Wassersäule


Wassersäule
Einheit
Norm
Einheitenname Wassersäule
Einheitenzeichen WS
Dimensionssymbol \mathsf{M \cdot L^{-1} \cdot T^{-2}}
In SI-Einheiten \mathrm{1\, mWS = 9{,}80665 \cdot 10^3 \,\frac{N}{m^2}}

\mathrm{{} = 9{,}806.65 \cdot 10^3 \,\frac{kg}{m\, s^2}}

Siehe auch: Torr, Pascal

Die Wassersäule ist eine nicht SI-konforme Einheit zur Messung des Drucks. Ein Meter Wassersäule (Abkürzung 1 mWS) entspricht unter Normbedingungen 9,80665 kPa (rund 0,1 bar). Obwohl die Einheit in der Bundesrepublik Deutschland seit 1. Januar 1978 und in der DDR seit 1. Januar 1980 nicht mehr zulässig ist, wird sie noch immer im Sanitärbereich, im Orgelbau, in der Industrie, für Dichtigkeitsangaben (z. B. für Zelthäute) und in der Medizin bei der maschinellen Beatmung (cmWS) verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Ein Druck von 1 Meter Wassersäule ist definiert als derjenige Druck, der dem hydrostatischen Druck in 1 Meter Wassertiefe entspricht, das Wasser hat der Definition nach exakt die Dichte 1000 kg/m³. Da die Dichte des Wassers temperaturabhängig ist und schon bei 20°C merklich von 1000 kg/m³ abweicht, ist die Einheit als solche für präzise Messungen nicht geeignet.

Mathematischer Hintergrund

Der Flüssigkeitsdruck am Boden (alle Flächen sind gleich groß) ist in allen drei Gefäßen identisch.

Der Druck p ist definiert als die Kraft F geteilt durch die Fläche A, auf die sie wirkt:

p = \frac{F}{A}

Für einen Zylinder (mittlere Darstellung im Bild rechts) errechnet sich die Kraft aus Masse m mal Erdschwerebeschleunigung g, wobei die Masse aus Volumen (Grundfläche mal Höhe) und Dichte ρ bestimmt wird. Für

F = m \cdot g = A \cdot h \cdot \rho \cdot g

eingesetzt ergibt sich der Druck einer Wassersäule zu

p = h \cdot \rho \cdot g

Der Druck einer Wassersäule ist daher nur von ihrer Höhe h abhängig. Das gilt aber auch unabhängig von der Form des Gefäßes, in dem sich das Wasser befindet (Hydrostatisches Paradoxon). Zur Erklärung dieses Phänomens kann man sich die beliebig geformte Wassersäule in viele kleine Zylinder unterteilt vorstellen, die nach dem Prinzip der hydraulischen Presse aufeinander drücken.[1]

Mit oben genannter Wasserdichte von 1000 kg/m³ ergibt sich der Druck p für einen Meter Wassersäule:

 p = 1\;\mathrm{m} \cdot 1000\;\mathrm{\frac{kg}{m^3}} \cdot 9{,}8066\;\mathrm{\frac{m}{s^2}} = 9806{,}6\;\mathrm{\frac{N}{m^2}} = 9806{,}6\;\mathrm{Pa} \approx 100\;\mathrm{hPa}

Umrechnungen

  • 1 mmWS = 9,80665 Pa
  • 10 mmWS = 1 p/cm2 = 98,0665 Pa
  • 1 mWS = 7453054/101325 mmHg ≈ 73,556 mmHg = 73,556 Torr ≈ 0,09678 atm
  • 1 mWS = 9,80665 kPa = 98,0665 hPa = 98,0665 mbar = 0,0980665 bar
  • 10 mWS = 1 at = 1 kp/cm2 = 98,0665 kPa

Wasserdichtigkeit

Die Wassersäule ist auch eine Maßeinheit, um die Dichtheit z. B. von technischen Geweben (Zelte, Funktions- und Regenbekleidung) anzugeben.

Die DIN EN 20811:1992, auch ISO 811 genannt, regelt die Art und Weise der Bestimmung des Widerstandes gegen das Durchdringen von Wasser. Durchzuführen ist folgender „Hydrostatischer Wasserdruckversuch“: Die Außenseite des Materials wird Wasser ausgesetzt. Der Wasserdruck beginnt bei Null und steigt um 10 mm pro Sekunde, gemessen wird die Zeit bis der dritte Tropfen auf der Oberseite zu sehen ist bzw. der der Zeit entsprechende Druck, der in der Regel in Millimeter Wassersäule angegeben wird.

Nach der europäischen Norm EN 343:2003 („Schutzkleidung gegen Regen“) ist ein Produkt mit Wassersäule ab 800 mm „wasserdicht (Klasse 2)“ und ab 1.300 mm „wasserdicht (Klasse 3)“. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in St. Gallen in der Schweiz geht davon aus, dass ein Funktionsmaterial ab einer Wassersäule von 4.000 mm wasserdicht ist. Beim Sitzen auf feuchtem Untergrund wird ein Druck aufgebaut, der ca. 2.000 mm Wassersäule entspricht. Beim Knien in der Hocke drücken schon ca. 4.800 mm Wassersäule auf die Bekleidung.

Oberzelte gelten ab 1.500 mm und Zeltböden ab 2.000 mm nach DIN als wasserdicht.

Bei Uhren wird nach DIN 8310 (DIN 8306 bei Taucheruhren) ein Äquivalent zur Höhe einer Wassersäule (30 Minuten in 1 m Wassertiefe und 90 Sekunden in 20 m Wassertiefe) angegeben, das alle Dichtungen aushalten müssen, damit sie als wasserdicht bezeichnet werden dürfen. Bei diesen Meterangaben handelt es sich um eine bildliche Darstellung des Prüfdruckes, welcher aber bereits durch eine heftige Schwimmbewegung oder einen Schlag aufs Wasser um das Vielfache überstiegen werden kann.

Orgelbau

Im Orgelbau wird der Winddruck in mmWS angegeben, mit dem die verschiedenen Orgelregister angeblasen werden.

Einzelnachweise

  1. vgl. Dobrinski, Krakau, Vogel: Physik für Ingeniere, 11. Auflage, Seite 127

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