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Mechanische Eigenschaften von Flüssigkeiten

Allgemeines:
In der Mechanik ist es Ziel, die Basis für alle anderen Naturwissenschaften zu legen. Dazu gehören auch die Eigenschaften von Flüssigkeiten, die sowohl im Alltag als auch in der Technik von besonderer Bedeutung sind, beispielsweise bei der hydraulischen Presse. Alle wesentlichen mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten beruhen darauf, dass sich in Flüssigkeiten ein Druck allseitig ausbreitet. Die resultierenden Eigenschaften sind der hydrostatische Druck, das archimedische Prinzip (Auftrieb in Flüssigkeiten) und die Kapillarwirkung.

Eigenschaften von Flüssigkeiten:
Flüssige Körper unterscheiden sich von festen Körpern im wesentlich dadurch, dass die einzelnen Stoffteilchen nur durch relativ schwache Kräfte zusammengehalten werden (hauptsächlich intermolekulare Wechselwirkungen). Die einzelnen Stoffteilchen sind daher leicht gegeneinander verschiebbar. Daher ist die Form eines flüssigen Körpers (ähnlich den Gasen) leicht veränderlich und passt sich beispielsweise der Form eines Gefäßes an.

Ausbreitung von Druck in Flüssigkeiten
Im Gegensatz zu festen Körpern, erfolgt bei flüssigen Körpern eine Ausbreitung des Druckes in alle Richtungen. Dies kann man im Alltag leicht beobachten. Üben wir einen Druck auf eine (kleine) Stelle einer Kugel aus, bewegt sich diese Kugel (als gesamter Körper) fort. Versuchen wir das gleiche bei "Wasser(teilchen)" in einem Becher, so bewegen sich die Wasserteilchen seitlich an der Hand vorbei. Im Gegensatz zu festen Körpern, wo es ausreicht, dass eine Kraft auf eine bestimmte Stelle ausgeübt wird, muss bei einem flüssigen Körper die Kraft auf die gesamte Oberfläche wirken.

Wird auf eine Flüssigkeit also ein Druck ausgeübt, so breitet sich (wegen der leichten Verschiebbarkeit der Teilchen) der Druck in alle Richtungen des Raumes mit gleicher "Stärke" aus. Die wirkende Kraft lässt sich berechnen aus: Druck x gedrückte Fläche =>  F = p · A

Eine Anwendung dieser Eigenschaft findet sich in den sogenannten hydraulischen Pressen. Die hydraulische Presse dient dabei, große Kräfte zu erzeugen.

Hydrostatischer Druck (= Flüssigkeitsdruck)
Jeder Körper übt (aufgrund seiner Masse) einen Druck auf die Fläche aus, auf der sich der Körper befindet. Im Unterschied zu festen Körpern wirkt bei flüssigen Körpern der "Druck" nicht nur am "Boden", sondern auch in alle Richtungen (aufgrund der Druckausbreitung in alle Richtungen).

Der hydrostatische Druck weist zudem eine Besonderheit auf, das sogenannte hydrostatische Paradoxon. Dies können wir im Alltag leicht nachvollziehen, indem wir verschiedene Gefäße mit gleicher Grundfläche mit Wasser füllen. Dabei zeigt sich, dass bei gleicher Wasserhöhe die auf den Gefäßboden wirkende Kraft bei allen Gefäßen gleich ist. 

Dieses sogenannte hydrostatische Paradoxon besagt, dass die auf den Gefäßboden wirkende Kraft nur abhängig von der gedrückten Fläche, von dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit und von der Höhe der Flüssigkeitssäule abhängt. 

Die Flüssigkeit übt innerhalb des Gefäßes an allen stellen den sogenannten hydrostatischen Druck aus, diesen kann man noch unterteilen in den Bodendruck, Seitendruck und Aufdruck (bzw. Auftrieb). Diese hydrostatische Kraft F ist um so größer, je größer die Fläche A ist, auf die gedrückt wird und je höher h die Flüssigkeitssäule  ist. Zusätzlich ist die Kraft noch vom spezifischen Gewicht der Flüssigkeit abhängig.

Formel:  

  • Hydrostatischer Druck: p = F : A
  • Hydtostatische Kraft: F = y · A · h = y · V     (mit y = spezifisches Gewicht, V = Volumen)

Archimedisches Prinzip  (= Auftrieb)
Das archimedische Prinzip besagt, dass jeder Körper in einer Flüssigkeit "scheinbar" soviel Gewicht verliert, wie die Masse des von dem Körper verdränge Flüssigkeitsmenge beträgt. Dieser scheinbare Verlust an Gewicht entspricht dem Auftrieb. 

Dies können wir im Alltag daran sehen, dass im Wasser ein Körper scheinbar leichter zu tragen ist, als an Luft. Erklären lässt sich der Auftrieb wieder durch die allseitige Druckausbreitung in Flüssigkeiten. 

Das archimedische Prinzip lässt sich im Alltag anwenden. Ist der Auftrieb eines Körpers höher, als das Gewicht des Körpers, so schwimmt der Körper auf der Oberfläche der Flüssigkeit. Ist der Auftrieb hingegen kleiner als das Gewicht, so sinkt der Körper in der Flüssigkeit nach unten. Entspricht der Auftrieb dem Gewicht des Körpers, befinden sich das System im Gleichgewicht und so "schwebt" der Körper in der Flüssigkeit

Kapillarität
Grundsätzlich bilden Flüssigkeiten eine waagrechte Oberfläche. Allerdings gibt es hier das Phänomen der sogenannten Kapillarität. Dies können wir sehen, indem wir ein Glasrohr in ein Becherglas mit Wasser tauchen. Dabei beobachten wir, dass das Wasser in dem Glasrohr höher steigt, als der äußere Flüssigkeitsspiegel (außerhalb des Glasrohres). Würden wir das Becherglas mit Quecksilber füllen, so würden wir beobachten, dass das Quecksilber im Glasrohr weniger steigt, als der äußere Flüssigkeitsspiegel. In der Fachsprache bezeichnet man eine Flüssigkeit, die in einer Röhre höher steigt, als der äußere Flüssigkeitsspiegel, als benetzende Flüssigkeit (wie beispielsweise Wasser).


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