Das Pascalsche Gesetz besagt, dass sich die Druckänderung gleichmäßig über das gesamte Fluid verteilt, wenn sich der Druck an einem beliebigen Punkt in einer statischen Flüssigkeit in einem geschlossenen System ändert. Das heißt, der Druck an einem weit vom Änderungsbereich entfernten Punkt ändert sich um den gleichen Betrag wie an einem nahegelegenen Punkt. Ein geschlossenes System kann einfach ein geschlossener Container sein, oder es kann etwas komplexer sein, wie beispielsweise zwei oder mehr miteinander verbundene Container; Wichtig ist, dass keine Flüssigkeit in das System ein- oder austreten kann. Es ist auch wichtig zu beachten, dass in der Physik eine Flüssigkeit entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann. Das Gesetz lässt sich durch eine Reihe einfacher Versuche demonstrieren und hat wichtige Anwendungen, beispielsweise in der hydraulischen Presse.
Das Prinzip wurde nach dem französischen Mathematiker und Philosophen Blaise Pascal benannt, der es im 1600. Jahrhundert entdeckte. Sie gilt für statische Situationen und nicht für dynamische Bedingungen, bei denen andere Faktoren die Druckwerte beeinflussen könnten. Sie gilt beispielsweise nicht für Flüssigkeiten, die in Bewegung sind oder wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind.
Demonstrationen
Es gibt eine Vielzahl von Experimenten zum Pascalschen Gesetz, die verwendet werden können, um den Effekt zu demonstrieren. Pascal selbst zeigte, dass es funktionierte, indem er ein Fass mit Wasser füllte und ein langes Rohr in den Deckel steckte. Als er Wasser oben in das Rohr goss, platzte das Fass. Das Gewicht des Wassers im Rohr verursachte einen Druckanstieg im Inneren des Fasses, der gegen die Seiten drückte, bis sie nachgaben.
Die vielleicht einfachste Art, das Gesetz zu Hause zu demonstrieren, besteht darin, einfach einen Ballon zu drücken. In diesem Beispiel zeigen die flexiblen Wände des Behälters, wie der durch das Zusammendrücken verursachte Druckanstieg im gesamten Ballon verteilt wird. Der Ballon wölbt sich gleichmäßig in alle Richtungen, nicht nur auf der gegenüberliegenden Seite der zusammengedrückten.
In einer anderen üblichen Demonstration wird eine Flasche bis zum Rand mit Wasser gefüllt und einige Streichholzköpfe werden hineingeworfen, damit sie schwimmen. Der Hals eines aufgeblasenen Ballons wird über die Flasche gespannt und dann leicht zusammengedrückt. Die Streichholzköpfe sinken nun ein Stück weit ins Wasser. Dies liegt daran, dass der Druckanstieg durch das Zusammendrücken des Ballons nach unten ins Wasser übertragen wird, ein Teil davon in die porösen Streichholzköpfe gedrückt wird und diese aufgrund des zusätzlichen Gewichts sinken lassen. Wenn der Druck auf den Ballon genommen wird, sinkt der Wasserdruck, der Luftdruck in den Streichholzköpfen drückt das Wasser heraus und sie schwimmen wieder.
Applikationen
Die vielleicht bekannteste Anwendung des Pascalschen Gesetzes ist die hydraulische Presse, ein Gerät, das eine kleine Kraft in eine größere umwandelt. Es besteht im Allgemeinen aus zwei miteinander verbundenen Kammern mit jeweils einem Kolben – einer beweglichen Barriere, die nach unten oder nach oben gezogen werden kann, ohne dass Flüssigkeit entweichen kann – und die eine Flüssigkeit enthält, die nicht komprimiert werden kann. Eine Kammer-Kolben-Kombination ist größer als die andere: Das ist die „Leistung“. Die Idee ist, dass eine kleine Kraft, die auf den kleineren oder „Eingangs“-Kolben ausgeübt wird, zu einer größeren Ausgangskraft führt. Das Herunterdrücken des Eingangs erhöht den Druck, und dieser Anstieg wird gegenüber dem größeren Ausgangskolben gleich sein.
Berechnung der Ausgangskraft
Die Ausgangskraft wird berechnet, indem die Fläche des Ausgangskolbens durch die Fläche des Eingangskolbens geteilt und dann das Ergebnis mit der Eingangskraft multipliziert wird. Wenn der Ausgangskolben die zehnfache Fläche des Eingangs hat, beträgt die Ausgangskraft das Zehnfache der Eingangskraft. Wenn beispielsweise die Eingabekraft 5 Einheiten beträgt, die Eingabefläche 2 Einheiten beträgt und die Ausgabefläche 20 Einheiten beträgt, beträgt die Ausgabekraft 50 Einheiten. Auf diese Weise können schwere Gegenstände ohne großen Kraftaufwand angehoben werden.
Dies bedeutet nicht, dass zusätzliche Energie aus dem Nichts auftaucht. Der Betrag, um den der Ausgangskolben angehoben wird, ist geringer als der Betrag, um den der Eingangskolben nach unten gedrückt wird, was die Dinge ausgleicht. Wenn im obigen Beispiel der Eingangskolben um 10 Einheiten nach unten gedrückt wird, wird der Ausgangskolben um 1 Einheit angehoben. Das Prinzip ähnelt der Verwendung eines Hebels, um einen Stein anzuheben. Hydraulische Mechanismen vieler Arten, wie beispielsweise die Bremssysteme von Flugzeugen und einigen Fahrzeugen, beruhen auf dem Pascalschen Gesetz.