Druck

Wenn Sie einen gefüllten Luftballon platzen lassen wollen, müssen Sie ein Loch in die Hülle machen. Wenn sie dafür die Wahl zwischen einer Nadel und Ihrem Zeigefinger haben, werden sie wohl zu der Nadel greifen. Deren Spitze hat so wenig Fläche, dass Sie keinen nennenswerten Druck aufbringen müssen, um die Hülle zu durchstoßen. Wenn Sie Ihre Fingerspitze verwenden, müssen Sie schon richtig Kraft aufwenden, um das gleiche Resultat zu erreichen.

Sie haben gerade schon fast alle Begriffe gelesen, die sie für dieses Kapitel benötigen: Druck, Kraft und Fläche. Schreibe ich nun noch das Wort senkrecht, haben sie alles zusammen, um das physikalische Gesetz für den Druck benennen zu können.

Druck ist die Kraft, die (senkrecht) auf eine Fläche wirkt.

Der Umgebungsdruck

An der Oberfläche wird er durch das Gewicht der Luft, von der wir umgeben sind, erzeugt. Auf Meereshöhe erreicht er ca. 1 kg/cm2. Die Einheit kg/cm2 wird auch „bar” genannt. Um dieses eine bar Druck aufzubauen, braucht es ca. 10 km Luft über uns.

Würde das Gewicht dieser Luftsäule nur auf unseren Schultern und dem Kopf ruhen, hätte ein Erwachsener ca. 85 kg zusätzlich mit sich herumzutragen. Da wir aber von allen Seiten mit Luft und somit von einem bar umgeben sind, spüren wir keine Last.

Im Wasser genügen bereits 10 m Wassersäule, um 1 bar Druck zu erzeugen! Da die Druckzunahme linear verläuft, lässt sich der Druck für jede beliebige Tiefe ganz einfach berechnen. Das eine bar der Luftsäule wird immer dazu addiert:

0 m = 1 bar (Luft)
10 m = 2 bar (Luft + Wasser)
15 m = 2,5 bar (Luft + Wasser)
20 m = 3 bar (Luft + Wasser)
30 m = 4 bar (Luft + Wasser)
usw.

Der Partialdruck (Teildruck)

Dieser betrifft jeden Anteil eines Gasgemisches, also auch die Luft, die wir atmen. Kurz zur Erinnerung:

Stickstoff: 78 Vol%
Sauerstoff: 21 Vol%
Andere Gase: 1 Vol%

Diese drei Komponenten teilen sich den sie umgebenden Druck entsprechend Ihrer Volumen-Prozent-Anteile auf.

Durch einfache Multiplikation mit dem Umgebungsdruck kann man den Partialdruck eines jeden Gases im Gemisch berechnen. In 10 m Wassertiefe herrschen 2 bar Druck. Das ergibt für unser Atemluft:

Stickstoff: 2 x 0,78 = 1,56 bar
Sauerstoff: 2 x 0,21 = 0,42 bar
Andere Gase: 2 x 0.01 = 0,02 bar

Am interessantesten für uns Schnorchler sind die ersten 10 m. Hier verdoppelt sich der Druck auf dem Weg nach unten bzw. halbiert sich auf dem Rückweg zur Oberfläche.

Druck, Volumen und Dichte

Diese drei Komponenten stehen in unmittelbarem Bezug zueinander. Ich erkläre das Zusammenspiel anhand eines Schwamms.

Ein Schwamm besitzt ein Volumen, dass sich durch die Substanz und die darin befindlichen luftgefüllten Hohlräume ergibt. Wenn Sie ihn in die Hand nehmen und zusammendrücken, wird er kleiner, d. h. sein Volumen nimmt ab, da die Wände der Hohlräume dichter zusammenrücken. Reduzieren Sie den Druck, dehnt sich der Schwamm wieder aus, bis er seine ursprüngliche Form (Volumen) wiedererlangt hat.

Stellen Sie sich nun einen geschlossenen, flexiblen Behälter vor, z. B. einen luftgefüllten Ballon. Wenn Sie diesen mit unter Wasser nehmen, macht der Wasserdruck das Gleiche, was Sie vorher mit Ihrer Hand beim Schwamm gemacht haben, er drückt den Ballon zusammen. Dadurch wird der Ballon kleiner und sein Volumen nimmt ab. Die Berechnung ist wieder recht einfach:

2-facher Druck = ½ Volumen
3-facher Druck = ⅓ Volumen
usw.

Da der Ballon verschlossen ist, bleibt die Menge Luft jedoch dieselbe. Sie wird lediglich auf weniger Raum zusammengepresst, was bedeutet, sie wird dichter. Der Druck im Inneren des Ballons entspricht immer dem der Umgebung. Die Dichte kann wie folgt berechnet werden:

2-facher Druck = 2-fache Dichte
3-facher Druck = 3-fache Dichte
usw.

Wenn wir nun alles für einen Schnorchler, der abtaucht, zusammenführen, wird es spannend.