Physik – Chemie – siehe auch Spannung:

Im Altertum waren bereits Archimedes, Ktesibios, Philon von Byzanz, Heron von Alexandria und Sextus Iulius Frontinus die Wirkung des Drucks von Wasser und Luft bekannt. Im Mittelalter ist Alhazen zu erwähnen, der sich eine richtige Vorstellung vom Luftdruck machte bevor in der Renaissance der holländische Kaufmann Simon Stevin (1548–1620) die ersten Prinzipien der Hydrostatik und das hydrostatische Paradoxon formulierte.

Grundlegende Forschungsarbeiten nahmen im 17. Jahrhundert ihren Ausgang am Hof des Großherzogs Cosimo II. de’ Medici. Dort stellte der Brunnenmeister mit Erstaunen fest, dass er Wasser mittels einer Saugpumpe nicht höher als 32 Fuß (10,26 m) heben konnte. Über der Wassersäule bildete sich – wie im Rohr im Bild im Bereich A-C – ein luftleerer Raum, der das weitere Aufsteigen verhindert. Dieses Phänomen wurde dem Lehrer und Hofmathematiker Cosimos II., Galileo Galilei, mitgeteilt, der es daraufhin in seinen Discorsi behandelte (S. 16–17). Vincenzo Viviani, ein Mitarbeiter Galileis, schloss 1643 als erster, dass es der Luftdruck ist, der das Wasser im Saugrohr hochdrückt (im Bild bei B). Evangelista Torricelli, Assistent und Nachfolger Galileis, machte Versuche mit einem mit Quecksilber gefüllten Rohr wie im Bild und erklärte aus der unterschiedlichen Dichte von Wasser und Quecksilber, warum ersteres 13½ mal höher steigt als letzteres mit 760 mm. So erfand Torricelli das Quecksilberbarometer.

Die Kunde vom „italienischen Experiment“ kam 1644 über Marin Mersenne und den Physiker Pierre Petit zu Blaise Pascal. Dieser wiederholte Torricellis Experimente und folgerte, dass der Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas proportional zur Tiefe ist. Entsprechend muss, wenn die Quecksilbersäule vom Luftdruck getragen wird, ihre Höhe auf einem Berg kleiner als im Tal sein. Petit und Pascals Schwager Florin Périer führten am 19. September 1648 die entsprechenden Messungen in Clermont-Ferrand und auf dem Gipfel des 1465 m hohen Puy de Dôme durch und erhielten die erwarteten Ergebnisse. Schon im Oktober veröffentlichte Pascal seine Resultate als Bericht vom großen Experiment über das Gleichgewicht von Flüssigkeiten (Pascal: Récit de la grande expérience de l’équilibre des liqueurs). In der Abhandlung über das Gleichgewicht von Flüssigkeiten und vom Gewicht der Masse der Luft von 1653 formulierte Pascal unter anderem

  • das Pascal’sche Prinzip, wonach sich der Druck in ruhenden Flüssigkeiten allseitig ausbreitet,
  • das Pascal’sche Gesetz für den hydrostatischen Druck, der linear mit der Tiefe zunimmt, siehe unten, und
  • das Funktionsprinzip einer neuen Maschine um Kräfte zu multiplizieren (Pascal: machine nouvelle pour multiplier les forces), also der hydraulischen Presse. Otto von Guericke führte 1654 vor dem Reichstag zu Regensburg sein berühmtes Experiment mit den Magdeburger Halbkugeln vor.

Druck von Flüssigkeiten

Der Druck in strömenden Flüssigkeiten setzt sich aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammen. Während beide Teile von der Dichte abhängen, unterscheiden sie sich dadurch, dass der hydrostatische Druck (bei konstanter Dichte) linear mit der Höhe der Fluidsäule steigt. Zudem ist er von der Erdbeschleunigung, also der Gravitation, abhängig. Der dynamische Anteil hingegen wächst quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und manifestiert sich erst, wenn das strömende Fluid abgebremst wird (Staudruck).

Die Summe aus dynamischem und statischem Druck, der Totaldruck, ist in einer viskositätsfreien, horizontalen Strömung konstant, siehe Bild. Die Konstanz des Totaldrucks ist eine Konsequenz aus der Energieerhaltung der Fluidelemente entlang eines Stromfadens in der Strömung aus der Daniel Bernoulli die nach ihm benannte Bernoullische Energiegleichung herleitete. In einem realen System sind zusätzlich die Druckverluste im Strömungs-verlauf zu beachten, etwa durch die Reibung des Fluids an der Wandung der Rohrleitung.

