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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

Folge 17: Das Vakuum in der Dose oder

Warum wir nicht von den Luftmassen erdrückt werden

1.013,25 bar. Oder 101.325 Pascal. Das ist der Druck, mit dem die Luftmassen der Erdatmosphäre auf jedem Quadratmeter Erdoberfläche auf Meereshöhe lastet. Ein enormer Druck, der einer Gewichtskraft eines Gegenstandes von mehr als 10 Tonnen Gewicht entspricht. Dass uns dieses enorme Gewicht der 100 Kilometer hohen Luftsäule über uns nicht zerquetscht liegt daran, dass unser Körper einen inneren Gegendruck zum atmosphärischen Luftdruck aufbaut. Aber wie würde es aussehen, wenn wir dem Luftdruck nichts entgegensetzen würden? Das können wir mit einem hübschen kleinen Experiment veranschaulichen.

Implosion in der Wasserschüssel

Wir nehmen eine Metallflasche, zum Beispiel eine sogenannte Trichterflasche aus Weißblech. Wichtiger als das Volumen der Flasche (zwischen 0,2 Liter und einem Liter) ist ein solider Schraubverschluss. In die Flasche füllen wir knapp einen Fingerbreit normales Leitungswasser und stellen die Flasche ohne den Deckel auf den Ofen. Nach wenigen Minuten beginnt das Wasser in der Flasche zu kochen. Wir lassen es fünf bis zehn Minuten köcheln. (Keine Angst, die Flasche kocht nicht trocken, es bleibt immer genügend Wasser darin, weil ein Großteil des verdampften Wassers an der Öffnung kondensiert und wieder auf den Boden läuft.) Dann fassen wir – Vorsicht, die Flasche ist jetzt natürlich sehr heiß! – Flasche und Deckel mit Topflappen oder einer Grillzange und drehen den Deckel möglichst fest auf die Flasche. Wir nehmen die Flasche vom Herd und tauchen sie in eine Schüssel mit kaltem Wasser. Zunächst geschieht nichts. Doch nach etwa zehn Sekunden implodiert die Flasche schlagartig. Sollte sie dies nicht von selbst tun, kann man auch etwas nachhelfen, indem man vorsichtig von außen auf die Flasche drückt. Noch etwas einfacher, kann man dieses Experiment mit einer Getränkedose ausprobieren. Man kocht das Wasser in der offenen Dose, nimmt sie dann vom Herd und taucht sie in einer zügigen Bewegung mit der Öffnung nach unten ins Wasser. Auch hier wird die Dose mit einem Schlag zerquetscht.

Vakuum kann den Luftdruck nicht stoppen

Warum wirken plötzlich so große Kräfte auf die Flasche? Das Wasser hat in der Flasche gekocht und mit der Zeit die normale Luft aus dem Flascheninnern verdrängt. Die Flasche war nun vollständig angefüllt mit Wasserdampf. Dann haben wir sie verschlossen und abgekühlt. Der Wasserdampf ist daraufhin kondensiert, also wieder zu Wasser geworden. Das Wasser braucht aber einen viel geringeren Raum als der Dampf. Genau gesagt entspricht einem Liter Wasser mehr als 1600 Liter Wasserdampf. Es entsteht also durch den Wechsel von gasförmig zu flüssig ein enormer Unterdruck in der Flasche. Dadurch ist der atmosphärische Luftdruck von außen in der Lage, die Flasche zusammenzudrücken. Den umgekehrten Vorgang erleben wir in der Küche, wenn Wasser im Topf zu sieden beginnt und der Wasserdampf den Deckel anhebt oder der Wasserkessel pfeift. Diese beiden Möglichkeiten, mit Hilfe des Phasenwechsels des Wassers Kräfte freizusetzen, haben ein bedeutende Rolle in der Entwicklungsgeschichte einer Erfindung gespielt, die die moderne Welt veränderte: die Dampfmaschine. Wir stellen uns also die berühmte Frage des Lehrers Bömmel aus der „Feuerzangenbowle“: „Wat is en Dampfmaschin? Da stelle mer uns mal janz dumm...“

Wie bewegt sich eine Dampfmaschine?

Die erste brauchbare Dampfmaschine entwickelte der Engländer Thomas Newcomen um das Jahr 1712. Seine Maschine entließ Dampf aus einem Kessel in den Zylinder, so dass sich der Kolben im Zylinder hoch bewegte. Dann wurde der Dampf abgekühlt, verwandelte sich zurück zu Wasser, was zu einem Unterdruck im Kolben führte. Dann konnte der atmosphärische Luftdruck den Kolben wieder hinunter drücken und der Prozess begann von neuem. Der Ablauf gleicht also dem Flaschenexperiment, bis auf den Unterschied, dass der Zylinder bei Newcomen nicht implodierte, sondern der Unterdruck durch die Kolbenbewegung ausgeglichen werden konnte. Verbessert wurde diese Konstruktion erst etwa 50 Jahre später durch den Mann, mit dem die Erfindung des Dampfmaschine für viele fest verbunden ist: James Watt.

Watt braucht keinen Unterdruck

Er ließ 1769 eine Maschine patentieren, die verschiedene Verbesserungen aufwies. Unter anderem sprühte sie abwechselnd den Wasserdampf von beiden Seiten gegen den Kolben. Watts Dampfmaschine war also nicht mehr so sehr auf das kondensieren des Wassers und den damit verbundenen Unterdruck angewiesen, sondern konnte sich schneller und effektiver bewegen. Watt hat die Dampfmaschine nicht erfunden, aber er hat sie durch seine Verbesserungen zum großen kommerziellen Erfolg gemacht. Wer heutzutage noch eine Dampfmaschine bei der Arbeit erleben will, der sollte in ein Eisenbahnmuseum gehen. Denn wie zu Zeiten von James Watts wird bei einer Dampflokomotive rhythmisch der Dampf abwechselnd von beiden Seiten gegen den Kolben gedrückt. Wer schon einmal hautnah erlebt hat, wie sich so ein mehr als 100 Tonnen schweres Stahlmonstrum allmählich stampfend, zischend und schnaufend in Bewegung setzt, wird nachhaltig beeindruckt sein von der Kraft, die im einfachen Wasserdampf steckt.

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