Luftdruck
Der Luftdruck entsteht durch das Gewicht der Luftsäule der Erdatmosphäre, die auf jede Fläche drückt. In dieser Lektion lernst du die Formel p ist gleich F durch A, erfährst, warum der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, und rechnest Beispiele zu Saugnäpfen, Wetterkarten und dem Luftdruck auf einem Berggipfel.
- Fach: Physik
- Klasse 7
- Thema: Mechanik
- Dauer: 15 Min
- Niveau: Mittel
Was ist Luftdruck?
Luftdruck ist der Druck, den die Luft der Erdatmosphäre auf jede Fläche ausübt, weil die gesamte darüberliegende Luftsäule ein Gewicht besitzt. Auf Meereshöhe beträgt der mittlere Luftdruck etwa 1013 Hektopascal, das entspricht ungefähr dem Gewicht von einem Kilogramm auf jedem Quadratzentimeter.
Obwohl wir den Luftdruck im Alltag kaum spüren, wirkt er ständig von allen Seiten auf unseren Körper, weil sich der Druck im Inneren des Körpers dem Außendruck angleicht. Erst bei schnellen Höhenänderungen, etwa beim Start eines Flugzeugs, merkt man den Druckunterschied als Druckgefühl in den Ohren.
Gemessen wird der Luftdruck mit einem Barometer, das die Kraft der Luft auf eine kleine Fläche in eine ablesbare Anzeige umwandelt. Die Wettervorhersage nutzt den Luftdruck als wichtige Größe, denn Tiefdruckgebiete bringen meist unbeständiges Wetter, während Hochdruckgebiete meist für klaren Himmel sorgen.
Die Formel für den Druck
Der Druck p ist allgemein definiert als die Kraft F geteilt durch die Fläche A, auf die diese Kraft wirkt. Die Formel lautet p ist gleich F durch A, dabei wird der Druck in der Einheit Pascal angegeben, wobei 1 Pascal gleich 1 Newton pro Quadratmeter ist.
Da Pascal für Alltagsdrücke eine sehr kleine Einheit ist, wird häufig mit dem Hektopascal gerechnet, wobei 1 Hektopascal gleich 100 Pascal ist. Der Luftdruck auf Meereshöhe von etwa 1013 Hektopascal entspricht also 101300 Pascal.
Beim Luftdruck ist die wirkende Kraft das Gewicht der über der Fläche liegenden Luftsäule. Je größer die Fläche ist, auf die eine bestimmte Kraft verteilt wird, desto kleiner wird der Druck, und umgekehrt führt eine kleine Fläche bei gleicher Kraft zu einem größeren Druck.
- p
- Druck in Pascal
- F
- wirkende Kraft in Newton
- A
- Fläche in Quadratmetern
| Situation | Luftdruck | Bemerkung |
|---|---|---|
| Normalluftdruck Meereshöhe | 1013 hPa | mittlerer Wert weltweit |
| Hochdruckgebiet | 1030 hPa | meist klares Wetter |
| Sturmtief | 970 hPa | meist Wind und Regen |
| Gipfel Zugspitze (2962 m) | 700 hPa | deutlich geringer als im Tal |
Wie der Luftdruck mit der Höhe abnimmt
Mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel nimmt der Luftdruck ab, weil dort weniger Luft übereinanderliegt und die darüberliegende Luftsäule leichter wird. Auf dem Gipfel der Zugspitze in knapp 3000 Meter Höhe herrscht deshalb nur noch ein Luftdruck von etwa 700 Hektopascal, deutlich weniger als im Tal.
Diese Abnahme ist nicht gleichmäßig, sondern in den unteren Luftschichten stärker als in großer Höhe, weil die Luft in Bodennähe dichter ist und stärker zusammengedrückt wird. Bergsteiger und Piloten müssen diese Druckabnahme kennen, denn ab einer bestimmten Höhe wird die Luft so dünn, dass zusätzlicher Sauerstoff benötigt wird.
