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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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 Brillant Verfasst am: 30. Apr 2020 10:53 Titel: Fontäne, die nicht zerfällt |
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Ich beschäftige mich z.Z. mit dem Bau eines größeren Heronsbrunnens, ein kleines Funktionsmodell ist fertig (Bild) und läuft mit 0,7 l Wasser knapp 20 min dank der Mini-Düse einer Munddusche.
Nun geht es darum, mit Form und Menge der Fontaine zu experimentieren. Je größer die Menge, desto imposanter, verkürzt aber die Laufzeit.
Fragen:
1. Warum zerfällt die Fontaine eines Springbrunnens in Tropfen?
2. Wie vermeidet man das?
Unter dem Stichwort „laminar nozzle“ oder „jumpuing jets“ sind Fontainen zu sehen, die nicht zerfallen, die Umgebung trocken lassen und als Lichtleiter genutzt werden können. Beispiel: https://youtu.be/X14fPK6kE8s
Auch Bastelanleitungen gibt es, vor dem Austritt der Fontaine durchfließt das Wasser einen Topf mit Trinkhalmen. Der klobige Topf sieht nicht nur unschön aus, sondern klappt im Gegensatz zu industriellen jumping jets nicht wirklich.
Welche konstruktive Maßnahme hält das Wasser einer Fontaine zusammen?
| Beschreibung: |
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| Dateigröße: |
40.16 KB |
| Angeschaut: |
1258 mal |
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 30. Apr 2020 11:54 Titel: |
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Ich stelle mir das so vor.
Wenn Wasser laminar durch ein Rohr fließt, hat es im Querschnitt ein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil. In der Mitte des Rohrs fließt es am schnellsten, am Rand langsam, da es an der Rohrwand durch Reibung gebremst wird.
https://blog.lecturio.de/wp-content/uploads/2015/08/parabolischer_Verlauf.jpg
Mit diesem Geschwindigkeitsprofil tritt nun das Wasser aus dem Rohrende/Düse aus. Plötzlich ändern sich diese Reibverhältnisse, das führt zu Instabilität.
Möglicherweise hilft es, das Geschwindigkeitsprofil über den gesamten Austrittsquerschnitt konstant zu halten, wenn man das Wasser vorher durch viele parallele Einzelrohre führt und erst kurz vor der Austrittsdüse wieder vereint. Der freie Strahl hat dann auch am Rand die gleiche hohe Geschwindigkeit wie in der Mitte.
Weiterhin ändert sich je nach Strahlwinkel und daraus resultierender Höhe der Strahlquerschnitt.
Wenn man einen Wasserstrahl z.B. einfach senkrecht nach unten richtet, fällt das Wasser durch Erdbeschleunigung immer schneller.
Der Strahl schnürt sich dadurch ein und zerfällt ab einer bestimmten Fallhöhe durch das Überwiegen der Oberflächenspannung in einzelne Tropfen.
Das bedeutet, dass dieser Effekt (Zerfall in Tropfen) später eintritt, je dicker der Austrittsquerschnitt ist und je schneller das Wasser austritt, d.h. je größer der Volumenstrom an der Düse ist.
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 30. Apr 2020 12:37 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | wenn man das Wasser vorher durch viele parallele Einzelrohre führt und erst kurz vor der Austrittsdüse wieder vereint. |
Wozu die Einzelrohre? Die führen bei den Bastelanleitungen in einen Hohlraum und dann zur Düse, die ein Loch mit scharfer Kante in einem möglichst dünnen Blech ist (Getränkedose).
| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Der Strahl schnürt sich dadurch ein und zerfällt ab einer bestimmten Fallhöhe durch das Überwiegen der Oberflächenspannung in einzelne Tropfen. |
Erwartest du, dass die Fontaine länger zusammenhält, wenn man die Oberflächenspannung herabsetzt, etwa durch Zugabe von Wasch- oder Spülmittel?
Nur eine technische Frage, der Schaum wäre optisch nicht erwünscht. Obwohl Waschmittel wohl schaumgebremst sind.
Ich vermeide den Begriff „Strahl“, der geradlinig verläuft. Hier handelt es sich aber um Bögen, im Idealfall Wurfparabeln.
Mein kleines Muster könnte nicht nur optisch und wissenschaftlich interessant sein, sondern einen praktischen Nutzen haben als Zapfhahn. Wenn die obere Flasche ein Getränk enthält, muss man nur ein Glas Wasser in die Auffangschale gießen und das Getränk (in derselben Menge?) tritt aus.
