[31]2Physikalische Grundlagen

Was beschreibt »Druck« tatsächlich, was ist ein »Wirkungsgrad«? Bestimmte Begriffe werden manchmal wie selbstverständlich benutzt, obwohl sich die Beschäftigung mit den Dingen, die sich hinter einem Begriff verbergen, doch lohnen. Die folgenden physikalischen Ausführungen gehen nicht ins Detail und konzentrieren sich auf die, für die Pumpentechnik, relevanten Grundlagen.

Bei einem Löschfahrzeug ist der Weg vom Fahrgestellmotor bis zu einem Druckabgang der Feuerlöschkreiselpumpe, also wie aus Motorleistung das unter Druck geförderte Löschwasser wird, wichtig. Dabei kommt man automatisch eben genau zu den physikalischen Grundlagen, aber damit auch gleich zu dem ersten Fremdwort, das in dem Begriff der physikalischen Grundlagen steckt: Die Physik, neben Chemie und Biologie eine der Naturwissenschaften. Ein Blick in ein Fremdwörterlexikon liefert folgende Erklärung: Physik: der Chemie und der Mathematik nahestehende Naturwissenschaft, die vor allem durch experimentelle Forschung und messende Erfassung die Grundgesetze der Natur, besonders Bewegung und Aufbau der unbelebten Materie und die Eigenschaften der Strahlung und der Kraftfelder untersucht. In der Physik werden also Dinge, die wir beobachten können, untersucht und auf ihre Gesetzmäßigkeiten hin betrachtet. Mit diesen Erkenntnissen sind dann sehr viele Dinge zu erklären, aber auch vorherzusagen. Warum fällt das Butterbrot immer auf die Butterseite? Diese Seite ist eben aufgrund der Butter schwerer als die andere Seite ohne Butter. Vieles wird dann als selbstverständlich bezeichnet, wenn die Erklärung gehört wird, aber eben erst danach. Und ein Butterbrot fällt nicht immer auf die Butterseite, was zeigt, dass es überall sehr viele Einflussgrößen gibt, die es kompliziert machen und deshalb hier unbeachtet bleiben. Und dass immer nur die Brote nicht auf die Butterseite fallen, die man nicht mag, ist auch so ein ewiges Rätsel.

Eine Sache ist im Bereich der Pumpentechnik der Feuerwehren wichtig: Flüssigkeiten sind - wenn man es nicht extrem genau nimmt, was hier sicherlich auch nicht nötig ist - nicht kompressibel, d.h. sie ändern unter Druck nicht ihr Volumen, also ihre räumliche Ausdehnung. Da es in dem gesamten Bereich der genormten Pumpen für die Feuerwehr nur Pumpen gibt, die Flüssigkeiten (Löschwasser, Schmutzwasser, Gefahrstoffe) fördern, ist immer von einem unveränderten Volumen der Flüssigkeiten auszugehen. In hinreichender Näherung gilt dies auch für unterschiedliche Temperaturen, denn Flüssigkeiten dehnen sich bei Wärme nur sehr wenig (und damit in der praktischen Betrachtung also vernachlässigbar) aus.

[32]Ganz deutlich: Niemand soll bitte meinen, in Aus- und Fortbildungs-Veranstaltungen für Maschinisten jetzt die folgenden Ausführungen irgendwie abfragen zu wollen. Es ist reines Hintergrundwissen, das den einen oder anderen Zusammenhang besser erklärt. Es ist auch völlig unerheblich, dass in DIN EN 1028 von einem Luftdruck von 1 013 mbar ausgegangen wird, während der offizielle Wert 1 013,25 mbar lautet: Wenn diese Unterschiede bei der Berechnung von Abständen bei Verstärkerpumpen zu Fehlern in der Prüfung bei einem Maschinistenlehrgang führen sollten, ist der Praxisbezug dieser besonderen Ausbildungsinhalte fraglich, es bedarf aber sicherlich keiner Normänderung.

2.1Einheiten

Zurück zum Löschfahrzeug: Dass die Leistung eines Fahrzeugmotors durch die Motorleistung offiziell in Kilowatt [kW], früher und heute immer noch gebräuchlich in Pferdestärken [PS] angegeben wird, ist vielen bekannt. Der Umrechnungsfaktor (1 PS = 0,7344 kW) dürfte hingegen nur wenigen geläufig sein. Dass aber die Antriebsleistung eines Fahrzeugstellmotors, gemessen in Newtonmeter [Nm], für die Einschätzung der Motorleistung viel wichtiger ist, ist vielen nicht bewusst.

Die Einheit PS ist anschaulich, auch wenn der mit Pferderassen etwas Vertraute sich doch fragt, ob es um die Kraft eines Zwergpferdes (Stockmaß ab 60 cm, Gewicht etwa 100 kg) handelt oder um die Kraft eines Shire Horse-Kaltblutes (Stockmaß bis 210 cm, Gewicht etwa 1 100 kg). Nebenher: Das Stockmaß ist die Größe eines Pferdes, das an der höchsten Stelle des Widerristes gemessen wird. Und der Widerrist ist der erhöhte Übergang vom Rücken zum Hals - es soll ja alles erklärt werden. Festzuhalten ist: PS ist doch nicht so richtig anschaulich, also sind kW und Nm genauer zu betrachten. Und damit kommen wir zu den Einheiten, die im Pumpenbereich nötig und/oder gebräuchlich sind.

