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| Überdruck |
ÜberdruckÜberdruck ist die physikalisch nicht ganz korrekte bzw. nicht mehr verwendete Bezeichnung für Druck, der höher als der Normalluftdruck bzw. der Umgebungsdruck ist.
Druck wurde früher in atm (Atmosphären) gemessen, Überdruck in atü (Atmosphären-Überdruck), wobei der Zahlenwert des Überdrucks um genau 1 niedriger lag als der absolute Druck. Diese Einheit wird heute nicht mehr verwendet, an ihre Stelle ist die Einheit Pascal bzw. bar getreten.
Anwendungen
Reinraum
In einen Reinraum wird das Eindringen von Staub dadurch verhindert, dass in dem Raum permanent Überdruck herrscht.
Tunnelbau
In den Anfängen des Tunnelbaus wurde, insbesondere bei Flussunterquerungen, das Eindringen von Wasser durch den in der Tunnelröhre herrschenden Überdruck verhindert. Die pysikalischen Eigenschaften des Überdrucks macht man sich unter anderem beim modernen Tunnelbau als Sicherheitsmassname zu Nutze. Indem man einen Nebenstollen baut, in welchem Überdruck herrscht, kann man, sofern ein Brand ausbricht, dafür sorgen, dass Rettungseinheiten zur Unfallstelle gelangen können, ohne die verrauchte Tunnelröhre benutzen zu müssen. Der Überdruck in der Nebenröhre verhindert so das Eindringen von Rauch in den Rettungstunnel.
Brückenbau
Zur Gründung von Brückenpfeilern unter der Wasseroberfläche werden häufig nach unten offene Senkkästen (Caissons) eingesetzt, in die von außen Pressluft eingeleitet wird, um das Wasser zu verdrängen und ein trockenes Arbeiten zu ermöglichen.
Weitere Anwendungsfälle
- Reifen
- Prallluftschiffe
- Gasleitungen
- Schnellkochtopf
Erzeugung
...
Siehe auch
Unterdruck
Ueberdruck
Kategorie:Gastechnik
Druck (Physik)Der Druck ist eine systemeigene intensive physikalische Zustandsgröße und zudem eine lineare Feldgröße. Sein Formelzeichen ist p (von engl. pressure) und seine abgeleitete SI-Einheit ist das Pascal. Das Formelzeichen darf hierbei nicht mit der Leistung P (von engl. power) beziehungsweise mit dem Impuls p verwechselt werden.
Der Druck hat neben seiner Bedeutung als skalare Zustandsgröße in der Physik auch eine eher umgangssprachliche Bedeutung. Man kann etwa Druck auf einen Nagel ausüben, um ihn in ein Holz zu schlagen. Der Druck (eigentlich die Druckspannung) zwischen Holz und Nagel hängt dabei neben von der auf den Nagel ausgeübten Kraft auch von der Größe der Berührungsfläche zwischen Holz und Nagel ab. Je kleiner diese Berührungsfläche ist, desto größer ist der Druck zwischen Nagel und Holz und desto leichter ist es, den Nagel in das Holz zu drücken.
Die Druckspannung ist im Gegensatz zum Druck keine skalare Zustandsgröße.
Druck im Allgemeinen
Unter dem Druck p versteht man den Quotienten einer Kraft F (von engl. force) und der Fläche A (von engl. area), auf die diese Kraft senkrecht zur Fläche wirkt (entgegen der Flächennormalen). Hieraus ergibt sich die Gleichung:
:
Der Druck kann in dieser Vorstellung leicht mit der Kraft verwechselt werden:
Die Begriffe Druck und Kraft können oft nur schlecht voneinander abgegrenzt werden, da der Effekt der unterschiedlichen Auflageflächen im Alltag meist unscheinbar ist und somit die wirkende Kraft zum resultierenden Druck proportional ist bzw. als solches empfunden oder gar interpretiert wird. Hierzu ein Beispiel:
Ein Nagel hat an seiner Spitze eine sehr kleine Auflagefläche, was nach obiger Formel selbst bei einer geringen Kraft zu einem großen Druck führen kann. Diesen spürt man beim Ausüben einer Kraft auf den Nagel, wenn man ihn mit der Spitze auf die Haut drückt. Dreht man den Nagel um und übt die identische Kraft auf ihn aus, so ist der Druck aufgrund der höheren Auflagefläche wesentlich geringer. Dieser Effekt wird jedoch oft einer höheren Kraft zugeschrieben, anstatt der hierfür verantwortlichen geringeren Auflagefläche.
Es ist also wichtig, zwischen Druck und Kraft zu unterscheiden, denn abgesehen davon, dass es sich um grundverschiedene Größen handelt, besitzt die Kraft eine Richtung, der Druck hingegen nicht.
"Druck ist eine skalare Größe, nur Lehrer und Autoren scheinen dieses im Grunde ihres Herzens nicht zu glauben." (McClelland, 1987)
Das obige Konzept ist eine Vereinfachung des allgemeinen Spannungstensors, wie er aus der Mechanik bekannt ist.
Siehe auch: Hertzsche Pressung
Druck in Strömungen
Hertzsche Pressung
Der Druck in Strömungen setzt sich aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammen. Während beide Teile von der Dichte abhängen, unterscheiden sie sich dadurch, dass der (hydro)statische Druck, für Fluide mit konstanter Dichte, linear mit der Höhe der Fluidsäule steigt. Zudem ist er von der Erdbeschleunigung, also der Gravitation, abhängig. Der dynamische Anteil hingegen wächst quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Das Bild zur Rechten verdeutlicht die Konstanz der Summe aus dynamischem und statischem Anteil in einer reibungsfreien Strömung. Dies ist die Konsequenz aus der Energieerhaltung in der Strömung und für diesen Spezialfall als Gesetz von Bernoulli bekannt.
Hydrostatischer Druck
Der hydrostatische Druck übt auf jede Fläche, die mit dem Fluid in Verbindung steht, eine Kraft aus, die zur Größe der Fläche direkt proportional ist. Diese Form des Drucks ist somit eine spezielle Form der elastischen Spannungen, die idealen Flüssigkeiten und Gasen eigen ist: In der idealen, (reibungslosen) Flüssigkeit existieren ausschließlich Normalspannungen, eben dieser hydrostatische Druck. Anders ist es in einer zähen Flüssigkeit, denn hier können auch Tangential- oder Schubspannungen infolge der Reibungskräfte auftreten. Im Mohrschen Spannungskreis stellt sich der hydrostatische Druck daher als einfacher Punkt dar. Beispiele für einen hydrostatischen Druck sind der Wasserdruck und der Luftdruck.
Der hydrostatische Druck in einer Fluidsäule der Höhe h (auf einer y-Achse) und der Dichte ρ unter Wirkung der Erdbeschleunigung g, wobei mit p(y=0) der Druck auf der Oberfläche der Fluidsäule gemeint ist, ergibt sich als Sonderfall aus der hydrostatischen Grundgleichung zu
:
Hydrodynamischer Druck
Der hydrodynamische, oder auch kürzer dynamische Druck, resultiert aus der kinetischen Energie eines massebehafteten Körpers, welcher sich mit einer Geschwindigkeit - der Fluidgeschwindigkeit - fortbewegt. Er ist daher nach Jakob Bernoulli die Bezeichnung für die Zunahme oder Verminderung des hydrostatischen Drucks, die aufgrund einer Bewegung einer Flüssigkeit auftritt.
Im einfachsten Fall kann man sich ein horizontal angebrachtes Rohr vorstellen, das einen veränderlichen Durchmesser besitzt. Dieses wird gleichmäßig von der Flüssigkeit durchströmt, wobei von der Reibung abgesehen werden soll. In jeder Zeiteinheit muss durch jeden Querschnitt dieselbe Flüssigkeitsmenge strömen, und deshalb muss die Geschwindigkeit der Strömung dem Querschnitt umgekehrt proportional sein.
Die Geschwindigkeit kann von größeren zu kleineren Querschnitten aber nur zunehmen, wenn der Druck in den kleineren Querschnitten höher ist und umgekehrt. Durch die Strömung entstehen also in größeren Querschnitten hydrodynamische Erhöhungen des Druckes, in kleineren Querschnitten Verminderungen des Drucks, infolge derer die in Ruhe befindlichen Druckverhältnisse - der hydrostatische Druck - verändert werden. Der hydrodynamische Druck ist dabei zwar nicht direkt messbar, wird aber zur Geschwindigkeitsmessung des Fluids verwendet. Es gilt:
:
Einheiten
Die SI-Einheit des Druckes ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Ein Pascal entspricht einem Druck von einem Newton pro Quadratmeter:
:
Die üblicherweise in Westeuropa benutzte Druckeinheit Bar entspricht 100000 Pa, 1000 hPa oder 100 kPa.
Andere teilweise noch zu findende, aber nicht mehr zulässige Druckeinheiten sind:
- 1 Torr = 1 mm Hg = 1 mm Quecksilbersäule = ca. 133,3 Pa
- 1 Meter Wassersäule (mWS) = 0,1 at = 9,807 kPa
- 1 Technische Atmosphäre (at) = 1 kp/cm² = ca. 98069 Pa
- 1 Physikalische Atmosphäre (atm) = 760 Torr = 101325 Pa = 1013,25 hPa = 101,325 kPa.