Edit: Es ist dieselbe Menge.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 30. Apr 2020 13:36 Titel: |
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| Zitat: | | Wozu die Einzelrohre? Die führen bei den Bastelanleitungen in einen Hohlraum und dann zur Düse, die ein Loch mit scharfer Kante in einem möglichst dünnen Blech ist (Getränkedose). |
Das entspricht ziemlich meiner Vorstellung. Durch die vielen dünnen Einzelrohre wirkt die Rohrreibung nicht nur an der Außenseite des gesamten Querschnitts, sondern auch im inneren. Damit hat man über den gesamten Querschnitt ein konstantes Geschwindigkeitsprofil.
Nach dem Zusammenführen muss verhindert werden, dass sich das parabelförmige Geschwindigkeitsprofil wieder ausbildet, deshalb darf der Kontakt zur Wand dann nur sehr kurz sein. Daher lediglich das Loch in einem dünnen Blech.
| Zitat: | | Erwartest du, dass die Fontaine länger zusammenhält, wenn man die Oberflächenspannung herabsetzt, etwa durch Zugabe von Wasch- oder Spülmittel? |
Das würde ich erwarten. Zumindest ist es einen Versuch wert. Man müsste einen Behälter/Eimer unten mit kleinem Loch ausstatten und bei gegebener Füllmenge mal messen, ab wann der herauslaufende Wasserstrahl in einzelne Tropfen zerfällt.
Dann wiederholt man das mit entsprechendem Seifenwasser.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5874
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 30. Apr 2020 14:10 Titel: |
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Luftwiderstand trennt den Strahl in Einzeltropfen.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 30. Apr 2020 14:39 Titel: |
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| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Edit: Es ist dieselbe Menge |
Das glaube ich kaum. dann hätte man ja ein PM.
Die Austrittsöffnung oben liegt immer etwas höher als der Wasserspiegel im Sammeltrichter. Daraus ergibt sich eine Energiedifferenz und damit wird immer etwas weniger Wasser hochgepumpt, als von oben nach unten fließt.
| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | | Luftwiderstand trennt den Strahl in Einzeltropfen. |
Das könnte zusätzlichen Einfluss haben. Ich denke aber, die Oberflächenspannung ist bei dünnen Strahlen maßgeblicher.
Vielleicht mache ich am WE mal das Experiment mit dem Seifenwasser. Dann wird sich das ja zeigen.
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 30. Apr 2020 14:41 Titel: |
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| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | | Luftwiderstand trennt den Strahl in Einzeltropfen. |
Kann ich mir vorstellen wie Wind auf einer Wasseroberfläche. Ab einer gewissen Windstärke werden Tropfen herausgerissen, es bildet sich Gischt.
Wenn eine laminare Fontaine erzielt wird, müsste sie gegenüber der Luft möglichst langsam sein, um nicht zerrissen zu werden?
Kann man das in m/sec ausdrücken? Diese Jets in den Videos sind einige Meter lang, habe das auch schon life gesehen auf einem Jahrmarkt. So 4 .. 5 m mögen das gewesen sein. Durchmesser geschätzte 3/4 Zoll, wie bei mir aus dem Gartenschlauch (dort aber nur 20 .. 30 cm).
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 30. Apr 2020 14:48 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Edit: Es ist dieselbe Menge |
Das glaube ich kaum. dann hätte man ja ein PM. |
Nein, dann hast du das Prinzip des Heronsbrunnens falsch verstanden. Die Energie für die Fontäne wird dadurch gewonnen, dass ein Wasservorrat über die Düse und den Auffangtrichter in ein tiefer gelegenes Reservoir fließt.
Reservoir füllt sich, Luftdruck steigt und wird per Schlauch in den oberen Behälter geleitet, drückt dort das Wasser in die Düse.
Ist das Wasser im oberen Behälter verbraucht, spuckt die Düse nichts mehr aus.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5874
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 30. Apr 2020 14:51 Titel: |
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Da der Volumenstrom bei abnehmender Geschwindigkeit konstant bleibt, vergrössert sich der Querschnitt des Strahls und damit die Angriffsfläche für den Luftwiderstand: Verwirbelung
Da die Geschwindigkeit des Fluids vom Strahlkern zum Rand abnimmt, entstehen durch die Relativgeschwindigkeit Verwirbelungen.
Wenn der Strahl nicht exakt senkrecht steht, hat die Geschwindigkeit der Tröpfchen eine horizontale Komponente: Die Tröpfchen streben auseinander.
