Druck

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Druck ist die zentrale physikalische Größe beim Tauchen. Das prinzipielle Verständnis ist essentiell, da der Begriff Druck in allen Teilbereichen des Tauchens auftaucht.

Aus physikalischer Sicht ist Druck eine Kraft bezogen auf die Fläche, auf die sie wirkt. Im Tauchsport ist es üblich den Druck in der Einheit bar anzugeben.

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Druck Comic.jpg

Druck ist aus physikalischer Sicht eine Kraft, die auf eine bestimmte Fläche wirkt. Umso größer die Kraft, desto größer ist auch der Druck. An der Wasseroberfläche ist man ständig durch die umgebende Luft einem Druck von 1 bar ausgesetzt. Dieser Druck wird durch die Gewichtskraft der Atmosphäre erzeugt. Da Wasser deutlich dichter und somit auch schwerer als Luft ist, nimmt der Druck, dem man unter Wasser ausgesetzt ist, mit der Tiefe stark zu.

In den Tiefen, in denen du dich beim Tauchen aufhältst, muss du keine Angst haben zerdrückt zu werden und du wirst den Druck auch nicht auf deinem Körper spüren. Du wirst ihn lediglich als Druck auf deinen Ohren wahrnehmen, weshalb es wichtig ist, beim Abtauchen ständig einen Druckausgleich durchzuführen. Weiterhin darfst du unter Wasser niemals die Luft anhalten.

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Im Tauchsport wird Druck überlicherweise in der Einheit Bar gemessen. Ein Druck von 1 bar herrscht in etwa auf Meereshöhe an der Wasseroberfläche.

Umgebungsdruck

Umgebungsdruck in unterschiedlichen Wassertiefen.

Der Umgebungsdruck entsteht durch das Gewicht des umgebenden Mediums, d. h. des Wassers bzw. der Luft. Wasser hat eine deutlich höhere Dichte als Luft. Deshalb steigt der Umgebungsdruck unter Wasser mit der Tiefe stark an. Als Faustregel kannst du dir merken, dass der Wasserdruck pro 10 m Wassertiefe um 1 bar zunimmt. Hinzu kommt noch der Atmosphärendruck an der Wasseroberfläche. Das bedeutet, dass du beispielsweise im Meer bei 10 m Tiefe einem Umgebungsdruck von 2 bar ausgesetzt bist: 1 bar durch das Wasser plus 1 bar durch die Atmosphäre.

Umgebungsdruck in unterschiedlichen Wassertiefen
Wasser-
tiefe
Wasser-
druck
Atmosphären-
druck
Umgebungs-
druck
0 m 0 bar 1 bar 1 bar
10 m 1 bar 1 bar 2 bar
20 m 2 bar 1 bar 3 bar
30 m 3 bar 1 bar 4 bar
40 m 4 bar 1 bar 5 bar

Gasdruck

Eingeschlossene Gasteilchen (schwarz) üben einen Druck (rot) auf die Wände (grau) aus.

Der Druck eines Gases wird durch die kleinsten Bestandteile des Gases, d. h. dessen Moleküle bzw. Atome, verursacht. Diese Teilchen stehen nicht nur einfach still, sondern bewegen sich abhängig von der Gastemperatur mehr oder weniger stark. Bei diesen Bewegungen stoßen sie immer wieder mit den Wänden des Behälters, z. B. der Druckluftflasche, in dem sich das Gas befindet, zusammen.

Du kannst dir das so vorstellen, als ob du eine Tischplatte hochhältst und dein Tauchpartner wirft Tennisbälle gegen diese Platte. Wenn er oder sie genügend viele Bälle gleichzeitig wirft, wirst du feststellen, dass du dich mit deutlicher Kraft gegen die Platte stemmen musst, um nicht nach hinten gedrückt zu werden. Diese Kraft, die auf die Platte mit einer bestimmten Oberfläche wirkt, nennt man Druck. Desto mehr Bälle gleichzeitig auf die Oberfläche treffen, desto größer wird die Kraft und damit der Druck. Im Prinzip passiert in deiner Druckluftflasche genau das selbe – nur in einem kleineren Maßstab: Die Teilchen sind zwar viel kleiner und üben eine sehr geringe Kraft aus, aber dafür sind es extrem viele.

Mehr Teilchen im gleichen Volumen erzeugen also einen höheren Druck. So kannst du dir auch leicht vorstellen, was es bedeutet, wenn die Luft in deiner Druckluftflasche unter einem Druck von z. B. 200 bar steht: In der Flasche ist die 200-fache Luftmenge vorhanden, als wie wenn sie „leer” wäre, d. h. der Druck im Inneren 1 bar betragen würde. Dieser Zusammenhang wird mit dem Gesetz von Boyle-Mariotte beschrieben.

