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Flüssigkeiten und Gase

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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.

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.
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