- 1 psi = 1 lb.p.sq.in. = 144 lb.p.sq.ft = 1/200 tn.sh.p.sq.in = 1/2240 tn.p.sq.in = 0,07030695796 kp/m² = 6894,757293168 Pa
Gasdruck
Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch wirkenden Kräfte auf eine Gefäßwand. Stößt ein Gasteilchen an eine Wand, so tauschen diese einen Impuls aus. Diese Impulsübertragung hängt zum einen von der kinetischen Energie des Gasteilchens und von der Richtung des Teilchens auf die Wand ab. Für viele Teilchen addieren sich diese Impulsüberträge zu einer Gesamtkraft. Diese hängt hauptsächlich von der Anzahl der Teilchen ab, die pro Zeiteinheit auf die Wand treffen. Man erhält den Gasdruck auch durch eine Addition aller Partialdrücke der Komponenten der Gasgemisches. Hierbei stellen auch Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck Sonderformen des Gasdrucks dar. Der Luftdruck ist ein Beispiel für einen Gasdruck.
Die kinetische Gastheorie liefert aus den genannten mechanischen und statistischen Überlegungen die Zustandsgleichung:
:
die sich für die Thermodynamik auch als Definition des Druckes als intensive Größe anbietet (siehe auch Fundamentalgleichung). Für ein ideales Gas führt dies zur thermischen Zustandsgleichung:
:
Aus ihr lassen sich verschiedene Formeln für den Gasdruck ableiten:
:
:
:
:
Aus der kinetischen Gastheorie folgt:
:
Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:
- V - Volumen
- T - Temperatur
- n - Stoffmenge
- m - Gasmasse
- ρ - Dichte
- V - Volumen
- Vm - molares Volumen
- kB - Boltzmannkonstante
- R - Universelle Gaskonstante
- Rs - spezifische Gaskonstante
- - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit
Der gemittelte Impulsübertrag ist im Produkt aus Gaskonstante und Temperatur der Zustandsgleichung enthalten. Beide Begriffe können durch Kolbenprobeexperimente ineinander überführt werden. Der Gasdruck kann äquivalent zur obigen Definition auch als hydrostatischer Spannungstensor, wie er aus der Mechanik bekannt ist, verstanden werden.
Druckmessgeräte
Hauptartikel: Druckmessgerät
Spezielle Drücke und Anwendungen
- Wasserdruck
- Turgor
- Schalldruck
- Staudruck
- Nenndruck
- Gasbetriebsdruck
- Prüfdruck
- Berstdruck
- Hochdruckphysik
Weblinks
- [http://www.sengpielaudio.com/RechnerDruck.htm Umrechnung aller internationaler Druckeinheiten]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m12_druck.htm Druckeinführung]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m14_schweredruck.htm Versuche und Aufgaben zum Druck]
Kategorie:Mechanik
Kategorie:Physik
Kategorie:Physikalische Größe
Kategorie:Tauchen
Kategorie:Thermodynamik
ja:圧力
ko:압력
ms:Tekanan
Luftdruck
nach Barometrischer Höhenformel]]
Der Luftdruck eines beliebigen Ortes der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht. Er bezeichnet zudem die Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem auf ihr befindlichen Körper steht.
Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck in Bezug auf Reifen, wo es für deren Innendruck (oder Reifenfülldruck) steht. Für den Atmosphärendruck anderer Himmelskörper siehe den Artikel Atmosphäre.
Eigenschaften
Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·1015 Tonnen und die Erdoberfläche beträgt etwa 510·106 km². Da der Druck allgemein als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck, unter Berücksichtung der Schwerkraft, ein globaler Überschlagswert von 1,01·105 kg/(m·s²).
In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich geringer als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kürzer und damit der Luftdruck niedriger. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell immer bei einer Höhenzunahme und sein Gradient wird über eine barometrische Höhenformel angenähert.
In der Horizontalen erfährt jeder Mensch und neben ihm auch jegliche andere Störung der Erdatmosphäre aus jeder Richtung den gleichen Druck. Dieser ist im Normalfall nicht spürbar, weil sich unser Organismus darauf eingestellt hat. Er ist jedoch Grundvoraussetzung dafür, dass sich der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit auflöst, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt (vgl. Siedepunkt). Der Luftdruck stellt dabei also einen Außendruck dar.
Einheiten
Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die auch zulässige Einheit Bar (Einheitenzeichen bar = 105 Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa, also rund 100.000 Pa beträgt, wird er meist mit der Zahl um 1.000 in Hektopascal (1013,25 hPa) oder mit gleichem Zahlenwert Millibar (mbar) angegeben. Der Luftdruck wird meist mit einem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden. Dabei ist 1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mm Hg oder Millimeter Quecksilbersäule). Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei diese alten Einheit wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck oder Atmosphäre Unterdruck nicht mehr zulässig sind.
Variabilität und Extremwerte
Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 101.325 Pascal = 1013,25 hPa bzw. mbar oder 101,325 kPa und ist damit Teil der Normalbedingungen und auch vieler Standardbedingungen.
Abnahme mit der Höhe
Hauptartikel: barometrische Höhenformel
Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe – in Bodennähe um etwa 1 hPa (= früheres Millibar) alle 10 Meter – und kann genähert durch eine Exponentialfunktion abgeschätzt werden. Ohne Einfluss der Temperatur beträgt der Druck in der Höhe H (in km) etwa p = p0·exp(H/8). Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5-6 km Meereshöhe und 10 % des Bodenwertes p0 in 15-20 km über dem Meer.
Tagesgang
Exponentialfunktion
Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Er folgt dabei den Schwankungen der Lufttemperatur, wodurch sich ein stärkerer 12-Stundeneinfluss (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stundenrhythmus (circadian von lateinisch dies der Tag) zeigen. Die Maxima finden sich gegen 10 und 22 Uhr, die Minima gegen 4 und 16 Uhr (Sommerzeit beachten). Die Amplituden sind breitengradabhängig. In Äquatornähe liegen die Schwankungen bei Werten bis zu 5 hPa. In den mittleren Breiten liegen die Schwankungen bei etwa 0,5 bis 1 hPa. Die Kenntnis des örtlichen Tagesgang des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt beobachtbar ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird. Nur bei hinreichend genauer Messapparatur und stabilen Hochdruckwetterlagen ist es möglich diese Schwankungen ungestört zu beobachten.
Eine Darstellung des Tagesgangs so wie er in Norddeutschland aufgezeichnet wurde, ist hier rechts zu sehen.
Extrem niederfrequente (0,2 Hz) und schwache Überlagerungen des Luftdrucks, die Bestandteil des Hintergrundrauschens sind und als Folge von Wettererscheinungen und Seegang auftreten, werden Mikrobarome genannt. Ihre Amplituden liegen unter einem Pascal.
Jahresgang
Der Jahresgang des Luftdrucks, basierend auf entweder Tages- oder Monatsmitteln als langjährige Durchschnittswerte, zeigt eine geringe, aber auch vergleichsweise komplexe Schwankung zwischen den einzelnen Monaten. Dabei zeigt sich ein Minimum im April, verantwortlich für den Begriff des Aprilwetters, und vergleichsweise hohe Werte für Mai und September (Altweibersommer).
Luftdruck-Rekorde
Der historische globale Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869.9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifik gemessen (Taifun Tip). Für Deutschland beträgt der Niedrigstwert 948,6 hPa und wurde am 26. Februar 1989 in Osnabrück erfasst.
Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst. Der Rekordhalter für Deutschland ist Berlin mit 1057,8 hPa am 23. Januar 1907.
Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden wurde im Oktober 2005 bei Hurrikan_Wilma mit 98 hPa gemessen. Der Kerndruck fiel bis auf 882 hPa. Bei Taifun Forrest wurde im September 1983 im nordwestlichen Pazifik ein Druckabfall von 92 hPa innerhalb von 24 Stunden gemessen.
Experimente und Messung
Hauptartikel: Barometer
Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dies waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen.
Unterdruckkabine
Ein anderes Experiment, das auch zur genauen Messung verwendet werden kann, ist ein einseitig verschlossenes und mehr als zehn Meter langes Glasrohr. Es wird zu erst horizontal in ein Wassergefäß gelegt, so dass die Luft entweicht. Richtet man es auf mit der Öffnung unter Wasser und der verschlossenen Seite nach oben, so stellt sich eine maximale Höhe ein, bis zu der der Wasserspiegel sich durch den auf der umliegenden Wasseroberfläche lastenden Luftdruck empordrücken lässt. Dies sind etwa zehn Meter, bei hohem Luftdruck mehr, bei niedrigem Luftdruck weniger. Im Hohlraum ist dann beinahe ein Vakuum, das allerdings durch etwas Wasserdampf „verunreinigt“ ist. Man bezeichnet dies als ein Flüssigbarometer, wobei Evangelista Torricelli stattdessen Quecksilber nutze, das bereits nach 760 mm abreißt und kaum verdampft. Ein anderes Instrument zur Luftdruckmessung nach diesem Prinzip ist das Goethe-Barometer.
Goethe-Barometer
Heute werden meistens Dosen-Barometer verwendet, die eine sogenannte Vidie-Dose oder einen Stapel derartiger Dosen enthalten. Dabei handelt es sich um einen dosenartigen Hohlkörper aus dünnem Blech, welcher mit einem Zeiger verbunden ist. Steigt der Luftdruck, so wird die Dose zusammengedrückt, der Zeiger bewegt sich. Damit die Messung unabhängig von der Temperatur ist, befindet sich in der Dose ein Vakuum, da sich darin befindliche Luft bei Erwärmung ausdehnen würde. Trotzdem gibt es temperaturabhängige Messfehler. Um diese klein zu halten werden Legierungen mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.
