Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Definition und Beispiele

Wenn man einen Nagel in die Wand einschlägt, dann dringt die Spitze Seite in die Wand ein. Ist die Kraft sehr klein, dann dringt er doch nicht ein. Der Vorgang hängt daher mit der Kraft zusammen. Je größer die Kraft, desto leichter dringt der Nagel ein. Daher könnte man denken, dass der Vorgang nur von der Kraft abhängt.

Hammer
Nagel

Leicht können wir zeigen, dass dies nicht stimmt. Wenn wir den Nagel mit Kopf an der Wand einschlagen, dann dringt der Nagel kaum oder gar nicht mehr ein, auch wenn die Kraft ziemlich groß ist. Die Kraft ist daher nicht das Einzige, was den Vorgang beeinflusst. Was ist der Unterschied zwischen Kopf und Spitze des Nagels? Die Fläche. An der Spitze ist die Fläche viel kleiner. Je kleiner die Fläche, desto einfacher dringt der Nagel ein.

Um diese Zusammenhänge zu beschreiben, brauchen wir ein neuer Begriff: den Druck. Die Formel für den Druck ist:

$p={F \over A}$

Diese Buchstaben stehen für die folgenden physikalischen Größen: p ist der Druck, F ist die Kraft, A ist die Fläche

Hier sind die Einheiten für diese physikalischen Größen:

Der Druck (p) wird in Pascal (Pa), atm oder bar gemessen.
Die Kraft (F) wird in Newton (N), kN usw. gemessen.
Die Fläche (A) in $m^{2}$ (Quadratmeter oder Meter hoch 2), $dm^{2}$ (Quadratdezimeter oder Dezimeter hoch 2) usw.

Sowohl die Kraft als auch die Fläche kommen in der Formel vor. Je größer die Kraft, desto größer der Druck. Je größer die Fläche, desto kleiner der Druck. Druck und Kraft ändern sich in die gleiche Richtung. Druck und Fläche ändern sich in die Gegenrichtung. Der Druck also beschreibt wie viel Kraft pro Flächeneinheit ausgeübt wird.

Das Experiment mit dem Nagelbrett macht den Zusammenhang noch klarer. Steigt eine Person auf einen Nagel auf, dann wird sie sich verletzen. Wird das Gewicht der Person auf mehrere Nageln verteilt, wie am Nagelbrett, dann spürt sie die Spitzen kaum und verletzt sie sich gar nicht.

Noch ein beeindruckendes Beispiel ist der Vergleich des Druckes zwischen dem Fuß eines Elefanten und dem Schuhabsatz einer Frau:

Die Fläche der vier Füße des Elefanten ist ca. 0,5 m², die Kraft ca. 50000 N (das entspricht ca. 5 t Gewicht auf der Erdoberfläche). Die Fläche der beiden Schuhabsätze einer Frau soll ca. 0,5 cm² sein, also 0,00005 m², die Kraft 500 N ( das entspricht ca. 50 kg Gewicht auf der Erdoberfläche). Die entsprechende Drucke sind dann:

$p_{E}={F_{E} \over A_{E}}={50000\ N \over 0,5\ m^{2}}=100000\ Pa\ \$ für den Elefanten und

$p_{Fr}={F_{Fr} \over A_{Fr}}={500\ N \over 0,00005\ m^{2}}=10000000\ Pa\ \$ für die Frau.

Der Druck des Absatzes ist nach dieser Rechnung 100 mal so groß wie beim Elefanten!

Noch ein Beispiel ist der Rammbock, der bei Belagerung von Städten im Mittelalter benutzt wurde. Nur weil die Kraft von vielen Menschen an einem Punkt konzentriert wirkte, hat dieses Mittel Erfolg gehabt.