach dem Physiker Blaise Pascal benannten Einheit Pascal.

Häufig wird in der Literatur zudem auch die Einheit Bar benutzt. Sie ist ein Vielfaches der Einheit Pascal.

Der Druck steigt dabei, wenn die Kraft erhöht wird bei gleichbleibender Fläche oder umgekehrt bei gleichbleibender Kraft und kleinerer Fläche.

Temperaturveränderungen können ebenfalls zu Druckänderungen führen.

Damit weißt du bereits, was genau denn Druck eigentlich ist. Nachfolgend zeigen wir dir noch einige wichtige spezielle Drücke, die uns in der Praxis immer wieder begegnen.

Spezielle Drücke

Einige verschiedene Drücke spielen in der Mechanik eine wichtige Rolle. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine kurze Übersicht mit Beschreibung und wichtigen Größen zur Berechnung.

BezeichnungBeschreibungBeispielBerechnungGrößen
AuflagedruckDer Auflagedruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft des Körpers auf seine Unterlage entsteht.

: Auflagedruck in Pa: Gewichtskraft Körper in N: Auflagefläche in m²
Schweredruck
Der Schweredruck ist der Druck, der aufgrund der eigenen Gewichtskraft des Fluids entsteht.

: Schweredruck in Pa: Dichte Fluid kg/m³: Erdanziehung in m/s²: Höhe Fluidsäule in m
Luftdruck (Schweredruck)Der Luftdruck ist der Druck, der aufgrund der Gewichtskraft der Luft entsteht.

Normluftdruck in Pabei Meereshöhe mit= 15 °C
KolbendruckDer Kolbendruck ist der Druck, der aufgrund des Kolbens entsteht oder der auf den Kolben einwirkt.

: Druck Kolben/Fluid in Pa: Kraft Kolben in N: Fläche Kolben in m²

Möchtest du mehr über diese Druckarten, Anwendungsbeispiele und ihre Berechnung erfahren, so lies einfach im entsprechenden Kapitel nach.

Gemessen werden kann der Druck mithilfe von Druckmessern und sogenannten Manometern. Spezielle Messgeräte, die meist für die Messung des Luftdrucks verwendet werden, sind in der Literatur unter dem Begriff Barometer zu finden. Grundsätzlich werden durch die Geräte Schweredruck und Luftdruck in den Flüssigkeiten und Gasen bestimmt. Wie genau die Druckmessung funktioniert, kannst du im separaten Kapitel Druckmessung nachlesen.

Technische Anwendung: Hydraulik

Ein sehr großer Anwendungsbereich von Flüssigkeiten findet sich in der sogenannten Hydraulik wieder, die bei technischen Maschinen oft zur Kraft- und Energieübertragung genutzt wird. So lassen sich beispielweise Blechteile pressen oder PKWs mit einer Hebebühne anheben. In der Praxis werden zwar noch weitere Vorrichtungen benötigt, aber grundsätzlich basieren sie auf dem Prinzip der hydraulischen Presse. Die nachfolgende Grafik zeigt dabei das vereinfachte Schema der hydraulischen Presse.

Abbildung 7: Vereinfachtes Schema hydraulische Presse

Grundsätzlich ist dabei ein System zweier Kolben miteinander verbunden. Zunächst wird mit der Kraft auf den Kolben gedrückt, wobei dieser den Weg zurücklegt. Das ruft in der Flüssigkeit einen Druck p hervor, der sich anhand der Kraft und der Fläche berechnen lässt.

Dieser Druck wirkt im gesamten Behälter gleichmäßig und übt dadurch eine Kraft auf den zweiten Kolben aus. Mithilfe der Druckformel lässt sich diese ebenfalls berechnen.

Es zeigt sich somit, dass verschiedene Zusammenhänge zwischen den Kolbenkräften und Kolbenflächen bestehen.

Ging dir das Thema hydraulische Presse hier zu schnell? Kein Problem. Im separaten Kapitel dazu findest du weitere Informationen sowie Anwendungsbeispiele und Übungsaufgaben.

Strömungen

Bisher haben wir Flüssigkeiten und Gase in einem ruhenden Zustand betrachtet, wie beispielweise eine ruhende Wassersäule oder etwa die Luft in einem Raum. Sicher ist dir schon aufgefallen, dass unbewegte Fluide in der Praxis nicht so häufig vorkommen. Durchaus häufiger sind strömende Fluide zu begutachten.

