Druck
Druck in Flüssigkeiten und Gasen

Einsatz des Transparents

Das Transparent 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 des Transparents 4 und das verwendete Anwendungsbeispiel des Auto-Bremssystems empfiehlt sich als Vertiefung und Ergänzung des "Pascalschen Prinzips", das gemäß Richtlinien in der 9. Klasse der Sekundarstufe I behandelt wird.

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Inhalt des Transparents

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 Radbremszylindern an Vorder- bzw. 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, so dass die zugehörigen Rechenschritte noch leicht nachvollziehbar sind.

Hinweis für Lehrer: Sollte zum Zeitpunkt des Einsatzes dieser Folie das Hebelgesetz noch nicht bekannt sein, müssten zur Begründung der Kraftverstärkung durch den Hebel des Bremspedals bei den vorgegebenen einfachen Hebelarmlängen Erfahrungen der Schüler aus dem Mathematikunterricht über "Verhältnisse" eingesetzt werden.

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 einer glühenden Bremsscheibe soll den Schülerinnen und Schüler eine Möglichkeit für das Entstehens von Dampfblasen im System (also einer unerwünschten teilweisen Füllung mit Gas) vorstellen. Schülern ohne jegliche Erfahrung mit Autofahrten im Gebirge ist zu vermitteln, dass der rotglühende Zustand der Bremsscheibe nicht nur unter Laborbedingungen auf dem Prüfstand erreicht werden kann. 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.

    Lernziele: Die Schüler sollen

  • ihre Kenntnisse des Pascalschen Gesetzes vertiefen und es in Sachaufgaben anwenden können.
  • zu den Fragestellungen angemessene und sachbezogene Überlegungen anstellen und ihre Vermutungen in fachlich korrekter Sprache äußern können.

Der Informationstext von Kopiervorlage 4 und die Aufgabe oben auf der Kopiervorlage sollen den Schülerinnen und Schülern zeigen, dass die Darstellung auf dem Transparent zwar besonders übersichtlich ist, dass aber in der Praxis im Auto ein etwas komplizierteres Bremssystem (zu Gunsten größerer Sicherheit) eingebaut wird.