Eine Kraft ist ein Drücken oder Ziehen. Man gibt sie in Newton (N) an. Eine Tafel Schokolade (100 g) drückt mit etwa 1 N auf deine Hand. Die Kraft, mit der ein Körper wegen der Erdanziehung nach unten drückt oder zieht, heißt Gewichtskraft. Für diese Lektion genügt die Faustregel: Ein Körper mit 1 kg Masse hat eine Gewichtskraft von etwa 10 N. Warum das so ist, klärt die Lektion über Kraft und Gewichtskraft.

Drückt eine Kraft senkrecht auf eine Fläche, kommt es auf zwei Dinge an: wie stark die Kraft ist und wie groß die Fläche ist, auf die sie sich verteilt. Bei der Reißzwecke verteilt sich dieselbe Kraft am Kopf auf eine große Fläche und an der Spitze auf eine winzige. Das Maß dafür ist der Druck $p$. In der Formel unten ist $F$ die Kraft in N und $A$ die Fläche in m².

Die Einheit des Drucks ist das Pascal (Pa): 1 Pa = 1 N/m². Das ist wenig, ein Blatt Papier auf dem Tisch drückt mit etwa 1 Pa. Darum nutzt man oft Hektopascal (1 hPa = 100 Pa) oder bar (1 bar = 100 000 Pa). Den Druck, den ein Körper wegen seiner Gewichtskraft auf die Unterlage ausübt, nennt man Auflagedruck.

Der Druck ist also:

Auch in Wasser gibt es Druck, ohne dass jemand drückt. Er entsteht durch die Gewichtskraft des Wassers darüber. Stell dir eine Wassersäule vor, 10 m hoch, mit 1 m² Grundfläche. Ihr Volumen ist 10 m³. Ein m³ Wasser hat 1000 kg, die Säule also 10 000 kg. Ihre Gewichtskraft ist 10 000 kg mal 10 N/kg = 100 000 N. Der Druck am Boden ist 100 000 N : 1 m² = 100 000 Pa = 1 bar.

Je 10 m Wassertiefe kommt also etwa 1 bar hinzu, je 1 m sind es 10 000 Pa. Dieser Schweredruck wächst mit der Tiefe $h$ und mit der Dichte $\rho$ der Flüssigkeit. Er wirkt in jeder Tiefe nach allen Seiten gleich stark und hängt nicht von der Form des Gefäßes ab. Mit der Faustzahl 10 N/kg, die man $g$ nennt, gilt (Dichte in kg/m³, Tiefe in m, Druck in Pa):

Auch Luft hat Masse. Die Lufthülle der Erde ist viele Kilometer hoch, und ihre Gewichtskraft drückt auf alles darunter. Das ist der Luftdruck. Am Meeresspiegel beträgt er im Mittel etwa 1013 hPa, das ist rund 1 bar. Mit der Höhe nimmt er ab, denn über dir liegt weniger Luft. Mit dem Wetter schwankt er ein wenig. Du spürst ihn nicht, weil er von allen Seiten gleich stark drückt, auch in deinem Körper.

Gemessen wird Druck mit dem Manometer. Das Barometer misst den Luftdruck. Viele Manometer zeigen den Überdruck: den Unterschied zum Luftdruck. Zeigt ein Manometer am Fahrradreifen 4 bar, ist der Druck im Reifen 4 bar höher als der Luftdruck, also insgesamt etwa 5 bar. In einem See kommt ebenso zum Schweredruck des Wassers der Luftdruck dazu.

Drückst du mit einem Kolben auf eine eingeschlossene Flüssigkeit, zum Beispiel in einer Spritze, breitet sich dieser Kolbendruck nach allen Seiten gleich stark aus. Das nutzt eine hydraulische Anlage, etwa in der Bremse eines Autos oder in einer Hebebühne. Zwei Zylinder sind mit Öl verbunden. In beiden herrscht derselbe Druck.

Beispiel: Der kleine Kolben hat 5 cm², der große 250 cm². Du drückst mit 100 N auf den kleinen. Der Druck ist 100 N : 5 cm² = 20 N/cm². Der große Kolben hat 50-mal so viel Fläche, also ist die Kraft dort 50-mal so groß: 20 N/cm² mal 250 cm² = 5000 N. Das reicht, um eine Last von 500 kg anzuheben. Dafür muss der kleine Kolben aber einen 50-mal so langen Weg zurücklegen wie der große. Weil in beiden Zylindern derselbe Druck herrscht, gilt:

In einem Gas fliegen die Teilchen ungeordnet durcheinander und stoßen gegen die Wände des Behälters. Alle Stöße zusammen ergeben den Gasdruck. Zwei Dinge erhöhen ihn: mehr Teilchen im gleichen Raum (aufpumpen) und eine höhere Temperatur. Wärmere Teilchen sind schneller, sie stoßen häufiger und kräftiger. Darum steigt der Druck in einem verschlossenen Behälter, wenn sich das Gas erwärmt. Der Reifendruck ist nach einer langen Fahrt höher als vorher. Eine Spraydose darf man nie erhitzen oder ins Feuer werfen: Der Druck steigt, bis sie platzt. Das ist gefährlich.

Hebst du einen Stein im Wasser an, fühlt er sich leichter an. Das Wasser trägt ihn ein Stück. Diese nach oben gerichtete Kraft heißt Auftrieb. Sie entsteht durch den Schweredruck: Der Körper ist unten tiefer als oben, dort ist der Druck größer. Das Wasser drückt von unten stärker gegen ihn als von oben, und das ergibt eine Kraft nach oben.

Wie groß ist sie? Ein eingetauchter Körper schiebt Flüssigkeit zur Seite. Man sagt, er verdrängt Flüssigkeit. Das Archimedische Prinzip (nach dem griechischen Gelehrten Archimedes) sagt: Der Auftrieb ist so groß wie die Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit. Als Formel (unten) ist $\rho_{Fl}$ die Dichte der Flüssigkeit und $V$ das Volumen des eingetauchten Teils. Der Auftrieb hängt also nicht vom Stoff des Körpers ab, nur von seinem eingetauchten Volumen und von der Flüssigkeit.

Damit erklärst du Schwimmen, Schweben und Sinken: Ist die Gewichtskraft eines ganz eingetauchten Körpers größer als der Auftrieb, sinkt er. Sind beide gleich groß, schwebt er. Ist die Gewichtskraft kleiner, steigt er auf und taucht beim Schwimmen nur so weit ein, bis der Auftrieb so groß ist wie seine Gewichtskraft. Ein Stahlschiff schwimmt, weil sein Rumpf voller Luft ist: Seine mittlere Dichte (Masse des ganzen Schiffs durch sein Volumen) ist kleiner als die von Wasser. Auch Gase tragen: Ein Heliumballon steigt, weil Helium weniger dicht ist als Luft.