Hydrostatischer Druck

Ein in einem Schwerefeld ruhendes Fluid übt auf jeden in ihm eingetauchten Körper nach dem Pascal’schen Prinzip einen allseitig wirkenden hydrostatischen Druck aus, der nach dem Pascal’schen Gesetz mit der Tiefe zunimmt. Beispiele für einen hydrostatischen Druck sind der Wasserdruck und der Luftdruck.

In der ruhenden Flüssigkeit existieren ausschließlich Normalspannungen, die in alle Richtungen gleichermaßen wirken, eben jener hydrostatische Druck. Im schubfreien hydrostatischen Spannungszustand degeneriert der Mohr’sche Spannungskreis zu einem Punkt.

Der hydrostatische Druck p ( h ) {\displaystyle p(h)} am Grund einer stehenden Flüssigkeitssäule der Höhe h {\displaystyle h} und der Dichte ρ {\displaystyle \rho } unter Wirkung der Schwerebeschleunigung g {\displaystyle g} ergibt sich aus dem Pascal’schen Gesetz zu

p ( h ) := ρ g h + p s {\displaystyle p(h):=\rho gh+p_{\mathrm {s} }}

Dabei ist p s {\displaystyle p_{\mathrm {s} }} ein Druckanteil, der von der Umgebung am oberen Ende der Flüssigkeitssäule aufgebracht wird. In einem strömenden Fluid kann der Druck p s {\displaystyle p_{\mathrm {s} }} von Ort zu Ort variieren.

Hydrodynamischer Druck

Der hydrodynamische Druck p d {\displaystyle p_{\mathrm {d} }} entspricht dem Staudruck. Er resultiert aus der kinetischen Energie der strömenden Fluidelemente in einer Strömung. Der hydrodynamische Druck nimmt quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit v {\displaystyle v} der Fluidelemente zu:

p d := 1 2 ρ v 2 {\displaystyle p_{\mathrm {d} }:={\frac {1}{2}}\rho v^{2}}

Darin ist ρ {\displaystyle \rho } die Dichte des strömenden Fluids.

Der hydrodynamische Druck ist nicht direkt messbar, lässt sich aber bei verlustfreier, horizontaler und stationärer Strömung aus der Messung der Differenz zwischen Totaldruck und statischem Druck bestimmen (siehe Prandtlsonde). Aus dem hydrodynamischen Druck kann dann die Geschwindigkeit des Fluids ermittelt werden.

Totaldruck

Der Totaldruck p t {\displaystyle p_{\mathrm {t} }} ist bei konstanter Temperatur im Fluid die Summe aus den genannten Druckanteilen:

p t = p ( h ) + p d = p s + ρ g h + ρ 2 v 2 {\displaystyle p_{\mathrm {t} }=p(h)+p_{\mathrm {d} }=p_{\mathrm {s} }+\rho gh+{\frac {\rho }{2}}v^{2}}

Nach der Bernoulli’schen Druckgleichung ist bei konstanter Temperatur der Totaldruck entlang eines Stromfadens in einem viskositätsfreien Fluid konstant. Beim Übergang von einem größeren zu einem kleineren Querschnitt, wie im Bild oben, muss gemäß dem Kontinuitätsgesetz die Strömungsgeschwindigkeit (und damit auch der hydrodynamische Druck) zunehmen. Dies kann nur geschehen, wenn der statische Druck in den kleineren Querschnitten niedriger ist und umgekehrt. Der statische Druckanteil p s + ρ g h {\displaystyle p_{\mathrm {s} }+\rho gh} ist dabei der Druck, den ein mit der Strömung mitschwimmendes Fluidelement verspürt.

Druckverluste durch einen Impulsverlust an den Strömungsrändern kann mit Druckverlustbeiwerten in der erweiterten Bernoulli’schen Druckgleichung zäher Flüssigkeiten berücksichtigt werden.

Druck von Gasen

Gasteilchen, die in einem Gefäß eingeschlossen sind, üben Druck auf die Gefäßwände aus.

Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch wirkenden Kräfte auf eine Fläche. Stößt ein Gasteilchen an eine Wand, so tauschen beide einen Impuls aus. Je höher die innere Energie des Gases ist, desto schneller sind die Teilchen und desto größer ist auch der Druck. Die Impulsübertragung hängt nämlich von der kinetischen Energie des Gasteilchens ab. Ebenfalls abhängig ist die Impulsübertragung von der Richtung, mit der das Teilchen auf die Wand trifft. Für viele Teilchen addieren sich diese Impulsüberträge zu einer Gesamtkraft. Diese hängt von der Anzahl der Teilchen ab, die pro Zeiteinheit auf die Wand treffen, und ihrem mittleren Impuls. In einem Gasgemisch entsteht der Gasdruck aus den Partialdrücken der Komponenten des Gemisches. Verdampfende Flüssigkeiten erzeugen einen Dampfdruck, der sich bis zum Sättigungsdampfdruck aufbauen kann. Der Luftdruck ist ein Beispiel für einen Gasdruck.

Die kinetische Gastheorie liefert aus den genannten mechanischen und statistischen Überlegungen die Zustandsgleichung

p := − ∂ U ( S , V , n ) ∂ V {\displaystyle p:=-{\frac {\partial U(S,V,n)}{\partial V}}\,}

mit der in der Thermodynamik der Druck als intensive Größe definiert wird (siehe auch Fundamentalgleichung). In einem zweiten Schritt wird gezeigt, dass dieser Druck auch tatsächlich dem Quotient aus Kraft und Fläche gleicht.[15]

Im Spezialfall eines idealen Gases gilt die thermische Zustandsgleichung:

p = n R T V {\displaystyle p={\frac {n\,R\,T}{V}}}

Aufgrund der kinetischen Gastheorie folgt

p = n M v 2 ¯ 3 V {\displaystyle p={\frac {n\,M\,{\overline {v^{2}}}}{3V}}\,}

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:

V {\displaystyle V} – Volumen
n {\displaystyle n} – Stoffmenge
R {\displaystyle R} – Universelle Gaskonstante
T {\displaystyle T} – Temperatur
M {\displaystyle M} – Molmasse
v 2 ¯ {\displaystyle {\overline {v^{2}}}} – das mittlere Geschwindigkeitsquadrat

Der gemittelte Impulsübertrag ist im Produkt aus Gaskonstante und Temperatur der Zustandsgleichung enthalten. Der Gasdruck liefert über die Zustandsgleichung das Materialmodell für das ideale Gas:

σ = − p ( ρ , T ) 1 = − n R T V 1 = − R s T ρ 1 . {\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}=-p(\rho ,T)\mathbf {1} =-{\frac {nRT}{V}}\mathbf {1} =-R_{\mathrm {s} }T\rho \mathbf {1} .}

Darin ist R s {\displaystyle R_{\mathrm {s} }} – die spezifische Gaskonstante – ein Materialparameter des Gases. Die Strömung eines idealen Gases gehorcht den Euler’schen Gleichungen der Strömungsmechanik, in denen die Bernoullische Energiegleichung gilt.

Definition in der statistischen Physik und Thermodynamik

In der statistischen Physik ist der Druck allgemein durch folgenden Erwartungswert gegeben:

p := − ⟨ ∂ H ^ ∂ V ⟩ {\displaystyle p:=-\left\langle {\frac {\partial {\hat {H}}}{\partial V}}\right\rangle }

dabei ist H ^ {\displaystyle {\hat {H}}} der Hamiltonoperator des Systems, V {\displaystyle V} das Volumen, ⟨ … ⟩ {\displaystyle \langle \ldots \rangle } ein Ensemblemittel über das jeweilige statistische Ensemble.

Diese Definition führt im mikrokanonischen Ensemble zu

p = − ∂ U ∂ V {\displaystyle p=-{\frac {\partial U}{\partial V}}}

( U {\displaystyle U} ist die innere Energie), im kanonischen Ensemble zu

p = − ∂ F ∂ V {\displaystyle p=-{\frac {\partial F}{\partial V}}}

( F {\displaystyle F} ist die Freie Energie) und im großkanonischen Ensemble zu

p = − ∂ Ω ∂ V {\displaystyle p=-{\frac {\partial \Omega }{\partial V}}}

( Ω {\displaystyle \Omega } ist das Großkanonische Potential).

Gemäß der Hypothese von Stokes aus dem Jahr 1845 ist der mechanische Druck gleich dem thermodynamischen Druck. Dies gilt jedoch nur unter Einschränkungen,[14] siehe oben.