Expertenwissen (DM***)

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Druckdefinition

Der Druck [math]p[/math] ist allgemein als eine Kraft [math]F[/math] definiert, die auf eine Oberfläche mit dem Flächeninhalt [math]A[/math] wirkt.

[math]p = \frac{F}{A}[/math]

Je größer die Kraft, desto größer ist auch der Druck. Verteilt sich die gleiche Kraft auf eine größere Fläche, ist der Druck entsprechend geringer.

Diesen Zusammenhang kennt man aus der alltäglichen Erfahrung: Verteilt sich die Gewichtskraft eines Menschen auf die gesamte Schuhsohle, ist das weit weniger schmerzhaft für denjenigen, dessen Fuß sich zwischen der Sohle und dem Boden befindet, als wenn sie sich auf einen Pfennigabsatz konzentriert.

Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck, ist der Druck, der sich in einem Fluid, d. h. in einer Flüssigkeit oder einem Gas, aufgrund des Einflusses der Gravitation einstellt. Das Fluid selbst besitzt Masse und erzeugt unter dem Einfluss eines Gravitationsfeldes eine Gewichtskraft [math]F[/math].

[math]F = m \cdot g[/math]
Durch den hydrostatischen Druck verursachte Kraft [math]F[/math] am Boden einer Fluidsäule der Höhe [math]t[/math].

Auf einer gedachten Oberfläche mit dem Flächeninhalt [math]A[/math], die sich in einer Tiefe [math]t[/math] befindet, lastet eine Säule des Fluids mit dem Volumen [math]V[/math]. Nimmt man an, dass das Fluid, wie im Fall von Wasser nicht komprimierbar ist und seine Dichte [math]\rho_{\text{f}}[/math] konstant ist, so ergibt sich für den Druck [math]p[/math] in der Tiefe [math]t[/math]:

[math]p = \frac{m \cdot g}{A} = \frac{g \cdot \rho_{\text{f}} \cdot V}{A}[/math]

Das Volumen der Fluidsäule beträgt [math]A \cdot t[/math]:

[math]p = \frac{g \cdot \rho_{\text{f}} \cdot A \cdot t}{A} = g \cdot \rho_{\text{f}} \cdot t[/math]

Der hydrostatische Druck ist also von der Dichte des Fluids [math]\rho_{\text{f}}[/math] und der Tiefe [math]t[/math] abhängig.

Um den hydrostatischen Druck durch das Wasser, d. h. den Wasserdruck in Abhängigkeit der Tiefe zu berechnen, setzt man die Fallbeschleunigung [math]g[/math] zu 9,81 m/s2 und [math]\rho_{\text{f}}[/math] zu 1 kg/dm3 für Süßwasser an. Für den Wasserdruck in der Tiefe [math]t[/math] ergibt sich damit:

[math]p = 0,0981 \ \frac{\text{bar}}{\text{m}} \cdot t[/math]

Da Salzwasser eine leicht höhere Dichte als Süßwasser besitzt, ist die Druckzunahme im Salzwasser etwas höher. In beiden Fällen entspricht sie aber grob der im Tauchsport gängigen Überschlagsrechnung, dass der Wasser- bzw. Umgebungsdruck um 1 bar pro 10 m Wassertiefe zunimmt.

Atmosphärendruck

Höhe über
Meeresspiegel
Atmosphären­druck
0 m 1,01 bar
500 m 0,95 bar
1000 m 0,89 bar
2000 m 0,78 bar
3000 m 0,69 bar
4000 m 0,61 bar
5000 m 0,53 bar
6000 m 0,47 bar

Um den für die Dekompressionsberechnung relevanten Umgebungsdruck zu bestimmen, muss dem Wasserdruck noch der Atmosphärendruck, d. h. der Luftdruck an der Wasseroberfläche hinzu addiert werden.

Die Luft in der Erdatmosphäre erzeugt als Gas ebenfalls einen hydrostatischen Druck, der wie der Wasserdruck von der Höhe der darüber befindenden Luftschicht bzw. somit von der Höhenlage abhängt. Da Luft allerdings komprimierbar ist und ihre Dichte deshalb sowohl vom Druck und als auch von der Temperatur abhängt, ist die Berechnung deutlich komplexer als beim Wasserdruck.

Überschlagsmäßig kann angenommen werden, dass der Atmosphärendruck auf Meereshöhe 1 bar beträgt und bis 2000 m über dem Meeresspiegel um 0,1 bar pro 1000 m abnimmt. Bei größerer Höhe und für genauere Berechnungen kann der Atmosphärendruck in Abhängigkeit der Höhenlage aus nebenstehender Tabelle entnommen werden. Die Tabelle berücksichtigt keine Einflüsse durch die Wetterlage.