Kolbendruck

Den Druck, der auf Kolben oder Stempel wirkt oder der durch diese hervorgerufen wird, nennt man Kolbendruck oder Stempeldruck.

Der Kolbendruck oder Stempeldruck ist ein spezieller Druck. Es gelten für ihn aber alle Aussagen, die für den Druck allgemein zutreffen und die unter dem Stichwort Druck zu finden sind.

Berechnung des Kolbendrucks

Wie jeder andere Druck kann der Kolbendruck berechnet werden mit der Gleichung:

$\begin{array}{l}p=\frac{F}{A}\\ F\text{ Kraft auf den Kolben}\\ A\text{ Fläche des Kolbens}\end{array}$

Bei bestimmtem Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas ist die auf den Kolben wirkende Kraft umso größer, je größer die Fläche des Kolbens ist, denn es gilt:

$\begin{array}{l}F=p\cdot A\text{ und bei }p\text{ = konstant demzufolge}\\ F~A\end{array}$
Die Kraft F wird auch als Druckkraft bezeichnet.

Kolbendruck in Flüssigkeiten

Herrscht in einer Flüssigkeit ein bestimmter Druck, dann ist die Kraft auf einen Kolben umso größer, je größer die Fläche ist. So ist z. B. bei einer medizinischen Spritze die Kraft, die man auf den Kolben ausüben muss, wesentlich größer als die Kraft, die an der Öffnung der Kanüle wirkt, da die Fläche des Kolbens wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche der Kanüle.

Technisch bedeutsam ist vor allem der Fall, dass ein oder zwei Kolben beweglich sind. Wird auf einen der beweglichen Kolben eine Kraft ausgeübt, so hängt die Kraft auf den zweiten beweglichen Kolben von den Flächen ab, denn der Druck ist in einer abgeschlossenen Flüssigkeit überall gleich groß. Je größer die Fläche eines Kolbens ist, umso größer ist die dort wirkende Kraft. Wichtig ist dabei, dass sich Flüssigkeiten im Unterschied zu Gasen nicht zusammendrücken lassen. Man sagt auch: Flüssigkeiten sind inkompressibel (nicht zusammendrückbar). Werden Kräfte ausgeübt; so erhöht sich lediglich der Kolbendruck und damit auch der Druck in der gesamten Flüssigkeit.
Das lässt sich mit dem Teilchenmodell deuten: Im Unterschied zu Gasteilchen liegen die Flüssigkeitsteilchen dicht beieinander. Sie sind leicht gegeneinander verschiebbar. Wird auf einen Kolben eine Kraft ausgeübt, so wird die Kraft durch die Teilchen in der gesamten Flüssigkeit übertragen. Der Druck vergrößert sich.
Der Druck in Flüssigkeiten bei beweglichem Kolben wird z. B. bei Spritzen sowie bei hydraulischen Anlagen (hydraulischen Pressen, hydraulischen Wagenhebern, hydraulischen Bremsen) genutzt.

Kolbendruck in Gasen

Bei Gasen gelten die gleichen Überlegungen wie für Flüssigkeiten. Ein typisches Beispiel für das Auftreten von Kolbendruck ist die Luftpumpe (Bild 4). Schiebt man den Kolben in die Luftpumpe hinein, so verringert sich zunächst das Volumen der eingeschlossenen Luft. Im Unterschied zu Flüssigkeiten lassen sich Gase, z. B. Luft, durch eine größere Kraft auf den Kolben zusammendrücken (komprimieren).
Man sagt auch: Gase sind kompressibel. Häufig ändert sich mit dem Druck und dem Volumen bei Gasen auch die Temperatur. Das kann man spüren, wenn man mit einer Luftpumpe schnell Luft in einen Reifen pumpt. Herrscht in dem Gas ein bestimmter Druck, dann ist die Kraft auf einen Kolben umso größer, je größer die Fläche ist.
Der Druck in Gasen bei beweglichen Kolben wird bei Luftpumpen und bei pneumatischen Anlagen genutzt. Bei pneumatischen Anlagen arbeitet man mit Gasen unter einem relativ hohen Druck. Sie verhalten sich dann ähnlich wie Flüssigkeiten.