Absoluter / Relativer Druck

Der absolute Druck p abs {\displaystyle p_{\text{abs}}} (englisch absolute pressure) bezieht sich auf das perfekte Vakuum. Bei diesem absolut teilchenfreien Raum ist der Nullpunkt des absoluten Drucks definiert. Ein Beispiel für einen häufig „absolut“ angegebenen Wert ist der Luftdruck.

Als relativen Druck bezeichnet man eine relative Druckbeziehung zwischen zwei Volumina. Häufig wird der Umgebungsdruck als Bezugsgröße verwendet, jedoch bieten sich je nach Zusammenhang auch andere Bezugsgrößen an. Beispiele für einen häufig „relativ“ angegebenen Druck sind der Fülldruck eines Reifens und der Blutdruck.

Zur Verdeutlichung: Füllt man bei einem Luftdruck von 1 bar einen Reifen mit einem relativen Druck von 2 bar, herrscht im Reifen ein absoluter Druck von 3 bar. Analog muss der Luftdruck zum Blutdruck addiert werden, um den absoluten Blutdruck zu erhalten.

Psychlogie:

Mit psychischer Belastung verbundene Arbeitssituation. (Illustration von Henry Holiday aus Lewis Carrolls „The Hunting of the Snark“).

Psychische Belastung ist nach der Norm EN ISO 10075 „die Gesamtheit aller erfassbaren Einflüsse, die von außen auf den Menschen zukommen und psychisch auf ihn einwirken.“ Auch gemäß der Bildschirmarbeitsverordnung (siehe auch Norm EN ISO 9241) ergibt sich heute für viele Arbeitsplätze die Pflicht des Arbeitgebers, psychomentale Belastungen zu ermitteln und zu beurteilen. Im Unterschied zur psychischen Belastung ist psychische Beanspruchung „die unmittelbare (nicht die langfristige) Auswirkung der psychischen Belastung im Individuum in Abhängigkeit von seinen jeweiligen überdauernden und augenblicklichen Voraussetzungen, einschließlich der individuellen Bewältigungsstrategien“.

Gemäß EN ISO 10075 kann auch von mentaler Belastung gesprochen werden. Gegenstand der Norm ist also nicht irgendeine Art von individuellem psychischem Defizit einer Person, sondern die Belastung von Geist und Seele. Psychomentale Belastung ist dafür der treffende Begriff. Psychosoziale Belastung ist ein weiterer Begriff, der in der Diskussion zum Thema der psychischen Belastung verwendet wird.

Psychische Belastungen wirken ausgehend von einer Situation auf den Menschen. Sie beanspruchen seine Ressourcen. Der Begriff der Belastung beschreibt also eine Eigenschaft von Situationen und nicht Eigenschaften von Personen. Im Unterschied zum Begriff der Belastung bezeichnet der Begriff Stress „die unspezifische Reaktion des Organismus auf jede Form von Belastung“.Eine psychische Belastung, die Stress auslöst, wird Stressor genannt. In Abhängigkeit von der Art der Belastung und den individuellen psychischen Voraussetzungen kann eine Belastung – und Stress als Reaktion auf eine Belastung – sowohl schädlich wie auch anregend wirken. Anregende Belastungen können langfristig zur persönlichen Entwicklung und Gesunderhaltung beitragen. Arbeit ist in der Regel eine psychische Belastung des Menschen. Wichtig ist dabei der Unterschied zwischen legitimer Belastung und Fehlbelastung. Schädlicher Stress ist die Folge von Fehlbelastung und kann zur Ermüdung und zu psychosomatischen Erkrankungen führen.

Burnout oder Boreout, Depressionen, Angststörungen, Süchte, ADS / ADHS oder Phobien gelten als Krankheitsbilder, die gleichberechtigt neben den körperlichen Störungen stehen und mittlerweile zu den sogenannten Volkskrankheiten zählen. Fast jeder dritte Deutsche zwischen 18 und 65 Jahren leidet mindestens einmal pro Jahr unter einer psychischen Störung. Angststörungen nehmen hier mit 14,5 % eine Spitzenposition ein, gefolgt von Störungen durch psychotrope Substanzen (z. B. Alkohol, Drogen), den affektiven Störungen (z. B. Depression, Manie, bipolare Störungen) und den somatoformen Störungen (z. B. körperlich nicht begründbare Schmerzen). Frauen leiden im Durchschnitt häufiger an psychischen Problemen. Eine Ausnahme bildet der Missbrauch von psychotropen Substanzen, der sich eher als eine Männerdomäne darstellt. Hier steht das Thema Alkohol im Vordergrund.