...
Es gibt sicher noch weitere Einflussgrössen, die einen exakt zusammenhängenden Strahl verhindern.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 30. Apr 2020 15:08 Titel: |
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| Zitat: | | Ist das Wasser im oberen Behälter verbraucht, spuckt die Düse nichts mehr aus. |
Eben.
Wenn man aber das ausgespuckte Wasser wieder ins obere Reservoir leitet und immer exakt so viel Wasser ausgespuckt wird, wie von oben nach unten fließt, dann würde ja der obere Sammeltrichter nie leer und man hätte einen ewigen Kreislauf. Das wäre dann ein PM.
Verbraucht wird das Wasser im Reservoir , weil eben immer etwas weniger oben ankommt.
| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | | Da der Volumenstrom bei abnehmender Geschwindigkeit konstant bleibt, vergrössert sich der Querschnitt des Strahls und damit die Angriffsfläche für den Luftwiderstand: Verwirbelung |
Die Geschwindigkeit nimmt doch aber bei fallendem Strahl zu und damit der Querschnitt ab. Irgendwann ist der Strahl so dünn, dass die Oberflächenspannung einzelne Tropfen abschnürt. Das kann man gut am Wasserhahn beobachten.
Wie gesagt, ich werde wahrscheinlich das Experiment machen. Mal sehen, ob da ein eindeutiges Ergebnis zu finden ist.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5874
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 30. Apr 2020 15:34 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Zitat: | | Ist das Wasser im oberen Behälter verbraucht, spuckt die Düse nichts mehr aus. |
Eben.
Wenn man aber das ausgespuckte Wasser wieder ins obere Reservoir leitet und immer exakt so viel Wasser ausgespuckt wird, wie von oben nach unten fließt, dann würde ja der obere Sammeltrichter nie leer und man hätte einen ewigen Kreislauf. Das wäre dann ein PM.
Verbraucht wird das Wasser im Reservoir , weil eben immer etwas weniger oben ankommt.
| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | | Da der Volumenstrom bei abnehmender Geschwindigkeit konstant bleibt, vergrössert sich der Querschnitt des Strahls und damit die Angriffsfläche für den Luftwiderstand: Verwirbelung |
Die Geschwindigkeit nimmt doch aber bei fallendem Strahl zu und damit der Querschnitt ab. Irgendwann ist der Strahl so dünn, dass die Oberflächenspannung einzelne Tropfen abschnürt. Das kann man gut am Wasserhahn beobachten.
Wie gesagt, ich werde wahrscheinlich das Experiment machen. Mal sehen, ob da ein eindeutiges Ergebnis zu finden ist.. |
Hatte ich noch vergessen: Die herabfallenden Tropfen kollidieren mit den aufsteigenden.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 30. Apr 2020 16:12 Titel: |
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| Zitat: | | Hatte ich noch vergessen: Die herabfallenden Tropfen kollidieren mit den aufsteigenden. |
Wenn ich bei mir den Wasserhahn aufdrehe, gibt es nur fallende Tropfen, bis zum Aufschlag im Waschbecken.
Aber hier haben sich schon andere mal Gedanken gemacht. Das geht in eine ähnliche Richtung, wie das, was ich beschrieben habe.
https://en.wikipedia.org/wiki/Plateau–Rayleigh_instability
Damit ist klar, dass der Zerfall prinzipiell irgendwann erfolgt, aber je dünner der Strahl (z.B. bei senkrecht fallendem Strahl aus dem Wasserhahn durch zunehmend geringerem Querschnitt), desto eher.
Da beim Heronsbrunnen eher nicht mit großen Volumenströmen und dicken Strahlquerschnitten zu rechnen ist, wird das hier der ausschlaggebende Punkt sein.
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Frankx
Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 985
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| Frankx Verfasst am: 18. Mai 2020 09:49 Titel: |
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| Frankx hat Folgendes geschrieben: | | Wenn man aber das ausgespuckte Wasser wieder ins obere Reservoir leitet und immer exakt so viel Wasser ausgespuckt wird, wie von oben nach unten fließt, dann würde ja der obere Sammeltrichter nie leer und man hätte einen ewigen Kreislauf. Das wäre dann ein PM. |
Ich habe eben noch mal meine alten Beiträge überflogen. Hier hatte ich wohl irgendwie was anders im Sinn. Das was ich da geschrieben hatte ist so natürlich Quatsch.
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