Also Strömung wird die Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet.

So bemerken wir die bewegte Luft in Form von Wind und so fließt das Wasser in einem Fluss ebenso wie aus unserem Wasserhahn. In der Lehre der Hydrodynamik und der Aerodynamik werden diese Strömungen der Fluide behandelt.

Die Dynamik der Flüssigkeiten und Gase ist weitaus komplexer in der Betrachtung und Berechnung, weshalb in vielen Fällen vereinfachte Modelle zur Berechnung herangezogen werden. Grundsätzlich werden bei Strömungen zwei große Teilbereiche betrachtet: Innenströmung und Außenströmung.

Abbildung 8: Einteilung Strömungen

Bei den sogenannten Innenströmungen bzw. Durchströmungen handelt es sich um die Bewegung eines Fluids innerhalb eines Gefäßes, wie beispielweise einem Rohr. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die Mechanik bei Außenströmungen mit der Umströmung von Körpern oder Profilen. Ein wichtiger Anwendungsbereich dieses Themengebiets ist die Luftfahrt. So werden hier beispielweise Umströmungen von Tragflügelprofilen untersucht, deren Erkenntnisse für Flugapparate dienen.

Welche Arten von Strömungen es gibt, mit welchen Größen sich diese beschreiben und berechnen lassen, kannst du im separaten Kapitel Strömungen nachlesen.

Auftrieb

Zuletzt betrachten wir noch ein weiteres interessantes Themengebiet bei der Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen: den sogenannten Auftrieb. Sowohl bei ruhenden als auch bei strömenden Fluiden spielt dieser Begriff eine wichtige Rolle. Wir teilen daher diesen Abschnitt des Artikels in die zwei Bereiche des statischen und des dynamischen Auftriebs auf.

Statischer Auftrieb

Du weißt sicher bereits, dass sich die Hydrostatik und die Aerostatik mit ruhenden Flüssigkeiten und Gasen beschäftigt. Wir betrachten daher zunächst ein Beispiel mit einem Aluwürfel und einem flüssigkeitsgefüllten Behälter.

Der kleine Aluwürfel wird mit einem Feder-Kraftmesser verbunden, um die Gewichtskraft zu messen. Danach tauchen wir den Würfel in den wassergefüllten Behälter.

Abbildung 9: Würfel in Wasser

Dadurch können wir folgende zwei Effekt beobachten:

  • Die Höhe des Wasserpegels verändert sich; er steigt an.
  • Die gemessene Kraft ist scheinbar kleiner geworden.

Aber wieso ist die im Beispiel am Feder-Kraftmesser gemessene Kraft kleiner? Der Grund hierfür ist der sogenannte Auftrieb bzw. die Auftriebskraft.

Die Auftriebskraft ist die Kraft, die auf einen im Fluid eingetauchten Körper ausgeübt wird und entgegengesetzt zur Gewichtskraft wirkt.

So sorgt der Auftrieb dafür, dass wir in unserem Beispiel am Kraftmesser eine geringere Kraft messen. Und wie groß ist nun diese neue Auftriebskraft?

Nach dem sogenannten archimedischen Prinzip ist diese wie folgt definiert:

Die wirkende Auftriebskraft auf einen in Fluid eingetauchten Körper ist gleich der Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Fluids. (Archimedisches Prinzip)

Physikalisch ausgedrückt:

Das archimedische Prinzip ist benannt nach seinem Entdecker Archimedes von Syrakus.

Wie sich diese Gewichtskraft des verdrängten Fluids berechnen lässt, erfährst du im entsprechenden Kapitel Auftrieb.

Je nach Größe der Gewichtskraft und der Auftriebskraft entscheidet sich, ob der Körper in einem Fluid schwebt, schwimmt, steigt oder sinkt. Die nachfolgende Grafik zeigt dabei einen kurzen Überblick der genannten Möglichkeiten. Nähere Informationen kannst du im separaten Artikel nachlesen.

Abbildung 10: Verhältnis Auftriebskraft und Gewichtskraft

Dynamischer Auftrieb

Auch bei strömenden Fluiden existiert der Effekt des Auftriebs. Dieser wird im Themengebiet der Hydrodynamik bzw. Aerodynamik als dynamischer Auftrieb bezeichnet. Er entsteht durch das Zusammenspiel mehrerer physikalischer Effekte. Am besten lässt sich dies anhand eines Beispiels zeigen.

