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Flattereffekt und Drehimpulserhaltung
 
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TheRookie



Anmeldungsdatum: 09.03.2019
Beiträge: 4

Beitrag TheRookie Verfasst am: 09. März 2019 16:23    Titel: Flattereffekt und Drehimpulserhaltung Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Guten Tag allerseits,

ich beschäftige mich seit längerem ausgiebig mit auftretenden Flattereffekten bei Spielbällen (bspw. Volleyball/Fußball). Nun lese ich auf vielen Seiten, dass der Ball aufgrund der fehlenden Drehimpulserhaltung nicht ausreichend in der Luft stabilisiert wird und so der besagte Effekt verstärkt bzw. ausgelöst wird. Nun kommt meine Frage:

Welchen Einfluss hat der Drehimpulserhaltungssatz auf die Wirbelablösungen hinter dem Ball, welche meines Wissens nach den Flattereffekt auslösen?





Meine Ideen:
Meine Idee:


Ein rotierender Ball sorgt für eine relativ geordnete Luftumströmung und so für eine gewisse Stabilität im Flug. Die Verbindung mit dem Drehimpuls habe ich aber leider noch nicht verstanden. Darüber hinaus ist mir klar, dass nicht allein diese Eigenschaft den Flattereffekt auslöst, sondern noch viele weitere Parameter, welche aber einigermaßen verständlich für mich sind. Vielleicht kann mir ja einer hier weiterhelfen.


Ich freue mich auf eure Vorschläge! :-))
Systemdynamiker



Anmeldungsdatum: 22.10.2008
Beiträge: 594
Wohnort: Flurlingen

Beitrag Systemdynamiker Verfasst am: 10. März 2019 09:10    Titel: Kritische Re-Zahl Antworten mit Zitat

Was heisst fehlende Drehimpulserhalten? Der Drehimpuls ist immer erhalten, man muss ihn nur richtig bilanzieren.

Die Umströmung eines mit normaler Geschwindigkeit fliegenden Balles ist turbulent, also chaotisch. Schon die Strömung um einen nichtrotierenden Ball ist deshalb nicht so einfach zu verstehen.
Wieso fliegt der Golfball weiter, wenn er Dellen aufweist? Wieso fliegt der Hornuss weniger weit, wenn man ihn einritzt?
Nimmt man eine glatte Kugel, ändert sich der cW-Wert bei einer kritischen Reynold-Zahl ziemlich dramatisch, weil sich die Strömung anders ablöst und sich die Wirbelstrasse stark ändert. Ich vermute von der Grössenordnung her, dass dort ein Ball diesen Flattereffekt zeigt, sogar wenn er nicht rotiert.

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Herzliche Grüsse Werner Maurer
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17900

Beitrag TomS Verfasst am: 10. März 2019 09:54    Titel: Re: Flattereffekt und Drehimpulserhaltung Antworten mit Zitat

TheRookie hat Folgendes geschrieben:
Welchen Einfluss hat der Drehimpulserhaltungssatz auf die Wirbelablösungen hinter dem Ball, welche meines Wissens nach den Flattereffekt auslösen?

Oberhalb einer gewissen kritischen Rotationsfrequenz tritt der sogenannte inverse Magnuseffekt auf, unterhalb der normale Magnuseffekt. Wenn die Rotationsfrequenz des Balls aufgrund der Luftreibung abnimmt, wird die kritische Frequenz unterschritten, was zu einer Änderung der Richtung der Abweichung von der geraden Flugbahn führt; statt einer immer gleich gekrümmten Bahn erfolgt ein Wechsel ähnlich wie bei einer S-Kurve (*)

Ich denke jedoch, dass dies nicht der normale Flatterfeffekt ist, der dann auftritt, wenn keine Rotation vorliegt. Beim Volleyball wird der Flatteraufschlag mit der flachen Hand ohne Rotation ausgeführt; dadurch fehlt der stabilisierende Effekte der Rotation m.E. vollständig, d.h. der Flatterfeffekt stammt nicht von der fehlenden Drehimpulserhaltung sondern von der fehlenden Rotation.

Hier eine sehr praktische Erklärung:

https://m.youtube.com/watch?v=kWNue2K8tkc

(*) Ich habe dazu noch keine verlässliche Quelle gefunden, dass dies in einem realistischen Parameterbereich tatsächlich relevant ist.