Eine weitere Möglichkeit den Luftdruck zu erfassen bietet ein Sturmglasbarometer, welches sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.
Bedeutung
Meteorologie
Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck in Form von Isobaren auch das wichtigste Element in Wetterkarten darstellt. Für die Wettervorhersage von Bedeutung ist der Luftdruck auf einer fest definierten Höhe in der Erdatmosphäre, die so gewählt ist, dass keine Störungen des Drucks durch Gebäude oder kleinräumige Geländeformen zu erwarten sind, also ohne eine Beeinträchtigung durch Reibung des Luftstromes am Boden in der sogenannten freien Atmosphäre. Eine Messung, die sich auf die Höhe der Erdoberfläche über Normalnull bezieht, würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks ergeben. Um dies auszugleichen und die Werte damit vergleichbar zu machen bedient man sich einer Reduktion auf Meereshöhe.
Für das Wettergeschehen in Bodennähe sind vor allem die dortigen Unterschiede des Luftdrucks von Interesse. Sie führen zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Zwischen ihnen setzt der Wind als Ausgleichsströmung ein.
Luftfahrt
Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind und so die Höhe des Luftfahrzeugs über den Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt wird (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein sehr niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen („Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muß für die Dauer des Fluges der örtliche Luftdruck bekannt sein. Um zu große Fehler bei der Höhenanzeige zu meiden, welche bis etwa 300 m betragen können, kompensiert der Pilot die Höhenanzeige durch Eingabe des örtlichen QNH Wertes am Höhenmesser. In größeren Höhen wird ein Druck von 1013 hPa angenommen, den alle Luftfahrzeuge als QNH eingeben müssen. So kann die Gefahr einer Kollision vermindert werden, denn große Messfehler bei der Höhenbestimmung sind so weniger wahrscheinlich.
- QFE: tatsächlicher Luftdruck am Messort
- QNH: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO Atmosphäre (15 Grad, 2 Grad Temperaturgradient / 1000 m)
- QFF: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiterer Faktoren.
Auf Flugplätzen wird meist der QNH Wert verwendet, während in der Meteorologie der QFF Wert verwendet wird um Luftdrücke an verschiedenen Orten und Ortshöhen vergleichen zu können. Die Q-Gruppen stammen noch aus der Zeit der drahtlosen Telegraphie (Morse Code).
Siehe auch
- Luftdichte
- Schallkennimpedanz
- Schallgeschwindigkeit
Weblinks
Kategorie:Meteorologie
Kategorie:Physikalische Größe
ja:気圧
ko:대기압
Atmosphäre (Einheit)
Es gibt zwei als Atmosphäre (von griechisch ατμός (atmós) = Luft, Druck, Dampf und σφαίρα (sphaira) = Kugel; (latinisiert sphära) bezeichnete Druckeinheiten, die technische Atmosphäre und die physikalische Atmosphäre.
Beide orientieren sich an der Größe des normalen Luftdrucks in Meeresspiegelhöhe, entsprechen also dem durch das Gewicht der Atmosphäre verursachten Druck, daher der Name. Sie sind gesetzlich nicht mehr zugelassen, werden aber trotzdem noch viel verwendet.
Umrechnung
Siehe auch
- Technische Atmosphäre
- Physikalische Atmosphäre
Kategorie:Maßeinheit
ko:기압
AtDie Abkürzung AT steht für
- Österreich (ISO 3166-1).
- „Außertariflich“; siehe Angestellter.
- AT-Format, ein Standard für Gehäuse und Hauptplatinen von Computern.
- Appalachian Trail - ein Fernwanderweg in der USA.
- Autogenes Training.
- Altes Testament in der Bibel.
- im Eisenbahnwesen für den Ausnahmetarif.
- „attention“, ein Modem-Protokoll; siehe AT-Befehlssatz.
- Royal Air Maroc, eine marokkanische Fluggesellschaft (IATA-Code).
- den Allgemeinen Teil des deutschen Strafgesetzbuches.
At steht für
- Astat, als Symbol für ein chemisches Element.
- At-Zeichen, als Zeichen @, auch Klammeraffe genannt.
at steht für
- den Unix-Befehl at (Unix).
Kategorie:Abkürzung
ja:AT
ko:AT
Bar (Einheit)
Das Bar ist in der Physik und Technik eine zulässige (SI-konforme) Einheit für den Druck. Der Name stammt von dem griechischen Wort . báros »schwer« ab.
Am 1. Januar 1978 löste das Bar in Deutschland und Österreich die Maßeinheit atü (Atmosphäre Überdruck) ab. Die eigentliche SI-Einheit für den Druck ist das Pascal (sehr kleine Einheit); das Bar darf aber ebenso wie Liter, Minute oder Elektronenvolt mit dem SI verwendet werden.
- 1 bar = 105 N/m² = 105 Pa,
- 1 mbar = 1 hPa,
- 1013,25 mbar = 1 atm (Normaldruck).
Unterscheide in der unten stehende Tabelle die technische Atmosphäre at von der Standard-Atmosphäre atm.
Umrechnungstabelle
Siehe auch
- Thermodynamik
- Physikalische Größen und ihre Einheiten
- Torr
- Luftdruck
Kategorie:Tauchen
Kategorie:Maßeinheit
ja:バール (単位)
Staub
Staub (Mehrzahl Stäube1) ist die Sammelbezeichnung für feinst verteilte feste Teilchen (Partikel) in Gasen, insbesondere in der Luft, die aus mechanischen Prozessen stammen oder durch Aufwirbelung in die Luft gelangt sind. Staub ist definitionsgemäß Bestandteil des Schwebstaubes (Gesamtstaub, TSP (total suspended particulates)), der wiederum zusätzlich zum Staub unter anderem auch noch den Rauch und Rußpartikel umfasst. Je nach Notwendigkeit wird Staub (eigentlich der Schwebstaub) nach der Partikelgröße oder nach der Staubart unterteilt. Staubteilchen können aus organischen (z.B. Blütenpollen, Bakterien, Pilzsporen) oder anorganischen Materialien (z.B. Gesteinsstaub, Mineralfasern) bestehen. Eine allgegenwärtige Form des Staubes, der sowohl aus organischem als auch aus anorganischen Material besteht, ist der Hausstaub.
Grob- und Feinstaub
Aus gesundheitlicher Sicht ist neben dem Schadstoffgehalt des Staubes die Größe der Staubpartikel der entscheidende Parameter. Partikel mit einem Durchmesser größer 10 µm (1 Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter), der sog. Grobstaub, bleibt mehr oder minder gut an den Nasenhärchen oder den Schleimhäuten des Nasen-Rachenraums hängen. Kleinere und kleinste Staubpartikel (Feinstaub, ultrafeine Partikel) können über die Luftröhre und die Bronchien bis tief in die Lunge vordringen. Daher wird der Feinstaub auch als inhalierbarer bzw. als lungengängiger (alveolengängiger) Feinstaub bezeichnet (s. Abb. 1 für jeweilige Partikelgröße).
Allgemein anerkannte Bezeichnungen für Feinstaub existieren allerdings nicht. In der Regel wird unter Feinstaub Staub mit einer Partikelgröße kleiner 10 µm (PM10) verstanden. Die Staubfraktion mit einer Partikelgröße kleiner 0,1 µm wird als ultrafeine Partikel bezeichnet.
Entstehung von Staub
FeinstaubStaub kann prinzipiell durch verschiedene Prozesse entstehen:
- 1) die mechanische Bearbeitung von Feststoffen (Zerkleinern, Oberflächenbearbeitung, Abrieb, etc.)
- 2) physikalische Einflüsse auf Feststoffe (z.B. Erosion durch Wind und Wetter)
- 3) durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre unter Partikelbildung (gas-to-particle conversion (⇒ sekundäre Aerosole)) (andere chemische Reaktionen führen zur Bildung von Rauch; Rauch und Staub unterscheiden sich prinzipiell nur durch die Bildungsprozesse, beide bestehen aber aus feinst verteilten festen Teilchen (s. Abb. 1)
- 4) durch Aufwirbelung von Partikeln (vgl. Definition von Staub)
Die staubbildenden Prozesse können sowohl natürlichen Ursprungs als auch durch den Menschen verursacht sein und werden in primäre und sekundäre Prozesse unterschieden. Bei einem primären Prozess werden die Partikel direkt durch den Prozess erzeugt. Ein primärer anthropogener Prozess ist z.B. die Kohleverbrennung in einem Kraftwerk; das Kraftwerk wird dann als primäre Quelle bezeichnet. Ein primärer natürlicher Prozess ist die Verwitterung von Gestein.
Beim sekundären Prozess entstehen die Partikel aus den Reaktionen bestimmter Gase (Pkt. 3 oben), wobei sich die entstehenden festen Reaktionsprodukte leicht an bereits vorhandene Partikel (sog. Kondensationskerne) anlagern können.