Die Abbildung zeigt dabei schematisch den Auftrieb bei einem Tragflügelprofil. Vereinfacht gesagt teilt sich die Strömung am vorderen Punkt des Profils in eine obere und eine untere Strömung auf. Dadurch entsteht eine unsymmetrische Strömung, die eine ungleichmäßige Druckverteilung und damit eine Querkraft (die Auftriebskraft) hervorruft.

Abbildung 11: Auftrieb am Tragflügel

Wie groß mdie erzeugte Auftriebskraft ist hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Form des Profils, des Winkels zur Strömung und der Geschwindigkeit der Strömung. Aber nicht nur bei der Flugmechanik spielt der dynamische Auftrieb eine Rolle und er ist ebenfalls nicht immer gewünscht. Ingenieure nutzen beispielweise bei Rennautos gezielt Bauteile, die den Auftrieb während der Fahrt verringern und so eine bessere Fahrstabilität gewährleisten.

Weitere interessante Beispiele zu diesem Themengebiet findest du in den entsprechenden Kapiteln.

So, geschafft! Damit haben wir alle relevanten Grundlagen zu Flüssigkeiten und Gasen sowie ihren Anwendungsgebieten kennengelernt. Möchtest du noch mehr über die Teilbereiche wissen, so kannst du diese auf StudySmarter nachlesen. Ebenfalls zu empfehlen sind die zugehörigen Karteikarten.

Flüssigkeiten und Gase - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Flüssigkeiten und Gase (sogenannte Fluide) werden in der Fluidmechanik als Teil der Mechanik behandelt.
  • Die Fluidmechanik teilt sich nach Bewegungszustandder Fluide auf in:
    • Hydro- und Aerostatik (ruhendes Fluid)
    • Hydro- und Aerodynamik (strömendes Fluid)
  • Die Hydromechanik behandelt Flüssigkeiten, während sich die Aeromechanik mit Gasen beschäftigt.
  • Anhand des Stoffteilchenmodells lassen sich Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen leicht erklären.
  • Flüssigkeiten lassen sich in der Regel (fast) nicht zusammendrücken, sind daher inkompressibel und besitzen eine konstante Dichte.
  • Gase sind kompressibel und haben damit eine veränderliche Dichte.
  • Als Druck wird eine Größe bezeichnet, die sich aus einer senkrecht einwirkenden Kraft auf eine Fläche ergibt.
  • Die Einheit des Drucks ist Pascal und wird auch oft in der Einheit Barals Vielfaches der Einheit Pascal angegeben:
    • 1 Pa = 1 N/m²
    • 1 bar = 100.000 Pa
  • In der Praxis spielen häufig spezielle Druckarten eine Rolle, wie beispielweise Auflagedruck, Schweredruck, Luftdruck und Kolbendruck.
  • Das Prinzip der hydraulischen Presse nutzt Flüssigkeiten zur Kraft- und Energieübertragung in Maschinen.
  • Als strömende Fluide werden Flüssigkeiten und Gase bezeichnet, die sich in Bewegung befinden.
  • Strömungen werden in Fluiddynamik eingeteilt in Innen- und Außenströmungen.
  • Der statische Auftrieb wird auf einen im Fluid eingetauchten Körper ausgeübt.
  • Nach dem Archimedischen Prinzip ist die einwirkende Auftriebskraft auf den eingetauchten Körper gleich der Gewichtskraft des vom Körper verdrängten Fluids.
  • Je nach Verhältnis von Gewichtskraft und Auftriebskraft kann ein Körper im Fluid schweben, schwimmen, sinken oder steigen.
  • Der dynamische Auftrieb bei Tragflügeln entsteht durch eine unsymmetrische Strömung und die damit verbundene unsymmetrische Druckverteilung.

Finales Flüssigkeiten und Gase Quiz

Flüssigkeiten und Gase Quiz - Teste dein Wissen

Frage

Erkläre, in welche Richtung die Auftriebskraft wirkt.

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Antwort

Die Auftriebskraft ist eine nach oben gerichtete Kraft, die entgegen der Schwerkraft wirkt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Entdeckung, die Archimedes angeblich machte als er in ein randvoll gefülltes Bad stieg.

Antwort anzeigen

Antwort

Archimedes entdeckte, dass das verdrängte Volumen an Wasser dem Volumen seines Körpers glich. Daraus folgerte er, dass das verdrängte Volumen immer gleich dem Volumen des verdrängenden Körpers ist.