Beispiel 1: Kraft eines Saugnapfs
Ein Saugnapf mit einer Fläche von 20 cm² soll an einer glatten Wand haften. Der Luftdruck beträgt 1000 hPa. Welche Kraft drückt den Saugnapf gegen die Wand, wenn hinter dem Saugnapf ein Vakuum herrscht?
Gegeben:
- A20 cm²0,002 m²
- p1000 hPa100000 Pa
Gesucht:
FLösung:
- Fp · A
- F100000 Pa · 0,002 m²
- F200 N
Der Luftdruck drückt den Saugnapf mit einer Kraft von 200 Newton gegen die Wand. Das entspricht ungefähr der Gewichtskraft eines 20 Kilogramm schweren Gegenstands, weshalb ein guter Saugnapf tatsächlich schwere Lasten tragen kann.
Beispiel 2: Fläche aus gegebenem Druck und Kraft berechnen
Eine Person mit einer Gewichtskraft von 700 N steht mit ihren Schuhen auf einer Gesamtfläche von 0,035 m² im Schnee. Welcher Druck entsteht, und wie groß müsste die Fläche von Schneeschuhen sein, damit der Druck höchstens 4000 Pa beträgt?
Gegeben:
- F700 N
- A₁0,035 m²
- gewünschter Druck p₂4000 Pa
Gesucht:
p₁ und A₂Lösung:
- p₁FA₁700 N0,035 m²
- p₁20000 Pa
- A₂Fp₂700 N4000 Pa
- A₂0,175 m²
Ohne Schneeschuhe entsteht ein Druck von 20000 Pascal, mit Schneeschuhen von mindestens 0,175 Quadratmetern Fläche sinkt der Druck auf höchstens 4000 Pascal. Die größere Fläche verteilt dieselbe Gewichtskraft, deshalb sinkt man im Schnee weniger tief ein.
Typische Fehler beim Luftdruck
Ein häufiger Fehler ist, die Fläche in Quadratzentimetern statt in Quadratmetern in die Formel p ist gleich F durch A einzusetzen, ohne vorher umzurechnen. Da 1 Quadratmeter 10000 Quadratzentimetern entspricht, führt eine vergessene Umrechnung zu einem Ergebnis, das um den Faktor 10000 falsch ist.
Ein zweiter Fehler ist die Verwechslung von Pascal und Hektopascal, etwa wenn ein Wetterbericht von 1013 hPa spricht und dieser Wert direkt als 1013 Pa in eine Rechnung übernommen wird. Da 1 hPa gleich 100 Pa ist, muss der Wert vor dem Einsetzen mit 100 multipliziert werden.
Ein dritter Fehler ist die Annahme, der Luftdruck sei überall auf der Erde gleich groß. Tatsächlich schwankt der Luftdruck mit dem Wetter leicht um den Normalwert und nimmt mit zunehmender Höhe deutlich ab, weil weniger Luft über der jeweiligen Fläche liegt.
Alltagsbezug und Tipps für die Klassenarbeit
Der Luftdruck begegnet dir überall im Alltag: Ein Saugnapf hält an der Wand, weil der äußere Luftdruck stärker drückt als der Unterdruck dahinter. Beim Fliegen spürst du in den Ohren ein Druckgefühl, weil sich der Luftdruck in der Kabine schneller ändert, als sich der Druck im Mittelohr anpassen kann.
Auch beim Wetterbericht spielt der Luftdruck eine zentrale Rolle, denn die Hoch- und Tiefdruckgebiete auf der Wetterkarte bestimmen maßgeblich, ob es sonnig oder regnerisch wird. In Bergregionen wird der geringere Luftdruck außerdem beim Kochen spürbar, weil Wasser dort schon bei einer niedrigeren Temperatur zu kochen beginnt.
Für die Klassenarbeit solltest du die Formel p ist gleich F durch A sicher in alle drei Richtungen umstellen können, also auch F ist gleich p mal A und A ist gleich F durch p. Achte außerdem konsequent auf die Einheiten: Kraft in Newton, Fläche in Quadratmetern und Druck in Pascal, sonst verrechnest du dich leicht um Zehnerpotenzen.