Wichtige natürliche (Schweb)staubquellen sind:
- Bodenerosion
- Vulkanismus
- Meere (sea spray)
- Sandstürme
- Pollenflug
- Wald- und Buschbrände mit natürlicher Ursache (z.B. Blitzschlag)
Wichtige anthropogene (Schweb)staubquellen sind:
- Industrielle Prozesse
- Energiegewinnung (Kraft- und Fernheizwerke)
- Verkehr
- Landwirtschaft
- Bautätigkeit
- Haushalte
- Wald- und Buschbrände (z.B. Brandrodung)
Die Beiträge der einzelnen Quellen zur Staubbelastung (oder genauer zur Schwebstaubbelastung, da man u.a. auch den Rauch und Ruß als Partikelquellen berücksichtigen muss) ist unterschiedlich und hängt im Wesentlichen von der lokalen Situation ab. In einem ländlichen Gebiet kann der Gesteinsstaub (Sand, Löss) erheblich zur Staubbelastung beitragen, wohingegen in einer vielbefahrenen Strasse die Staubbelastung aus einem Cocktail von Abriebmaterial (Reifen, Bremsbeläge, Strassenbelag), Schwermetallpartikeln, Ruß, etc. bestehen wird. Das Umweltbundesamt (2) schätzt, dass der Beitrag zur innerörtlichen Staubbelastung im Wesentlichen drei Quellen zuzuordnen ist:
:1) etwa 50 % aus der Emission von Dieselfahrzeugen (LKW, Kleinlaster, Busse, PKW)
:2) etwa 25 % aus dem, was der Verkehr aufwirbelt (Abrieb von Bremsen, Reifen, Straßenbelag)
:3) etwa 25 % durch ferntransportierte Partikel, daß heisst Partikeln, die aus weiter entfernt liegenden Quellen stammen.
Die Tabellen 1 und 2 fassen Emissionsmengen und Anteile wichtiger Quellen an der Staubentstehung zusammen.
Tabelle 1: Geschätzte primäre Partikelemissionen aus natürlichen und anthropogenen Quellen (Quelle: zitierte Literatur 3 und 4 (für vulkanische Aktivität)); für die Bildung von sekundären Partikeln siehe Abbildung 2)
- : POM: Particulate Organic Matter (partikuläres organisches Material)
Von den in Tabelle 1 genannten Partikelquellen dominieren Seesalz (sea spray) und Gesteinsstaub gegenüber den anderen Quellen. Ein großer Anteil der Seesalz- und der Gesteinsstaubpartikel können aber zum Grobstaub gerechnet werden und unterliegen daher (in der Regel) nicht dem atmosphärischen Ferntransport, d.h. sie werden in relativer Nähe zu ihrer Quelle wieder deponiert (aus der Luft ausgeschieden).
Von gesundheitlicher Relevanz sind die kleinen Partikel (Feinstaub, s.u.) und Partikel, die mit Schwermetallen und/oder organischen Schadstoffen beladen sind (z.B. Asche und Ruß), die häufig aus anthropogenen Quellen stammen.
Tabelle 2: Anteile verschiedener Quellen an der Staubbelastung in Deutschland (5), Österreich (6) und der Schweiz (7) für die in Klammern genannten Jahre; k.A.: keine Angabe
Ein Vergleich der in Tabelle 2 genannten Werte ist nur bedingt möglich, da teilweise die Quellen unterschiedlich betrachtet werden. So wurde beispielsweise bei Abschätzung der Staubemission durch den Straßenverkehr in Österreich die Aufwirbelung nicht berücksichtigt, wohingegen sie bei der Angabe für die Schweiz berücksichtigt worden ist. Hier macht die Aufwirbelung mit 30 % (9.660 to) über die Hälfte des Beitrages des Straßenverkehrs zur Feinstaub-Emission aus.
Grenzwerte und Trends
Wie für andere Luftschadstoffe auch, gibt es in den meisten industrialisierten Ländern Grenzwerte für die anthropogene Staubemission. Aufgrund der vielen Staubarten und –quellen gibt es eine Vielzahl von gesetzlichen Regelungen, von denen ein Teil in Tabelle 3 zusammengestellt ist.
Tabelle 3: Grenzwerte für ausgewählte Staubarten; die jeweilige Vorschrift findet sich in der zitierten Literatur weiter unten
Während die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte bei stationären Quellen (zum Beispiel Industrieanlagen) in der Regel kein Problem darstellt, ist die Einhaltung der seit dem 1. Januar 2005 EU-weit geltenden neuen Grenzwerte für Feinstaub (PM10) insbesondere in Gebieten mit hohem Verkehrsaufkommen oftmals schwierig bzw. unmöglich. Zwar können durch einen Partikelfilter die Rußemissionen von Dieselmotoren deutlich reduziert werden, der aufgewirbelte Straßenstaub, der Abrieb von Reifen und Bremsbelägen lässt sich aber prinzipiell nicht vermeiden. In Deutschland werden jährlich etwa 60.000 Tonnen Partikel (hauptsächlich kleiner 10 µm und damit Feinstaub) durch den Privatverkehr freigesetzt. Für die Schweiz wurde für das Jahr 1997 für den Straßenverkehr eine Feinstaubemission von 1.610 to durch Bremsenabrieb und 2.415 to durch Reifenabrieb ermittelt. Die ermittelte Partikelemission aus dem Abgasen beträgt ebenfalls 2.415 to (7). In Österreich sind etwa zwei Drittel der verkehrsbedingten Gesamtstaubemission durch Reifen- und Bremsabrieb bedingt (6).
Die Entwicklung der anthropogenen Staubemissionen in Deutschland und Österreich ist unterschiedlich. Während in Deutschland die anthropogen bedingten Staubemission im Zeitraum 1990 bis 2001 um fast 87% von 1.858.000 to auf 247.000 to gesunken sind (5), stieg in Österreich die anthropogen bedingte Staubemission von ca. 72.000 to im Jahr 1990 auf annähernd 80.000 to im Jahr 2002 an (6). Die österreichischen PM10-Emissionen sind seit 1990 um 5% auf etwa 47.000 to im Jahr 2002 angestiegen (6).
Staubarten
In der Abbildung 1 (siehe oben) sind bereits verschiedene wichtige Staubarten aufgeführt.
Der Hausstaub ist allgegenwärtig und stellt eine Mischung aus anorganischen und organischen Materialien dar. Zusammenballungen von Hausstaubpartikeln zu größeren Gebilden werden auch als „Wollmäuse“ bezeichnet. Eine Sonderform des Hausstaubes sind die sog. Schwarzen Wohnungen (schwarzer Staub, magic dust), deren Ursache noch nicht eindeutig geklärt ist.
Fasern können bis in die Lunge gelangen und dort zu Schädigungen führen (zum Beispiel Asbestose, verursacht durch Asbestfasern).
Pollen tragen zur natürlichen Staubbelastung insbesondere im Frühjahr bei. Menschen, die allergisch auf Pollen reagieren (Heuschnupfen) leiden unter dieser natürlichen Staubbelastung besonders.
Insbesondere bei Sandstürmen werden riesige Partikelmengen in die Atmosphäre geschleudert und teilweise tausende Kilometer vom Quellgebiet entfernt wieder auf der Erde deponiert.
Wirkung von Staub
Staub kann verschiedene Einflüsse auf den Menschen und die Umwelt haben. Im Gegensatz zum Grobstaub kann Feinstaub über die Atemwege bis in die Lunge gelangen. Die toxikologische Wikrung beruht vor allem auf den Gehalt an Stoffen wie Blei, Vanadium, Beryllium und Quecksilber, von denen einige die Entstehung von Krebserkrankungen fördern. Zudem lagern sich an der Oberfläche der winzigen Staubteilchen andere Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Schwefel- oder Stickstoffverbindungen an, so dass deren Wirkung bei gleichzeitiger Anwesenheit von Staub verstärkt wird. Allgemein erzeugt Staub eine Erhöhung der Zahl von Erkrankungen der Atmungsorgane, wie Grippe, Lungenentzündung und Asthma. Neben gesundheitsschädlichen Aspekten ist der Einfluss von Partikeln auf das Klima ein wichtiger Aspekt aktueller Forschung.
Staub im weiteren Sinn
Auch im übertragenen Sinn gibt es "Staub":
- Den so genannten Cantor-Staub in der Mathematik - auch Cantor-Menge oder Wischmenge genannt,
- der "aufgewirbelte Staub" durch ein unbedachtes Wort, eine unvorsichtige (manchmal auch geplante) Mitteilung oder Aktion usw.
- der "Staub von gestern" und der Staub, der sich über eine Sache legt, wenn sich die Situation beruhigt hat oder genug Zeit verstrichen ist; im Sinne von "veraltet" oder "altmodisch" können Meinungen und Weltanschauungen als "verstaubt" bezeichnet werden;
- der "Staub" im Überdruck von Pulverschnee-Lawinen
- die technischen Stäube, die meist sehr fein sind, häufig mit künstlichen oder natürlichen Mikrofasern oder mit Aerosolen durchmischt sind und zwar prinzipiell "staubähnlich" sind, aber in der Umgangssprache nicht darunter subsumiert werden,
- der Staub und Staubschweif von Kometen,
- der interplanetare Staub des Zodiakallichtes und der Mikrometeoriten,
- der interstellare, kosmische Staub
An der Salzach - zwischen Oberndorf und Laufen - gibt es sogar ein Staubmuseum (Museum of Dust). Sein künstlerisches Ziel ist unter anderem, den entpersönlichten Massen an Staub, die die Welt zusammenhalten, zu einzeln wahrnehmbaren persönlichen Staubpartikelchen zu verhelfen.
