Druck in Flüssigkeiten und Gasen (Folie 4)
EINSATZ DER FOLIE
Die Folie zeigt am Beispiel des hydraulischen Fahrzeug-Bremssystems die Nutzung des „Pascalschen Prinzips“. Damit bezeichnet man die physikalische Erkenntnis, dass sich in geschlossenen Systemen, die ausschließlich Flüssigkeit enthalten, der Druck gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet. Der Einsatz der Folie 4 und das verwendete Anwendungsbeispiel des Auto-Bremssystems empfiehlt sich als Vertiefung und Ergänzung des Themenbereichs „Anwendungen der Hydraulik“.
INHALT DER FOLIE
Auf der Folie werden die Zusammenhänge deutlicher dargestellt als üblicherweise in den Physikbüchern. Zusätzlich wird hier auch quantitativ auf die unterschiedliche Kraftverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse ausführlich eingegangen (die Kraft ist im Gegensatz zum Druck nicht gleich!). Die quantitative Betrachtung der beim Bremsen wirkenden Kräfte wird in der zugehörigen Kopiervorlage vertieft.
Oben:
Die Darstellung zeigt ein hydraulisches Bremssystem in vereinfachter Prinzipdarstellung. Über die üblichen Details hinaus, sind hier zusätzlich die Querschnittsflächen von Geberzylinder (=Hauptbremszylinder) und den Bremszylindern an den Scheibenbremsen der Vorderachse und den Radbremszylindern an den Trommelbremsen der Hinterachse angegeben. Da diese Querschnittsflächen an Vorder- und Hinterachse verschieden sind, wird auch die unterschiedliche Aufteilung der Bremskraft auf Vorder- und Hinterräder plausibel. In der Zeichnung wurden vereinfachte Zahlenangaben verwendet, sodass die zugehörigen Rechenschritte noch leicht nachvollziehbar sind.
Mitte:
Die Darstellung des Kolbenwegevergleichs zeigt, welche Wege die einzelnen beteiligten Arten von Kolben (Geberkolben, Kolben der vorderen Scheibenbremsen und Kolben der hinteren Trommelbremse) beim Bremsvorgang zurücklegen.
Hinweis: Zur Veranschaulichung des Prinzips sind die Kolbenwege größer als in Wirklichkeit dargestellt.
Unten rechts:
Die Abbildung zeigt, was passiert, wenn Luft oder Gas in das Bremssystem gelangt. Dann ist die Bedingung nicht mehr erfüllt, dass das System ausschließlich mit Flüssigkeit gefüllt ist: Statt der erwünschten Kraftübertragung vom Fahrer auf die Radbremszylinder verkleinert sich durch den Druckaufbau nur das Volumen der eingeschlossenen Gasblase. Ein normaler Bremsvorgang ist nicht möglich.
Unten links:
Das Foto zeigt ein Testfahrzeug mit glühenden Bremsscheiben. Es soll den Schülerinnen und Schülern eine Möglichkeit für das Entstehen von Dampfblasen im System (also einer unerwünschten, teilweisen Füllung mit Gas (Kavitation)) vorstellen. Der im Unterricht zu diesem Thema als Freihandversuch ausführbare Versuch mit einem Kolbenprober wird unbedingt empfohlen: Der Kolbenprober wird erst komplett mit Wasser, dann nur zu einem Teil mit Wasser gefüllt (Rest Luft). In beiden Fällen versucht man (oder lässt versuchen), den Kolbenprober zusammenzudrücken und zeigt so die unterschiedliche Wirkung.
Der Informationstext von Kopiervorlage 4 und die Aufgabe oben auf der Kopiervorlage sollen den Schülerinnen und Schülern zeigen, dass die Darstellung auf der Folie zwar besonders übersichtlich ist, dass aber in der Praxis im Auto ein etwas komplizierteres Bremssystem (zu Gunsten größerer Sicherheit) eingebaut wird.
LERNZIELE: Die Schüler:innen sollen
- ihre Kenntnisse des Pascalschen Prinzips vertiefen und es in Sachaufgaben anwenden können
- zu den Fragestellungen angemessene und sachbezogene Überlegungen anstellen und ihre Vermutungen in fachlich korrekter Sprache äußern können