Der Luftdruck

Magdeburger Halbkugel Foto: Ulrich Arendt

Luft ist ein Gasgemisch und durch die Luftsäule wird statischer Druck (Luftdruck) erzeugt. Luft hat eine innere (kinetische) Energie weil Luftmoleküle (Masse) in Bewegung sind. In Bewegung befindliche Gasteilchen stoßen aneinander, können aber auch auf Körperoberflächen, wie z.B. auf eine Hohlkugel oder auf einen Flügel einwirken.

1 m³ Luft hat in Bodennähe ein Gewicht von ca. 1,3 kg. Noch beeindruckender ist der Druck den die Luftsäule über uns bei 1000 hPa erzeugt: ~10 Tonnen/m² lasten auf der Erdoberfläche und jeden m² unseres Körpers. Bei diesem hohen Druck, den wir nicht wahrnehmen (weil er auch von innen dagegen wirkt), können schon geringste Luftdruckschwankungen enorme Kräfte bewirken.

Im Wettergeschehen werden unvorstellbare Kräfte frei, selbst geringste Druckunterschiede können mit Instrumenten angezeigt werden, kleine Saugnäpfe halten erstaunliche Lasten, enorme Gewichte schweben auf Luftkissen usw. Das hohe Energiepotential des Luftdrucks entzaubert das Phänomen Fliegen weil bereits kleinste Druckunterschiede auf entsprechenden Flächen hohe Kräfte bewirken können.

Wenn man sagt „etwas wird angesaugt“ dann meint man, dass der Unterdruck (Sog) zieht. Luftdruck kann aber nur drücken - nicht ziehen. Der gegenüber liegende höhere Druck arbeitet gegen den niederen Druck, das Resultierende bestimmt Richtung und Kraft. Viele Darstellungen die den Sog über dem Flügelprofil mit Kraftpfeilen vom Profilrücken ausgehend zeigen, sind somit physikalisch nicht korrekt. Auch im Unterdruck herrscht Luftdruck, nur eben weniger. Unterdruck ist noch lange kein Vakuum. Somit hat das Wort Vakuum in unserm Themenbereich nichts verloren, auch wenn es umgangssprachlich all zu häufig gebraucht wird.

In der Pneumatik ist das wohl bekannt, in der Vergasertechnik ebenfalls weshalb für eine hohe Kolbenfüllung bei 4-Taktern mit Turbos oder Kompressoren nachgeholfen wird – "saugen" allein, also der mit geringer Trägheit behaftete nachschießende Umgebungsluftdruck schafft keine 100%ige Kolbenfüllung. In diesem Sinne wird der Schmutz nicht in den Staubsauger gezogen sondern der Staubsauger erzeugt einen Unterdruck, die nachschießende Umgebungsluft "reißt" den Schmutz mit sich.

Die Geschwindigkeit wenn sich Druckunterschiede ausgleichen (Druckausgleich = Strömung) darf nicht mit der Schallgeschwindigkeit (Wellenausbreitung) verwechselt werden. Während die Schallgeschwindigkeit die Ausbreitung von Schallwellen bemaßt so ist die Geschwindigkeit beim Druckausgleich unvergleichlich geringer. Druchausgleich ist Massenverschiebung von Luft (kinematische Bewegung).

Die Druckausgleichs-Geschwindigkeit hängt von der eingebrachten Energie auf die Luft ab, die durch Trägheit, Viskosität und Widerstand gebremst wird. Während die Schallgeschwindigkeit ca. 343 m/s beträgt, kann ein Druckausgleich einige m/s bis maximal einige 10 m/s (je nach Auslöse- und Umgebungsbedingungen) betragen. Das ist relevant wenn es um den Druckausgleich geht der durch die Einwirkung eines sich bewegenden Flügels verursacht wird.