Literatur
zitierte Literatur
- 1) M.O. Andreae: Climatic effects of changing atmospheric aerosol levels. In: World Survey of Climatology (ed. H. E. Landsberg), Vol. XVI: Future Climates of the World, A. Henderson-Sellers (ed.), Elsevier Publishers, Amsterdam 1994, ISBN 0-444-89322-9
- 2) Umweltbundesamt Berlin (Hrsg.): Hintergrundpapier zum Thema Staub/Feinstaub (PM). Umweltbundesamt, Berlin, März 2005. http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/hintergrund/feinstaub.pdf
- 3) J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, C.A. Johnson (eds.): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge (U.K.) 2001, ISBN 0521-80767-0 (Hardcover) bzw. 0521-01495-6 (Paperback). Das Buch ist in HTML-Form oder als pdf-Dateien unter [http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/index.htm] veröffentlicht.
- 4) Wilfrid Bach: Our Threatened Climate. D. Reidel Publishing Company, Dordrecht (The Netherlands) 1984, ISBN 9027716803
- 5) Umweltbundesamt Berlin: Umweltdaten Deutschland online - Tabelle Emissionen nach Emittentengruppen (Stand: Sept. 2003), http://www.env-it.de/umweltdaten/jsp/document.do?event=downloadImage&ident=4893
- 6) Umweltbundesamt (Hrsg.): Luftschadstoff-Trends in Österreich 1980-2002. Umweltbundesamt, Wien, Juni 2004; http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/publikationen/DP108.pdf
- 7) Peter Schmid, Christoph Hügelien, Robert Gehrig: Beitrag des Reifenabriebs zu den Staubemissionen des Strassenverkehrs: Bestimmung durch Leitsubstanzen.
- 8) RL 89/427/EWG: Richtlinie 89/427/EWG vom 21. Juni 1989 zur Änderung der Richtlinie 80/779/EWG über Grenzwerte und Leitwerte der Luftqualität für Schwefeldioxid und Schwebestaub (Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften L201, S. 53 ff.)
- 9) RL 1999/30/EG: Richtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 über Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und Stickstoffoxide, Partikel und Blei in der Luft (Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften L163 (29. Juni 1999), S. 41 – 60)
- 10) TRGS 900: Technische Regeln für Gefahrstoffe 900 - Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz "Luftgrenzwerte"
- 11) TRGS 553: Technische Regeln für Gefahrstoffe 553 - "Holzstaub"
Staub allgemein
- Erich H. Wichmann, Joachim Heinrich, Josef Cyrys, Claudia Spix: Saure Aerosole als Teil der partikelförmigen Luftverunreinigungen. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 4(1), S. 43 – 53 (1999),
- Bundesweite Staub-Vergleichsmessung. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft – 10 /2003, S. 39,
- Carsten Möhlmann: Staubmesstechnik - damals bis heute. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft – 65(5), S. 191 - 194 (2005),
Feinstaub
- Joachim Heinrich, Veit Grote, Annette Peters, Erich H. Wichmann: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub: Epidemiologie der Langzeiteffekte. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 7(2), S. 91 – 99 (2002),
- Arbeitsgruppe ´Wirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit´ der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN: Bewertung des aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstandes zur gesundheitlichen Wirkung von Partikeln in der Luft - Arbeitsgruppe ´Wirkungen von Feinstaub auf die menschliche Gesundheit´ der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 8(5), S. 257 – 278 (2003),
- J. Junk, A. Helbig: Die PM10-Staubbelastung in Rheinland-Pfalz. Neue gesetzliche Regelungen für Feinstaub und erste Messergebnisse. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft – 1/2 /2003, S. 43,
- T. Pregger, R. Friedrich: Untersuchung der Feinstaubemissionen und Minderungspotenziale am Beispiel Baden-Württemberg. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft 64(1/2), S. 53 - 60 (2004),
- M. Struschka, V. Weiss, G. Baumbach: Feinstaub - Emissionsfaktoren und Emissionsaufkommen bei kleinen und mittleren Feuerungsanlagen. Immissionsschutz (Berlin) 9(1), S. 17 – 22 (2004),
Hausstaub
- Hans Schleibinger, Detlef Laußmann, Henning Samwer, Angelika Nickelmann, Dieter Eis, Henning Rüden: Unterscheidung von Schimmel- und Nichtschimmel-wohnungen anhand von Sporen aus Hausstaubproben - Ergebnisse einer Feldstudie im Grossraum Berlin. Umweltmedizin in Forschung und Praxis 9(4), S. 251 – 262 (2004), 9(5), S. 289 – 297 (2004), 9(6), S. 363 – 376 (2004),
- Regine Nagorka, Christiane Scheller, Detlef Ullrich: Weichmacher im Hausstaub. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 65(3), S. 99 – 105 (2005),
Schwarze Wohnungen
- Das Phänomen der „Schwarzen Wohnungen“. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft – 11 /1998, S. 463
- H.-J. Moriske, T. Salthammer, M. Wensing, A. Klar, P. Meinlschmidt, J. Pardemann, A. Riemann, W. Schwampe: Neue Untersuchungsergebnisse zum Phänomen „Schwarze Wohnungen“. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft – 09 /2001, S. 387,
- Umweltbundesamt Berlin (Hrsg.): Attacke des schwarzen Staubes - Das Phänomen „Schwarze Wohnungen“. Umweltbundesamt, Berlin, August 2004. Broschüre als pdf-Datei unter [http://www.umweltbundesamt.org/fpdf-l/2276.pdf]
Spezieller Staub
- M. Poppe, B. Detering, J. Neuschaefer-Rube, W. Woeste, B. /Wüstefeld, J. Wolf: Holzstaubbelastung in Arbeitsbereichen der deutschen Holzindustrie. Gefahrstoffe/Reinhaltung der Luft - 06/2002, S. 247,
- Gerhard Soltys, Franz Gredler: Atemwegserkrankung durch Mehlstaub. Sichere Arbeit (Wien) 3/2004, S. 18 – 21 (2004) Artikel als pdf-Datei unter [http://www.sicherearbeit.at/downloads/download_1711.pdf]
Siehe auch
Aerosole, Asbest, Feinstaub, Staub, Staubexplosion, Staublunge (Silikose), Steinmehl,Goldstaub, interstellarer Staub, Staubfänger, Staubgefäß, Staublawine, Sternenstaub
Weblinks
- [http://www.dorfzeitung.com/dz/2000/1112/knie.htm Museum of Dust]
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1) grammatisch hat Staub keine Pluralform. Die oben angeführte Mehrzahl Stäube ist ein Kunstwort, das für den technischen Sprachgebrauch geprägt wurde (siehe Duden). Durch Verwendung im Umweltschutz dringt sie langsam in die Alltagssprache ein. Allerdings gibt es Formen wie Stäubchen, stäuben (zerstieben), stäubern (regional für "Staub entfernen" bzw. staubsaugen) oder Stäubling (ein Pilz).
Kategorie:Pulver
ja:粉塵
BrückenpfeilerAls Pfeiler wird im Hochbau ein frei oder an der Wand stehender, mehr oder minder schlanker prismatischer Stein- oder Mauerkörper bezeichnet, der zur Unterstützung einer verhältnismäßig großen Last bestimmt ist.
Pfeilerarten
Gebäude und Gewölbe
Haben Pfeiler die lotrecht wirkende Belastung eines Gebälkes zu tragen, so sind es Stützpfeiler; haben sie dem auf eine Umfangswand wirkenden Seitendruck eines Gewölbes zu widerstehen, so sind es Strebepfeiler; besteht das Fundament eines Gebäudes aus einzelnen Pfeilern, welche durch gewölbte Bogen verbunden werden, so heißen sie Grundpfeiler.
An den Ecken eines Gebäudes oder einer Säulenreihe stehende Pfeiler nennt man Eckpfeiler; mit der Wand verbundene, etwas aus dieser hervortretende Pfeiler nennt man Wandpfeiler oder auch Pilaster. Ein Trumeau ist ein Pfeiler der eine Tür- oder Fensteröffnung zweiteilt.
Freistehende Pfeiler erhalten meist Sockel und Kapitell.
Sie wurden besonders
- in der romanischen Baukunst allein als Träger der Arkaden im Kirchenbau (Pfeilerbasiliken) oder in Verbindung mit frei stehenden Säulen verwendet, bzw.
- in der gotischen Baukunst in Verbindung mit angelehnten Säulchen (Bündelpfeiler) angewandt.
Pfeiler bei Brücken
Im Brückenbau unterscheidet man
- je nach ihrer Stellung End- oder Landpfeiler, Zwischen- oder Strompfeiler,
- je nach ihrer Funktion Stützpfeiler bei Balkenbrücken, Widerlagpfeiler bei gewölbten Brücken und Ankerpfeiler bei Hängebrücken,
- je nach ihrem Material steinerne oder massive Pfeiler, hölzerne oder eiserne Pfeiler, welch letztere
- je nach ihrer Konstruktion wieder in die niedrigern, aus einzelnen Stützen oder Säulen bestehenden Jochpfeiler und in die höhern, aus starken Eckpfosten oder Ecksäulen und zwischen sie eingeschaltetem Stabwerk bestehenden Fachwerkpfeiler eingeteilt werden.
Pfeiler für Messungen
In der Astronomie und Geodäsie werden für höchste Messgenauigkeiten, bzw. für heikle Überwachungs-Aufgaben z.B. an Tunnelportalen tief fundierte Messpfeiler verwendet. Die Fundierung muss mindestens 2 Meter in festen Boden - möglichst in den gewachsenen Fels - reichen.
Für geringere Ansprüche kann es genügen, etwas unter die maximale Frostgrenze zu fundieren, die in Mitteleuropa etwa 60 cm beträgt. Für die Triangulation 1. Ordnung wurden früher schwere steinerne Vermessungspunkte mit 20-30 cm Durchmesser verwendet.