Artikel: Druck kann leistungssteigernd wirken?

Bereiche der psychomentalen Belastung.

Nach EN ISO 10075 sind beeinträchtigende Folgen psychischer Fehlbelastung in den folgenden Bereichen zu vermeiden:

  • Aufgaben und Tätigkeiten,
  • Arbeitsmittel,
  • Arbeitsumgebung,
  • Arbeitsorganisation,
  • zeitliche Organisation der Arbeit.

EN ISO 9241 beschränkt sich nicht nur auf die technischen Aspekte der Bildschirmarbeit und anderer Mensch-Maschine-Schnittstellen, sondern in der Norm wird auch

  • der Erhalt sozialer Kontakte,
  • die Vermeidung eines unangemessenen Zeitdrucks,
  • die Förderung des Wohlbefindens

thematisiert. Der letzte Punkt zeigt, dass die Norm über ein reines Vermeiden von Fehlbelastungen hinausgeht.

Im Anhang C.4 des Standards BS OHSAS 18002:2008 werden Beispiele für psychische Fehlbelastungen („psychologische Gefährdungen“) aufgeführt:

  • Arbeitsüberlastung
  • Fehlen von Kommunikation oder Lenkung des Managements
  • Arbeitsplatzumgebung
  • körperliche Gewalt
  • Mobbing oder Einschüchterung

Ursachen für psychische Fehlbelastungen aus Sicht der IG-Metall:

  • Überforderung (etwa durch ein zu großes Arbeitspensum oder eine nicht genügende Qualifikation für die jeweiligen Arbeitsanforderungen),
  • Unterforderung (nur ein Teil des menschlichen Leistungsvermögens wird abverlangt, z. B. bei eintöniger Montage- oder Fließarbeit),
  • unergonomische Arbeitszeiten (durch zu lange Dauer, ungünstige Lage und Verteilung oder mangelnde Planbarkeit),
  • soziale Konflikte (mit Vorgesetzten und/oder Kollegen),
  • Erschwernisse bei der Arbeitsausführung (etwa durch schlechte Beleuchtung, Lärm).

Mentale Fehlbelastungen haben aus Sicht der Organisationspsychologie überwiegend die folgenden Ursachen:

  • Zeitdruck,
  • Wettbewerb zwischen verschiedenen Aufgabenstellungen sowie das damit verbundene „Task Switching“ beziehungsweise „Multitasking“,
  • Komplexität der Aufgaben mit vielen Informationen aus vielen Quellen,
  • andere Stressoren wie Hitze, Lärm, Drogen, Schlafmangel und sonstige körperliche Beeinträchtigungen, die von Arbeitsaufgaben ablenken.

Die Bundesärztekammer führte in ihrer Entschließung vom 115. Deutsche Ärztetag 2012 an, dass auch chronische Überforderung und chronischer Stress am Arbeitsplatz zu psychischen oder psychosomatischen Krankheiten führen können und führt insbesondere auf:

Zu krank machenden Arbeitsbedingungen und Arbeitsplatzstrukturen gehören u. a.: Arbeitsverdichtung, Zeit-, Konkurrenz– und Leistungsdruck, hohe Anforderungen bei geringem Einfluss auf den Arbeitsprozess, mangelnde Anerkennung durch Vorgesetzte, fehlende Gratifikation, Überforderung durch permanente Veränderungen („Flexibilität“), kontinuierliche Überwachung und Kontrolle, unzureichende Entlohnung, prekäre Arbeitssituation bei Leiharbeit, Minijobs und „Aufstockern“, befristete Arbeitsverträge, Angst vor Arbeitsplatzverlust, ungewisse Lebensplanung bei fehlender Existenzsicherung, Doppelbelastung durch Beruf, Familie und Pflege, Entgrenzung der Arbeit wegen ständiger Erreichbarkeit über Handy und E-Mail, Nacht- und Schichtarbeit, ungenügende Erholungsmöglichkeiten mit zu wenig Zeit für Familie und soziale Kontakte, Mobbing, Zwang zur Selbständigkeit ohne existenzsicherndes Einkommen und Selbstausbeutung.