Frage anzeigen

Frage

Gib die Formel der statischen Auftriebskraft wieder.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Formel lautet: 


\[ F_A=\rho_M \cdot V_K \cdot g \]


\(\rho_M: \) Dichte des Mediums

\(V_K: \) Volumen des Körpers

\(g: \) Fallbeschleunigung

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was der dynamische Auftrieb ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Der dynamische Auftrieb ist der Auftrieb, der auf Körper wirkt, die von Fluiden umströmt werden. Das gilt beispielsweise für die Flügel eines Flugzeugs.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was der statische Auftrieb ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Der statische Auftrieb wirkt auf Körper, die in ein ruhendes Fluid eintreten oder sich bereits darin befinden. Ein klassisches Beispiel dafür sind Schiffe.

Frage anzeigen

Frage

Entscheide, von welcher physikalischen Größe, das verdrängte Volumen des Mediums abhängt.

Antwort anzeigen

Antwort

Volumen des eintretenden Körpers.

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Frage

Stell Dir vor, Du hast zwei gleich schwere Kugeln vor Dir. Beide Kugeln legst Du nacheinander in einer Schüssel voller Wasser. Dabei misst Du jeweils den Wasserstand mit den Kugeln im Wasser.


Bei einer der beiden Kugeln steigt der Wasserstand weiter an, als bei der anderen. Erkläre, was das über die Dichte der Kugeln aussagt.

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Antwort

Die Kugel, die den Wasserstand weniger ansteigen lässt, besitzt eine höhere Dichte. Die Masse der Kugel ist also auf ein kleines Volumen verteilt.

Bei der anderen Kugel ist das Gegenteil der Fall. Im Vergleich zur anderen Kugel ist weniger Masse auf ein größeres Volumen verteilt.

Frage anzeigen

Frage

Eine Kugel mit einem Volumen von \(V=0,03 m^3\) wird in einen Behälter, gefüllt mit Wasser 

(Dichte: \(\rho_W=997 \frac{kg}{m^3}\) ) gelegt. 

Die Fallbeschleunigung beträgt \(g=9,81 \frac{m}{s^2}\)

Berechne die Auftriebskraft \(F_A\).

 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Auftriebskraft beträgt \(F_A=293,42N\).

Frage anzeigen

Frage

Benenne die Art der Auftriebskraft, die auf von einem Fluid umströmten Körper, wirkt.

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Antwort

Dynamische Auftriebskraft

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Frage

Was bezeichnet das Phänomen Kavitation?

Antwort anzeigen

Antwort

Kavitation bezeichnet das Phänomen, bei dem durch Druckschwankungen in einer Flüssigkeit Blasen oder Hohlräume entstehen, die schlagartig kollabieren und dabei eine Schockwelle erzeugen. Dies kann erheblichen Schaden an Maschinen und Materialien verursachen.

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Frage

Wie entsteht Kavitation und welche Rolle spielt dabei der Druck?

Antwort anzeigen

Antwort

Kavitation entsteht, wenn der Druck in einer Flüssigkeit auf einen Wert fällt, der unterhalb des Sättigungsdampfdrucks der Flüssigkeit liegt. Das führt dazu, dass sich Dampfblasen in der Flüssigkeit bilden. Wenn der Druck dann wieder ansteigt, kollabieren die Dampfblasen plötzlich und erzeugen dabei eine Schockwelle.

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Frage

Was ist Kavitation und wie tritt es in Pumpen auf?

Antwort anzeigen

Antwort

Kavitation tritt auf, wenn der Druck des Fluids im Pumpeninneren unter den Dampfdruck sinkt und Dampfblasen bildet. Bei einer plötzlichen Druckerhöhung kollabieren diese Blasen und setzen Schockwellen frei, die die Pumpen beschädigen können.

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Frage

Was sind die Auswirkungen von Kavitation auf Schiffsschrauben und wie tritt es auf?

Antwort anzeigen

Antwort

Kavitation tritt bei Schiffsschrauben auf, wenn der Druck des Wassers um die Schraubenblätter fällt und unter dem Dampfdruck sinkt. Es führt zur Bildung von Dampfblasen, die bei Druckerhöhung kollabieren und Schockwellen erzeugen, die die Schiffsschrauben beschädigen können. Die Auswirkungen sind unter anderem Beschädigung der Schrauben, verminderte Effizienz und Vibrationen.