Messpfeiler für Vermessungsnetze höher Präzision haben Durchmesser von etwa 40-70 cm. Sie dürfen sich nicht mehr als 0.5" bewegen (d.h. kaum 1 Mikrometer), wenn der Beobachter auf verschiedenen Seiten des Pfeilers misst.
Bei Sternwarte reichen etwa die Pfeiler der Teleskope bzw. Astrografen von der Plattform bzw. Kuppel durch das ganze Gebäude hindurch in ein eigenes Fundament, was einen hohen Aufwand bedeutet. Bei neueren Observatorien und geodätischen Fundamentalstationen (siehe z.B. Wettzell) trachtet man deshalb, die Konstruktionen möglichst bodennah auszulegen.
Der erste Teil des Artikels basiert auf einem Text aus Meyers Konversationslexikon von 1888
Kategorie:Bauteil
SenkkastenDer Ausdruck Caisson (v. französ.) bezeichnet einen Kasten, Kastenwagen oder einen Senkkasten, der bei Unterwasserarbeiten eingesetzt wird.
Letzterer ist ein hohles, zylindrisches oder rechteckiges Gebilde, das als Fundament oder als Arbeitsraum im Wasser versenkt wird.
Der Caisson wird i.d.R. an Land erbaut und danach an die erforderliche Stelle auf dem Wasser geschleppt und versenkt. Meist ist es aber noch nötig, den Senkkasten um einen bestimmten Betrag in den Grund abzusenken. Dafür wird er als Arbeitsraum genutzt, der unten geöffnet ist. Um das umgebende Wasser am Eindringen zu hindern, wird der Hohlraum pneumatisch unter einen abgestimmten Überdruck gesetzt.
Anschließend kann das Material des Grundes weggeschafft werden - der Caisson kann in der Folge immer weiter abgesenkt werden. Ist die erforderliche Tiefe erreicht, wird der Hohlraum - meist mit Beton - verfüllt, womit z.B. ein Brückenpfeiler fertig gestellt wäre.
Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes ist der Tunnelbau. Hierbei werden mehrere Caissons nebeneinander versenkt und wasserdicht miteinander verbunden. Dann werden die Seitenwände entfernt, um somit eine durchgängige Röhre zu verwirklichen.
Der Caissonbau war und ist eine häufig angewandte Bautechnik.
Für den Menschen, der in einem solchen, unter Überdruck gesetzten Caisson arbeitet, bietet sich jedoch ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotenzial. Erfolgt der Druckabfall beim Verlassen des Caissons zu rasch, können sich im Blut Gasblasen bilden, die zu Lähmungen oder zum Tode führen können. Man spricht hiernach von der Caissonkrankheit (Maladie de caisson).
Mittlerweile wird dieser Gefahr entgegengewirkt, indem Arbeiter nach ihrer Tätigkeit im Caisson sich in eine Druckkammer begeben, in der der Druck über einen langen Zeitraum kontinuierlich abgesenkt wird.
Kategorie:Bauausführung
PressluftAls Druckluft bezeichnet man komprimierte Luft.
Sie wird laienhaft auch als Pressluft bezeichnet.
Sie wird zu verschiedenen Zwecken verwendet:
- als Energieträger
- zur Reinigung
- als Atemluft
Entsprechend dem Verwendungszweck wird normale Luft mit Kompressoren auf einen höheren Druck gebracht und unterschiedlich behandelt.
Energieträger
Die Druckluft wird zum Antrieb von Zylindern oder Turbinen verwendet, die beim Entspannen der Luft die Energie in Linearbewegung oder Drehbewegung umwandelt.
Allgemein ist diese Anwendung unter der Bezeichnung Pneumatik bekannt.
Reinigung
Beim Entspannen der Luft in einer Düse wird ein schneller Luftstrom erzeugt, der zum Wegblasen von Schmutz verwendet werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Druckluft den Kompressor mit einem Ölnebel verläßt und deshalb für hochreine Anwendungen ohne aufwändige Filterung nicht geeignet ist.
(Außer man verwendet einen ölfrei verdichtenden Kompressor!)
Luft wird in Druckluftflaschen unter einem höheren Druck zur Platzverringerung gespeichert und bei Bedarf über Druckminderventile zur Atmung verwendet.
Während der Druckluft beim Antrieb von Druckluftgeräten auch etwas Öl als Schmierstoff beigemischt werden kann, muss sie für die beiden anderen Verwendungszwecke fettfrei sein. Zunehmend werden jedoch ölfreie Anwendungen eingesetzt, ermöglicht durch die Verwendung neuartiger Werkstoffe. In der Nahrungsmittelindustrie z.B. darf nur ölfreie Druckluft zum Einsatz kommen.
Auch die Verwendungsdrücke sind verschieden.
Als Energieträger oder zur Reinigung hat Druckluft meist einen Druck bis ca. 10 - 15 bar. Als Atemluft steht sie in den Flaschen unter 200 - 300 bar.
Kühlung
In vielen technischen Prozessen wird Druckluft zur Kühlung verwendet.
Siehe auch: Atemschutzkompressor, Atemschutzgerät, Lungenautomat, Presslufthammer
Kategorie:Gastechnik
Kategorie:Tauchen
Prallluftschiff
Prallluftschiffe, auch Blimps genannt, sind Luftschiffe ohne inneres Gerüst (wie ein Ballon). Ihre aerodynamische Form erhalten sie durch die Form der Hülle.
Umgangssprachlich wird auf Prallluftschiffe irrtümlich häufig auch der Begriff Zeppelin angewendet, der aber nur die von Zeppelin hergestellten Luftschiffe oder (abweichend) Starrluftschiffe mit einem Innenskelett bezeichnet.
Die Bezeichnung "Blimp"
Die etymologische Herkunft des Ausdruckes Blimp liegt im Dunkeln. Es sind verschiedene Theorien bekannt, die zum Teil vielleicht eher der Volksetymologie zuzurechnen sind:
- Gewöhnlich wird die Bezeichnung dem britischen Offizier Lt. Alexander Duncan Cunningham (siehe Weblink) zugeschrieben und soll lautmalerisch das Geräusch beschreiben, das entsteht, wenn man die pralle Hülle mit den Fingern antippt. Diese Version wird auch vom traditionsreichen Luftschiffhersteller Goodyear angegeben.
- Der englische Pilot Horace Shortt soll es von dem englischen Adjektiv limp (schlaff, biegsam) abgeleitet haben. limp bag bedeutet sinngemäß schlaffer Sack, verballhornt ergibt sich daraus bag limp.
- Ein britisches Luftschiff-Handbuch soll definiert haben:
::There are two types of airships: a) rigid, b) limp
::[Es gibt zwei Typen von Luftschiffen: a) starr, b) schlaff]
:Der Begriff Blimp entstand demnach durch scherzhafte Zusammenziehung von "b) limp" zu "blimp". Eine analoge, oft gehörte Erklärung, die behauptet, das amerikanische Militär habe seine Luftschiffe in "type A-rigid" und "type B-limp" eingeteilt, kann dagegen durch die der Einteilung in A- und B-Typen vorausgehende Verwendung des Begriffs Blimp in einer englischen Publikation im Jahr 1916 als widerlegt betrachtet werden.
- Die fiktive Figur des stockkonservativen Colonel Blimp hat der für die satirische Zeitschrift Punch arbeitetende Karikaturist Sir David Alexander Low (1891 - 1963) erfunden. Colonel Blimps wohlgeformte äußere Erscheinung ähnelte sehr der eines Luftschiffes.
Technik
1963
Bei Prallluftschiffen werden Volumenänderungen durch Luftdruckschwankungen bzw. Temperaturänderungen des Traggases durch Ballonetts ausgeglichen. Sie sorgen dafür, dass in der Hülle immer ein kleiner Überdruck zum Luftdruck herrscht und der Auftriebskörper so prall bleibt. Dies ist notwendig, da bei Erschlaffen der Hüllen die Steuerbarkeit verloren geht oder zumindest stark eingeschränkt wird. Auch die hinteren Leitwerksflossen sind nur auf der Hülle befestigt und haben keine starre Verbindung zur Gondel. Zum Aufblasen des Ballonets wird meist ein Teil des vom Antriebspropeller erzeugten Luftstroms genutzt.
Die Motoren sind meist direkt an oder in der Gondel untergebracht. Einige, jedoch bei weitem nicht alle Modelle können die Propeller zum leichteren Manövrieren schwenken.
Prallluftschiffe sind die am häufigsten gebauten Luftschiffe, da sie relativ einfach herzustellen sind und nach Ablassen des Traggases leicht transportiert werden können. Ihnen sind jedoch durch die unstabile Hülle Grenzen in der Größe gesetzt. Zu lange Auftriebskörper drohen bei nicht ausreichendem Innendruck in der Mitte einzuknicken. Man entwickelte daher Kielluftschiffe bzw. Starrluftschiffe. Trotzdem fanden sich für die kleineren und günstigeren Prallluftschiffe vielfältige Aufgaben in der Luftfahrt und beim Militär.
