10. – 13. Schuljahr

Nachweis und Abschätzen des Luftdrucks (II)

von Klaus Liebers
Versuch Sek. I/II Schüler
Zeit: ca. 45 min
Material
  • Plastikschlauch (Länge etwa 12 m, Innendurchmesser etwa 6 mm)
  • größere Schüssel (besser kleinere Wanne)
  • Lebensmittelfarbe
  • 2 Stöpsel, 2 Quetschhähne, 1 kleine Schraubzwinge
  • Vakuumpumpe (Handpumpe oder elektrische Pumpe)
  • Glaskugel mit Hahn
  • Bindfaden (etwa 12 m)
Aufbau
Man füllt den Schlauch ohne Einschluss von Luftblasen mit gefärbtem Wasser. Dazu taucht man ein Ende in eine Schüssel mit Wasser und hält es dort fest. Der Schlauch wird dann Stück für Stück so langsam unter Wasser gedrückt, dass durch das eingetauchte Ende Wasser blasenfrei in den Schlauch fließt. Zum Schluss wird das Ende angestellt, dadurch entweicht die restliche Luft. Beide Schlauchenden werden nun unter Wasser mit Stöpseln und Quetschhähnen luftdicht verschlossen, ein Ende zusätzlich mit einer Schraubzwinge.
Durchführung
Die Wanne mit Wasser und Schlauch stellt man unter ein Fenster in mindestens 10 m Höhe. Der Bindfaden wird herabgelassen, am Schlauchende mit der Schraubzwinge befestigt und hochgezogen, das untere Schlauchende wird dabei unter Wasser festgehalten. In der Schüssel sollte sich genügend Wasser befinden. Nun wird unter Wasser das untere Schlauchende geöffnet und dort fixiert (s. Abb. 1).
Variante 1
Man nimmt einen längeren Schlauch und befestigt am oberen Ende zwei Bindfäden. Mit dem zweiten Bindfaden kann man den Schlauch anschließend noch schräg halten (s. Abb. 1 rechts). Noch besser ist es, wenn man mit zwei Schläuchen arbeiten kann.
Variante 2
Der Schlauch wird oben an eine Vakuumpumpe angeschlossen, unten ruht er fixiert in einer Wassersschüssel (s. Abb. 2 links). Befinden sich vom vorangegangenen Experiment noch Wasserreste im Schlauch, sollte einer Handpumpe der Vorzug gegeben werden.
Variante 3
Man evakuiert eine Glaskugel mit Hahnverschluss, schließt den Hahn und verbindet den Kolben oben mit dem Schlauch. Das untere Ende taucht wiederum in eine Wasserschüssel ein (s. Abb. 2 rechts).
Beobachtung
Das Wasser sinkt ab, läuft aber nicht komplett aus, sondern bleibt auf einer bestimmten Höhe stehen. (Da die Höhe in Schläuchen nicht allein vom Luftdruck, sondern auch von deren Durchmessern abhängt, bleibt das Wasser meist bei etwa 9,5 m stehen.)
  • Variante 1: Die Wassersäule im Schlauch wird länger. Gegenüber dem Ausgangsversuch bleibt deren Höhe über dem Erdboden jedoch gleich.
  • Varianten 2 und 3: Das Wasser beginnt aufzusteigen, sobald die Pumpe arbeitet bzw. die Glaskugel geöffnet wird. Schließlich bleiben die Wassersäulen in einer bestimmten Höhe stehen. Befindet sich an der Glaskugel ein zweiter Hahn, kann man durch diesen Luft einlassen und die Wassersäule sinkt wieder ab.
Auswertung
  • Die Wassersäule im Schlauch sinkt ab, bis die Gewichtskraft des Wassers und die Kraft des Luftdrucks im Gleichgewicht sind.
  • Aus der Dichte des Wassers, dem Querschnitt und der Höhe der Wassersäule kann der Luftdruck nur grob abgeschätzt werden. (Eine genaue Bestimmung ist mithilfe des Experiments in [1] möglich.)
  • Variante 1: Der Schweredruck des Wassers hängt von der Höhe (nicht Länge) der Wassersäule ab (hydrostatischen Paradoxon).
  • Varianten 2 und 3: Die Höhe der Wassersäule hängt von der Güte des im Schlauch erzeugten Vakuums ab.
  • Weiterführende Fragen: Wie weit würde die Flüssigkeitssäule absinken/aufsteigen, wenn sich im Schlauch statt Wasser Quecksilber oder Öl befindet? In welcher Höhe bliebe Quecksilber stehen?
  • Literatur
[1]Liebers, Klaus: Nachweis und Messung des Luftdrucks (I).In: NiU Physik 28 (2017), Nr. 161, S. 49 – 50.
[2]Liebers, Klaus: Das Wunder Vakuum. Experimente, die Geschichte schrieben. Berlin epubli 2016. ISBN 978-3-7375-9188-1 (Bilder 6 und 7).
[3]Liebers, Klaus: Otto von Guericke und das Abenteuer Vakuum. Berlin: epubli, 2017 (2., verbess. und erw. Aufl.), Bild 10.

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