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Frage

Was sind die Auswirkungen der Kavitation in der Technik und Wissenschaft?

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Antwort

Kavitation kann starke lokale Druck- und Temperaturschwankungen erzeugen, die chemische und physikalische Veränderungen in Materialien bewirken können. Sie wird in Industrie und Wissenschaft genutzt, etwa zur Reinigung und Sterilisierung von Materialien, im Abbau organischer Verbindungen, in der Medizin, den Materialwissenschaften und der chemischen Synthese.

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Frage

Was ist der Prozess der Kavitation durch Ultraschall?

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Antwort

Kavitation durch Ultraschall ist ein Prozess, bei dem Druckschwankungen in einer Flüssigkeit durch Ultraschallwellen zur Bildung kleiner Dampfblasen führen. Diese Blasen kollabieren bei anschließend erhöhtem Druck und erzeugen dabei lokale extreme Temperaturen und Drücke.

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Frage

Was ist Kavitation und wie entsteht sie?

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Antwort

Kavitation bezeichnet das plötzliche Entstehen und anschließende Kollabieren von Dampfbläschen in einer Flüssigkeit, die durch schnelle Druckveränderungen hervorgerufen werden. Dieses Phänomen tritt auf, wenn der Druck in der Flüssigkeit auf einen Wert unter den Dampfdruck fällt, bei dem die Flüssigkeit zu kochen beginnt.

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Frage

Was sind die Folgen von Kavitation?

Antwort anzeigen

Antwort

Kavitation kann durch die entstehenden Schockwellen, sowie hohen Drücken und Temperaturen in technischen Anwendungen Schäden verursachen. Diese können Materialabtrag von Metalloberflächen bewirken und die strukturelle Integrität sowie Leistung von Geräten und Maschinen beeinträchtigen. Allerdings gibt es auch gezielte Anwendungen der Kavitation.

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Frage

Was sind die Auswirkungen und Ursachen von Kavitation in Pumpen?

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Antwort

Kavitation kann in Pumpen sowohl die Effizienz verbessern, indem sie den Flüssigkeitsfluss glättet und die Reibung reduziert, als auch die Leistung mindern und physische Schäden verursachen, durch Schockwellen und Erosion durch das Kollabieren von Kavitationsblasen. Eine häufige Ursache ist eine zu hohe Saughöhe, die den Druck im Pumpeneinlauf unter den Dampfdruck der Flüssigkeit senkt.

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Frage

Wie tritt Kavitation bei Schiffsschrauben auf und welche Folgen hat sie?

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Antwort

Kavitation entsteht bei Schiffsschrauben durch Druckabfälle unter den Dampfdruck der umgebenden Flüssigkeit. Hierbei entstehen Kavitationsblasen, die bei Kollaps Schockwellen und hohe Temperaturen erzeugen, was zu Materialabtrag führen kann (Kavitationserosion). Kavitation verschlechtert außerdem die Schraubenleistung und erhöht den Geräuschpegel und die Vibration des Schiffes.

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Frage

Was ist die Reynoldszahl und wie wird sie berechnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu Viskositätskräften angibt und das Verhalten von Strömungen beschreibt. Sie wird berechnet mit der Formel Re = (Dichte der Flüssigkeit * Geschwindigkeit der Flüssigkeit * charakteristische Länge) / dynamische Viskosität der Flüssigkeit.

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Frage

Was ist der Unterschied zwischen laminarer Strömung und Turbulenz?

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Antwort

Laminare Strömungen sind geordnete Bewegungen, bei denen das Fluid in parallelen Schichten fließt. Turbulenzen hingegen sind durch unregelmäßige Schwankungen und Wirbel gekennzeichnet. Der Punkt, an dem die Strömung von laminar zu turbulent wechselt, wird als kritische Reynolds-Zahl bezeichnet.

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Frage

Was kennzeichnet die Reynoldszahl in der Fluidmechanik?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Reynoldszahl kennzeichnet das Verhältnis von Trägheits- zu Viskositätskräften in einem Fluid und ist entscheidend beim Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung.

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Frage

Was ist die Besonderheit der Einheit der Reynoldszahl?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Zahl, was bedeutet, dass sie universell anwendbar ist und ein effektives Werkzeug zur Analyse und Modellierung von Strömungsphänomenen darstellt.

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Frage

Welche vier Parameter sind notwendig zur Berechnung der Reynoldszahl?