Moderne Prallluftschiffe starten im Gegensatz zu den historischen Exemplaren in der Regel mit etwas „Übergewicht“. Die fehlende Auftriebskraft wird dabei durch etwas Anlauf und heben der Bugspitze beim Start mit Motorenkraft erzeugt. Einige Typen können auch die Triebwerke schwenken um Schub in Vertikalrichtung zu erzeugen (z.B. Skyship 600). Das leichte Übergewicht macht zum einen den Abwurf von Ballast beim Start überflüssig, zum anderen muss für die Landung kein teures Traggas aus der Hülle entlassen werden. Die Schiffe können jedoch bei längeren Fahrten, wenn sie sehr viel Treibstoff verbraucht haben, auch Leichter als Luft werden.
Eine Sonderform der Prallluftschiffe sind Heißluft-Luftschiffe. Sie erhalten ihren Auftrieb ebenso wie Heißluftballone durch den Dichteunterschied von heißer und kalter Luft. In ihrer Bauform und ihren Einsatzmöglichkeiten sind sie kleiner und beschränkter als Gas-Luftschiffe, jedoch sehr viel wirtschaftlicher zu betreiben.
Geschichte
(siehe auch Artikel: Luftschiff)
Das erste Prallluftschiff wurde 1852 von Henri Giffard gebaut und von einer Dampfmaschine angetrieben.
Als Urahn moderner Prallluftschiffe gilt die „Pilgrim“, sie wurde 1925 von Goodyear gebaut und wies bereits die meisten noch heute üblichen Konstruktionsmerkmale auf.
ZMC-2 war ein 1929 gebautes Ganzmetall-Luftschiff. Die Hülle bestand aus vernietetem 0,24 mm dickem Duraluminiumblech. Es wurde als Prallluftschiff klassifiziert, da zum Erhalt der äußeren Form ein Überdruck im Inneren des Auftriebsköpers notwendig war. Es blieb jedoch trotz des innovativen und vielversprechenden Konzepts bei nur einem Prototyp.
Die amerikanischen ZPG-3W Luftschiffe waren bis heute (Stand 2005) die größten Prallluftschiffe der Welt. Es wurden vier Schiffe des Typs gebaut. Sie wurden von der US-Marine zur Luftraumüberwachung eingesetzt und besaßen eine große Radar-Anlage innerhalb der Hülle. Ihr Volumen betrug fast 43.000 Kubikmeter, bei einer Länge von etwa 123 m. Sie versahen ihren Dienst von 1958 bis zum Ende des US-Marine-Luftschiffprogramms 1962.
Prallluftschiffe (Auswahl)
- einige Luftschiffe von August von Parseval, siehe unter: Parseval Luftschiff Ende des 19. Anfang des 20. Jh.
- Coastal Class-Luftschiff: englischer Typ z.Z. des Ersten Weltkrieges
- Luftschiffe im Dienst der US-Marine zur Luftraumüberwachung und U-Boot-Abwehr
- Skyship: auch bekannt aus dem „James Bond“-Film Im Angesicht des Todes von 1985
- WDL-Luftschiffgesellschaft: Werbeluftschiffe und Rundfahrten vom Flughafen Essen-Mülheim
- Goodyear: die wohl berühmtesten Werbeblimps
- The Lightship Group: hauptsächlich Werbeluftschiffe der American Blimp Cooperation
- Voliris: fränzösischer Luftschiffanbieter (gegründet 1999)
- White Dwarf: muskelkraftbetriebenes Luftschiff
- Aeros: US-amerikanischer Hersteller kleinerer Prallluftschiffe
- MA-1 Ardath: Australien, Ende der 1970er
- Heißluft-Luftschiffe z.B. der deutschen GEFA-FLUG
- AT-10: der englischen Advanced Technologies Group
- Aerosphere: Das kugelrunde Schiff stellte am 12. Juni 2003 eine FAI-Höhenweltrekord auf.
- Hua Jiao: chinesische Luftschiffe (Zulassung Ende 2004)
Siehe auch
-
- Sentinel 1000 ein weiteres Prallluftschiff
Weblinks
- [http://www.wdl-luftschiff.de/ WDL Luftschiffgesellschaft mbH] -- deutscher Hersteller und Betreiber von Prallluftschiffen
- [http://www.goodyearblimp.com/ Die Goodyear-Blimps] (englisch)
- [http://www.airshipman.com/ Airship Management Services] (englisch) -- betreibt Luftschiffe vom Typ Skyship 600, unter anderem die Fujifilm-Blimps
- [http://www.rafweb.org/Biographies/Cunningham.htm Lebenslauf von Alexander Duncan Cunningham]
- [http://www.globalsecurity.org/wmd/systems/zpg-3.htm Informationen zum ZPG-3W-Luftschiff auf englisch]
- [http://www.aerosml.com/main.htm Startseite von Aeros/USA (engl)]
Kategorie:Luftschiff
UnterdruckAls Unterdruck bezeichnet man in der Physik den Zustand des niedrigeren Drucks in einem Gefäß oder Behälter. Ein Unterdruck herrscht, wenn der Druck des das Gefäß umschließenden Mediums größer ist, als der Druck innerhalb des Gefäßes. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich um Luftdruck oder Wasserdruck oder um den Druck irgendeines anderen Mediums handelt.
Ein Unterdruck herrscht beispielsweise auch beim Staubsauger, es wird ein Unterdruck im inneren des Gerätes erzeugt, sodass die Luft am Ende des Schlauches eingesogen wird.
Bei Strömungen spielt die Druckdifferenz eine entscheidende Rolle. Wenn sonst gleichbleibende Bedingungen herschen, steigt die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung des Druckabfalles mit der Höhe des Unterdruckes proportional an. Es erhöhen sich ebenso die Kraft und der Impuls des Mediums (z.B. ein Fluid).
Physikalisch und technisch versteht man diese Größen als Vektoren (auch Tensoren oder Skalare).
Der Begriff Unterdruck steht relativ zum Betrachter der jeweiligen Räume. Es handelt sich dann jeweils um Über- oder Unterdruck.
Siehe auch: Vakuum, Druckkabine, Strömungsmechanik
Kategorie:Thermodynamik
Kategorie:GastechnikKategorie:Technik
Kategorie:Gas Káoszelmélet
A káoszelmélet a matematikában és a fizikában olyan nemlineáris dinamikai rendszerek viselkedésével foglalkozik, melyek a káosznak nevezett jelenséget mutatják. Az ilyen rendszerek érzékenyek a kezdőfeltételekre (lásd pillangóhatás). A légkör, a naprendszer, a lemeztektonika, a turbulens folyadékok, a gazdaság és a populáció változása mind ilyen rendszerek.
A matematika káoszt mutató rendszerek determinisztikusak, ellenben a káosz szó hétköznapi jelentésével, ami totális rendetlenséget sugall. Mikor azt állítjuk, hogy a káoszelmélet a determinisztikus rendszereket tanulmányozza, meg kell említeni, hogy létezik a fizikának egy kvantum-káoszelméletnek nevezett területe ami a kvantummechanika törvényeit követő nemdeterminisztikus rendszerekkel foglalkozik.
A káoszelmélet leírása
Egy nemlineáris dinamikai rendszer általában a következő viselkedésmódok valamelyikét mutatja:
- nyugalomban van
- végtelenségig tágul (csak nem korlátos rendszerek)
- periodikus mozgás
- kvázi-periodikus mozgás
- kaotikus mozgás
A viselkedés típusa függhet a rendszer kezdőállapotától és a paraméterektől (ha léteznek).
Kaotikus mozgás
A legérdekesebb viselkedéstípus a kaotikus mozgás, egy nemperiodikus komplex mozgás, ami az elmélet nevét adta. Ahhoz, hogy azt mondhassuk, egy rendszer kaotikusan viselkedik, eleget kell tennie a következő feltételeknek:
- korlátosnak kell lennie
- érzékenynek kell lennie a kezdőfeltételekre
- tranzitívnak kell lennie
- a periodikus pályának sűrűnek kell lennie
A kezdőfeltételekre való érzékenység azt jelenti, hogy két ilyen rendszer legyen bármilyen közel is egymáshoz eleinte, idővel nagyon eltávolodik egymástól (persze két determinisztikus rendszer mindig egyforma marad, ha a kezdőfeltételeik megegyeznek). Egy példa ilyen érzékenységre az úgynevezett „pillangóhatás”: egy pillangó szárnyának csapása apró változásokat kelt a légkörben, ami így az idő múlásával annyira el fog tartani a „pillangó nélküli” időjárástól, hogy a különbség akár egy tornádónyira is dagadhat. Más ismert példák kaotikus mozgásra a festékek keveredése és a turbulens áramlás.
Attraktorok
Egy mód arra, hogy megjelenítsünk egy kaotikus mozgást (vagy bármilyen más mozgást), hogy elkészítjük a fázisdiagrammját. Egy ilyen diagrammon minden tengely az állapot egy-egy dimenzióját jelenti. Tehát egy nyugvó rendszert egy pontként lehet ábrázolni, egy periodikusan mozgó rendszert pedig egy egyszerű zárt görbe fog ábrázolni.
Egy adott rendszer fázisdiagrammja függhet a kezdőállapottól (illetve a paramétereitől), de a fázisdiagrammok gyakran azt mutatják, hogy a rendszer végülis ugyanazt a mozgást végzi minden kezdőállapotra a pálya környezetéből, mintha a rendszert „vonzaná” ez a pálya. Az ilyen attraktív mozgást ennek megfelelően attraktornak nevezzük.