Merke:

Etwas muss besonders beachtet werden: Formelzeichen und Einheiten können leicht durcheinandergebracht werden. Im Text werden Formelzeichen in geschweifte Klammern { } und Einheiten in eckige Klammern [ ] gesetzt, um die Unterscheidung zu erleichtern. Auch wird bei der Betrachtung von Einheiten das eigentlich vorgeschriebene Davorsetzen eines Größenwertes (i.d.R. eine »1«) dann weggelassen.

[33]2.2SI-Einheiten

Alle offiziellen Einheiten lassen sich auf die so genannten SI-Einheiten (Abkürzung für den französischen Begriff »Système international d'unités«) zurückführen. Da gibt es tatsächlich den Ur-Meter aus Platin-Iridium (ein Stoff, der bei Temperaturveränderung kaum kleiner bzw. größer wird) oder das Ur-Kilogramm. Heute sind die Einheiten über physikalische Konstanten definiert, so z.B. der Meter: Ein Meter ist die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von dem 299 792 458sten Bruchteil einer Sekunde zurücklegt. Bei der Arbeit mit einer Pumpe im Feuerwehrdienst kann man sicherlich auch dann sehr erfolgreich sein, wenn diese Definition unbekannt ist: Der berühmte »Daumen« zum Abschätzen ist viel wichtiger. Aus den sieben 47 SI-Einheiten kann jede im Gebrauch praktische und/oder eingeführte Einheit abgeleitet werden, ohne dass dort besondere Umrechnungsfaktoren genutzt werden müssen. Beispiele dafür erscheinen in diesem Buch immer wieder.

Tabelle 2: SI-Basiseinheiten

SI-Basisgröße

Größensymbol

Einheit

Einheitszeichen

Zeit

t

Sekunde

s

Länge

l

Meter

m

Masse

m

Kilogramm

kg

Elektrische Stromstärke

I

Ampere

A

Thermodynamische Temperatur

T

Kelvin

K

Stoffmenge

n

Mol

mol

Lichtstärke

lV

Candela

cd

2.3Vielfaches und Teile bei Maßeinheiten

Um die Begrifflichkeiten zu klären, ist es wichtig zu wissen, dass »Kilo« immer für das tausendfache steht und bei der Einheit durch ein kleines vorangestelltes »k« dargestellt wird (ein Kilometer [km]) entspricht tausend Meter [m], ein Kilogramm [kg] entspricht tausend Gramm [g]. Das sind Begriffe, die im alltäglichen Sprachgebrauch gebräuchlich sind. Im Gegensatz zu diesen heute offiziellen Einheiten sind beispiels[34]weise Pfund und Zentner, also die Begriffe für 500 g bzw. 50 kg, in Deutschland schon seit Reichskanzler von Bismarck keine offiziellen Einheiten mehr. Sie blieben aber, weil sie praktisch sind und/oder in die Alltagswelt übernommen wurden, genau wie PS im Sprachgebrauch.

»Mega« [M] ist dann das millionenfache, »Giga« [G] das milliardenfache. Bei Lastkraftwagen ist ein Megaliner aber nicht so groß wie eine Million Lkw, ein Gigaliner auch nicht so groß wie eine Milliarde Lkw. Beide Begriffe klingen gut, sind aber physikalisch gesehen nicht angemessen. Und wer »Mega« benutzt, um etwas zu bewerten, sollte vorsichtig sein, ob es wirklich eine Million Mal besser ist - mal so rein physikalisch gesehen.

Wenn es Begriffe für ein Vielfaches von etwas gibt, muss es auch Begriffe für Teile von etwas geben. »Dezi« [d] steht für ein Zehntel von etwas, »centi« [c] für ein Hundertstel, »milli« [m] für ein Tausendstel, »mikro« für den millionsten Teil [µ, das griechische kleine m (mü)]. Millimeter [mm] dürfte jeder kennen, Mikrometer [µm] auf jeden Fall alle in metallverarbeitenden Berufen. Dezimeter [dm] eigentlich auch, den zehntel Meter, denn das Volumenmaß Liter entspricht einem Würfel, bei dem alle Kanten einen Dezimeter lang sind.

Eine rechteckige Fläche (also eine Fläche, die nicht irgendwie »schief« ist) berechnet sich aus dem Ergebnis, wenn die lange Seite mit der kurzen Seite malgenommen (multipliziert) wird. Meter mal Meter ergibt dann als Einheit Quadratmeter [qm oder - korrekt - m2]. Ein rechteckiger Kasten (also ein wieder nicht irgendwie »schiefer« Kasten) berechnet sich aus dem Ergebnis, wenn die Grundfläche mit der Höhe multipliziert wird. Meter mal Meter mal Meter ergibt dann Kubikmeter [cbm oder - korrekt - m3].

Also entspricht ein Liter [Einheit »l«] einem Kubikdezimeter. Nachvollziehbar, dass es bei dem Begriff Liter geblieben ist, der bei der Betrachtung von Pumpen ja auch oft auftaucht.

Tabelle 3: Einheiten-Vorsätze für das...