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Antwort

Die vier notwendigen Parameter zur Berechnung der Reynoldszahl sind: die Dichte und die dynamische Viskosität des Fluids, die Geschwindigkeit der Strömung und die charakteristische Länge.

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Frage

Was stellen die Variablen in der Reynoldszahl Formel Re = ρuL/μ dar?

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Antwort

ρ steht für die Dichte, u repräsentiert die Geschwindigkeit der Strömung, L ist die charakteristische Länge und μ repräsentiert die dynamische Viskosität des Fluids.

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Frage

Was ist die Viskosität und welchen Einfluss hat sie auf die Reynoldszahl und die Strömung eines Fluids?

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Antwort

Die Viskosität ist ein Mass für den Widerstand eines Fluids gegen Scherkräfte. Sie ist ein wesentlicher Faktor zur Berechnung der Reynoldszahl. Eine höhere Viskosität führt zu einer geringeren Reynoldszahl und fördert eine laminare Strömungsdynamik. Bei Nicht-Newton'schen Fluiden wie Ketchup variiert die Viskosität je nach Anwendung von Scherkräften.

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Frage

Was ist die Reynoldszahl und welche Rolle spielt sie in der Strömungsmechanik?

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Antwort

Die Reynoldszahl ist ein dimensionsloses Maß in der Strömungsmechanik. Sie liefert wichtige Erkenntnisse zur Strömungsdynamik und hilft dabei, zu bestimmen, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist. Zudem wird sie genutzt, um das Verhalten von Fluiden um sich bewegende Objekte, wie zum Beispiel ein Schiffsrumpf oder ein Flugzeug, zu verstehen und zu simulieren.

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Frage

Wie wird die Reynoldszahl in der Wasserwirtschaft angewandt?

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Antwort

Die Reynoldszahl hilft bei der Einschätzung des allgemeinen Strömungsverhaltens in Rohrsystemen in der Wasserwirtschaft. Eine niedrige Reynoldszahl deutet auf eine laminare Strömung hin, eine hohe auf turbulente Fließbedingungen. Turbulenzen können u.a. auf Probleme wie Erosion, Kavitation oder Lärm hinweisen.

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Frage

Wie wird die Reynoldszahl in der Luft- und Raumfahrttechnik genutzt?

Antwort anzeigen

Antwort

In der Luft- und Raumfahrttechnik dient die Reynoldszahl zur Charakterisierung der Strömungsverhältnisse um Flugzeuge und Raketen. Je höher die Reynoldszahl, desto wahrscheinlicher ist eine turbulente Strömung, die zu höherem Widerstand und ineffizienterem Flug führen kann.

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Entscheide, von welcher physikalischen Größe, das verdrängte Volumen des Mediums abhängt.

Was bezeichnet das Phänomen Kavitation?

Wie entsteht Kavitation und welche Rolle spielt dabei der Druck?

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Karteikarten in Flüssigkeiten und Gase29

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Erkläre, in welche Richtung die Auftriebskraft wirkt.

Die Auftriebskraft ist eine nach oben gerichtete Kraft, die entgegen der Schwerkraft wirkt.

Nenne die Entdeckung, die Archimedes angeblich machte als er in ein randvoll gefülltes Bad stieg.

Archimedes entdeckte, dass das verdrängte Volumen an Wasser dem Volumen seines Körpers glich. Daraus folgerte er, dass das verdrängte Volumen immer gleich dem Volumen des verdrängenden Körpers ist.

Gib die Formel der statischen Auftriebskraft wieder.

Die Formel lautet: 


\[ F_A=\rho_M \cdot V_K \cdot g \]


\(\rho_M: \) Dichte des Mediums

\(V_K: \) Volumen des Körpers

\(g: \) Fallbeschleunigung

Erkläre, was der dynamische Auftrieb ist.

Der dynamische Auftrieb ist der Auftrieb, der auf Körper wirkt, die von Fluiden umströmt werden. Das gilt beispielsweise für die Flügel eines Flugzeugs.

Erkläre, was der statische Auftrieb ist.

Der statische Auftrieb wirkt auf Körper, die in ein ruhendes Fluid eintreten oder sich bereits darin befinden. Ein klassisches Beispiel dafür sind Schiffe.

Entscheide, von welcher physikalischen Größe, das verdrängte Volumen des Mediums abhängt.

Volumen des eintretenden Körpers.

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