Jetzt bist du dran
Welche Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck, Kraft und Fläche?
Noch nicht. Der Druck ist definiert als Kraft geteilt durch die Fläche, auf die diese Kraft wirkt, also p ist gleich F durch A.
Das Wichtigste in Kürze
- Luftdruck entsteht durch das Gewicht der Luftsäule der Atmosphäre und beträgt auf Meereshöhe im Mittel 1013 hPa.
- Formel: p ist gleich F durch A, mit dem Druck p, der Kraft F und der Fläche A.
- 1 Hektopascal entspricht 100 Pascal, in der Wettervorhersage wird der Luftdruck meist in Hektopascal angegeben.
- Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab, weil weniger Luft über der jeweiligen Fläche liegt.
- Typischer Fehler: die Fläche in falscher Einheit einsetzen oder Pascal und Hektopascal verwechseln.
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Häufige Fragen zu Luftdruck
- Was ist Luftdruck einfach erklärt?
- Luftdruck ist die Kraft, mit der die gesamte über einer Fläche liegende Luftsäule der Atmosphäre auf diese Fläche drückt. Auf Meereshöhe beträgt der mittlere Luftdruck etwa 1013 Hektopascal, was ungefähr dem Gewicht von 1 Kilogramm pro Quadratzentimeter entspricht.
- Wie berechnet man den Luftdruck?
- Der Druck wird mit der Formel p ist gleich F durch A berechnet, wobei F die wirkende Kraft in Newton und A die Fläche in Quadratmetern ist. Das Ergebnis wird in der Einheit Pascal angegeben, wobei 1 Pascal gleich 1 Newton pro Quadratmeter ist.
- Warum nimmt der Luftdruck mit der Höhe ab?
- Je höher man über dem Meeresspiegel steigt, desto weniger Luft liegt noch über der betrachteten Fläche. Da der Luftdruck durch das Gewicht dieser Luftsäule entsteht, wird er mit abnehmender Luftmenge darüber automatisch geringer.
- In welcher Klasse lernt man den Luftdruck in Physik?
- Der Luftdruck wird in Deutschland meist in der siebten Klasse im Rahmen der Mechanik behandelt, oft zusammen mit dem allgemeinen Druckbegriff und dem hydraulischen Druck in Flüssigkeiten. Er ist die Grundlage für spätere Themen wie den Auftrieb und die Gasgesetze.
- Was ist der Unterschied zwischen Pascal und Hektopascal?
- Pascal ist die Basiseinheit des Drucks, wobei 1 Pascal gleich 1 Newton pro Quadratmeter ist. Hektopascal ist das Hundertfache davon, also 1 Hektopascal gleich 100 Pascal. Da Alltagsdrücke in Pascal sehr große Zahlen ergeben würden, wird meist mit Hektopascal gerechnet.
- Warum haftet ein Saugnapf durch den Luftdruck?
- Wenn man einen Saugnapf andrückt, wird die Luft dazwischen herausgedrückt, sodass dort ein Unterdruck entsteht. Der normale Luftdruck von außen drückt dann stärker auf den Saugnapf als der geringe Druck dahinter, wodurch eine Kraft entsteht, die den Saugnapf an der Fläche hält.
- Wie hängen Luftdruck und Wetter zusammen?
- Tiefdruckgebiete mit niedrigerem Luftdruck bringen meist aufsteigende, feuchte Luft und damit häufig Wolken und Regen. Hochdruckgebiete mit höherem Luftdruck bringen meist absinkende, trockene Luft und damit häufig klaren Himmel und stabiles Wetter.
- Warum spürt man den Luftdruck beim Fliegen in den Ohren?
- Beim Start und bei der Landung ändert sich der Luftdruck in der Flugzeugkabine schneller, als sich der Druck im Mittelohr über die Ohrtrompete ausgleichen kann. Dieser kurzzeitige Druckunterschied macht sich als Druckgefühl oder leichter Schmerz im Ohr bemerkbar.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.