Különös attraktorok
Míg a fent leírt mozgástípusok többsége rendkívül egyszerű attraktorokat hoz létre, úgy mint pontok és körszerű görbék , a kaotikus mozgás olyasmit ad, amit különös attraktornak nevezünk. A különös attraktorok nagyon bonyolultak, finom szerkezetűek lehetnek. Például Edward Lorenz háromdimenziós, lecsupaszított konvekció-modellje a híres Lorenz attraktort adja. A Lorenz attraktor minden bizonnyal a legismertebb kaotikus fázisdiagramm, ami nem csak azért van így, mert ez volt az első, amit felfedeztek, de ez az egyik legösszetettebb, és nagyon érdekes mintát mutat, ami úgy néz ki, mint egy bagoly arca.
A különös attraktorok fraktálstruktúrával rendelkeznek.
Történelem
A káoszelmélet gyökerei körülbelül 1900-tól, Henri Poincarénak a háromtest problémával kapcsolatos tanulmányaiból erednek.
Poincaré úgy találta, hogy lehetnek nemperiodikus pályák. Később G.D. Birkhoff, A.N. Kolmogorov, M.L. Cartwright, J.E. Littlewood, és Stephen Smale tanulmányozta a nemlineáris differenciálegyenletek. Smale-t kivéve, aki talán az első csak-matematikus volt, aki tanulmányozta a nemlineáris dinamikát, ezeket a tanulmányokat mind a fizika ihlette: Birkhoff esetében a háromtest-probléma, Kolmogorovnál turbulencia és csillagászati problémák, Cartwright és Littlewood esetében pedig a rádiózás. Bár kaotikus bolygópályákat még nem észlelt senki, a turbulenciát és a nemperiodikus oszcillációt az áramkörökben megfigyeltek a kísérletezők, anélkül, hogy előálltak volna bármiféle elmélettel, ami ezt megmagyarázta volna.
A káoszelmélet a század közepén gyors fejlődésnek indult, mikor néhány tudós számára egyértelművé vált, hogy a lineáris elmélet, az akkoriban uralkodó rendszerelmélet nem tud megmagyarázni bizonyos viselkedéseket, mit amilyen például a logisztikus leképezésé. A káoszelmélet fejlődésének fő elősegítője a az elektronikus számítógép felfedezése volt. A káosz matematikájának nagy része ugyanis egyszerű formulák iterációjáról szól, amit nem lenne praktikus kézzel végezni. A Moore-törvény és az olcsóbb számítógépek nagyban növelték a káoszelmélet fejlődését. A káoszelmélet napjainkaban is rendkívül aktív kutatási terület.
Az elmélet egyik úttörője Edward Lorenz volt, aki munkája során véletlenül botlott a káoszba. Lorenz időjárás-előrejelzéssel foglalkozott, és egy egyszerű számítógépet használt a légkörmodelljének futtatására. Egyszer szeretett volna egy adatsort még egyszer látni, és hogy időt spóroljon meg, egy korábbi szimuláció kimenetét táplálta vissza annak közepéről a számítógépébe.
Nagy meglepetésére az időjárás, amit a gép elkezdett számolni, gyorsan tért el attól, amit legutóbb számolt. Eleinte a gép hibájára gyanakodott, de mint azt kiderítette, nem a számítógépben volt a hiba. Lorenz az adatokat 6 tizedesjegy pontosan ábrázolta, de csak 3 jegy pontossággal írta vissza a gépbe. Ez a rendkívül kis eltérés okozta a rendkívül nagy divergenciát. Az akkori elképzelés azt mondta, hogy ilyen kis eltérésnek nem lehet „túl nagy” hatása. Edward Lorenz felfedezte, hogy nagyon kis eltérések a kezdőfeltételekben idővel nagy eltéréshez vezethetnek. Ennek a jelenségenk egy tanulmánya címében adta a pillangóhatás nevet: „Does the flap of a butterfly's wing in Brazil set off a tornado in Texas?”.
A káosz szót a matematikába James A. Yorke alkalmazott matematikus vezette be.
Népszerű elképzelések
A káoszelméletet sok népszerű sci-fi könyvben és filmben használtaák fel (néhol helytelenül).
- Közérthetően fogalmazva, egy lineáris rendszer pontosan egyenlő a részeinek az összegével, míg egy nemlineáris rendszer tudhat többet, mint a részeinek az összege. Ahhoz tehát, hogy hogy tanulmányozhassuk és megérthessük egy nemlineáris rendszer viselkedését, a rendszert mint egészet kell vizsgálni, nem pedig darabokra szétszedve.
- Azt lehet mondani, hogy ha az univerzum egy elefánt, akkor a lineáris elmélet csak arra jó, hogy az elefánt farkának utolsó kis molekuláját megértsük, a káoszelméletet kell alkalmazni, ha meg akarjuk érteni a maradékot. Másszóval a lineáris rendszerek a természetben nagyon ritkák, szinte minden érdekes. valóságos rendszert nem lineáris rendszerként lehet leírni.
A mindennapi, megjósolható, nem kaotikus, determinisztikus rendszerek (mint a billiárdgolyók az asztalon), unalmasnak tűnhetnek, mert a legtöbb esetben a tudósok már századokkal ezelőtt felfedezték, hogyan működnek, és senkit sem fognak meglepni, aki a működésüket ismeri. Egy nem kaotikus rendszer általában alaposabban ismert, mint egy kaotikus rendszer, és ezért valószínűleg sokkal kevésbé érdekes. Például a káoszelmélet szerepel a Jurassic Park című regényben. A káoszelmélet előfordul videojátékokban, például a Tom Clancy's Splinter Cell: Chaos Theory-ban és a Sonic the Hedgehog-ban.
A káoszelmélet kifejezést néha hibásan használják valamilyen véletlenszerű folyamat leírásakor. Például a Goldstar 1993-ban gyártott egy mosógépet, amit úgy reklámozott, hogy a káoszelméletet használta fel a tervezése során. Ez azonban csak annyit jelentett, hogy a masina véletlenszerű lökésekkel kavargatta a vizet.
A káoszelmélet kritikája
A káoszelmélet ellen szól, hogy olyan dolgokkal foglalkozik, amiknek kevés jelentőségük van a valós tervezésben. Például a passzív elektromos áramkörök lineárisak. A legtöbb jel véges energiával rendelkezik és lineáris. A matematika, a dinamika és a statisztika mind lineáris egyenleteket használ a világ leírására. Ilyen egyenletek képezik az alapját a szimulációknak, amelyek segítségével műholdakat lőnek az űrbe, erős hidakat építenek, stb... Ezek mind nagyon fontos, valóságos rendszerek.
A válasz erre a kritikára, hogy a nemlineáris rendszerek viselkedésének tanulmányozása fontos a lineáris rendszerek tervezésénél, mert még a lineárisnak tervezett rendszerek is nemlineárissá válhatnak bizonyos körülmények között (lásd Tacoma Narrows híd és London Millennium híd).
Matematikai elmélet
A matematikusok többféle módon jellemzik a kaotikus rendszereket:
- az attraktor fraktál dimenziója
- Lyapunov exponens
- Poincaré leképezés
- bifurkációs diagram
Kaotikus rendszerek minimális bonyolultsága
Sok egyszerű rendszer képes kaotikusan viselkedni anélkül, hogy parciális differneciálegyenletre támaszkodna. Ilyen a logisztikus leképezés, ami a populáció növekedését írja le az idő múlásával.
Még olyan diszkrét rendszerek is, mint a sejtautomaták, erősen függhetnek a kezdőfeltételektől. Stephen Wolfram vizsgált egy ilyen automatát, amit rule 30-nak nevezett el.
Más példák kaotikus rendszerekre
- Dupla inga
- Logisztikus leképezés
Lásd még
- Fraktál
- Dinamikai rendszer
- Benoît Mandelbrot
- Mandelbrot halmaz
- Julia halmaz
- Megjósolhatóság
- Mitchell Feigenbaum
Referenciák
Könyvek és munkák
- Chaotic and Fractal Dynamics, Francis C. Moon, ISBN 0471545716
- Chaos in Classical and Quantum Mechanics, Martin Gutzwiller, ISBN 0387971734
- Chaos: an introduction to dynamical systems, K. T. Alligood, T. Sauer és J. A. Yorke, ISBN 0387946772
- Chaotic dynamics, J. P. Gollub and G. L. Baker, ISBN 0521476852
- Chaos, Scattering and Statistical Mechanics, P.Gaspard, ISBN 0521395119
Fél-szakkönyvek és populáris írások
- The Beauty of Fractals, H.-O. Peitgen and P.H. Richter
- Chance and Chaos, David Ruelle
- Computers, Pattern, Chaos, and Beauty, Clifford A. Pickover
- Fractals, by Hans Lauwerier
- Fractals Everywhere, Michael Barnsley
- Order Out of Chaos, Ilya Prigogine és Isabelle Stengers
- Chaos and Life, Richard J Bird
- Does God Play Dice?, Ian Stewart
- The Science of Fractal Images, Heinz-Otto Peitgen és Dietmar Saupe, Eds.
- Explaining Chaos, Peter Smith
- Complexity, M. Mitchell Waldrop
- Chaos, Fractals and Self-organisation, Arvind Kumar
- Chaotic Evolution and Strange Attractors, David Ruelle
Magyar nyelvű könyvek
- Káosz, James Gleick
Külső hivatkozások
- http://www.nbi.dk/ChaosBook/
- [http://www.libraryreference.org/chaos.html Chaos Theory and Education]
- [http://www.kfki.hu/~cheminfo/TermVil/tv98/tv9809/kaosz.html A káosz természetrajza]
- [http://mathworld.wolfram.com/Rule30.html Rule-30 A Mathworld-ön]
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