Systemdynamiker hat Folgendes geschrieben:
Was heisst fehlende Drehimpulserhaltung? Der Drehimpuls ist immer erhalten, man muss ihn nur richtig bilanzieren.

Offenbar ist hier der Drehimpuls des Balls gemeint, und der ist nicht erhalten.

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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago.


Zuletzt bearbeitet von TomS am 10. März 2019 10:02, insgesamt einmal bearbeitet
TheRookie



Anmeldungsdatum: 09.03.2019
Beiträge: 4

Beitrag TheRookie Verfasst am: 10. März 2019 10:01    Titel: Re: Kritische Re-Zahl Antworten mit Zitat

Vielen Dank für deine Antwort!

Die Sache mit dem c-w-Wert und auch dessen kritischen Abfall meine ich einigermaßen verstanden zu haben. In diesem Bereich bildet sich ja eine Grenzschicht zwischen Luft und Ball, welche die Wirbelablösungen hinter dem Ball verzögern und so den c-w-Wert senken. Die Bildung der Grenzschicht passiert durch die Dimples schon bei niedrigeren Geschwindgkeiten, sodass der Golfball weiter fliegen kann.

Aber ich verstehe nicht ganz was du damit meinst:

Systemdynamiker hat Folgendes geschrieben:
Ich vermute von der Grössenordnung her, dass dort ein Ball diesen Flattereffekt zeigt, sogar wenn er nicht rotiert.


Meines Wissens nach ist es doch essenziell, dass der Ball rotationsarm fliegt, sodass Flattereffekte doch nur auftreten können, wenn der Ball keine Rotation aufweist?? grübelnd

Und was meinst du mit bilanzieren? Falls der Ball keine Rotation aufweist, wäre der Drehimpuls doch 0. Okay, durch den Erhaltungssatz müsste er auch bei 0 bleiben, aber wir gehen ja davon aus, dass der Ball auch während des Flugs nicht anfängt zu rotieren, sodass der Drehimpuls ständig bei 0 bleibt?

Oder stehe ich auf dem Schlauch? grübelnd

Liebe Grüße
TheRookie
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17900

Beitrag TomS Verfasst am: 10. März 2019 10:07    Titel: Re: Kritische Re-Zahl Antworten mit Zitat

TheRookie hat Folgendes geschrieben:
Meines Wissens nach ist es doch essenziell, dass der Ball rotationsarm fliegt, sodass Flattereffekte doch nur auftreten können, wenn der Ball keine Rotation aufweist

Richtig, s.o.

TheRookie hat Folgendes geschrieben:
Und was meinst du mit bilanzieren?

s.o.

Drehimpuls von Ball plus Luft sind natürlich erhalten, aber der Drehimpuls des Balls alleine nicht.

Ich denke nicht, dass die Rotation im Falle des Flatterballs eine Rolle spielt. Ohne Rotation fehlt deren stabilisierender Effekt, die unregelmäßige Ablösung der Luftwirbel führt zum „Flattern“. Mit Rotation und unterhalb der kritischen Frequenz ist die Stabilisierung immer gegeben, die Bahnkurve wird allenfalls enger.

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TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17900

Beitrag TomS Verfasst am: 10. März 2019 10:17    Titel: Antworten mit Zitat

Hier ist ein längerer Artikel zu dem Thema:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/18/7/073027/meta
Physics of knuckleballs
Baptiste Darbois Texier1, Caroline Cohen1, David Quéré2 and Christophe Clanet1,3
New Journal of Physics, Volume 18, July 2016
Abstract
Zigzag paths in sports ball trajectories are exceptional events. They have been reported in baseball (from where the word knuckleball comes from), in volleyball and in soccer. Such trajectories are associated with intermittent breaking of the lateral symmetry in the surrounding flow. The different scenarios proposed in the literature (such as the effect of seams in baseball) are first discussed and compared to existing data. We then perform experiments on zigzag trajectories and propose a new explanation based on unsteady lift forces. In a second step, we exploit wind tunnel measurements of these unsteady lift forces to solve the equations of motion for various sports and deduce the characteristics of the zigzags, pointing out the role of the drag crisis. Finally, the conditions for the observation of such trajectories in sports are discussed.

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TheRookie



Anmeldungsdatum: 09.03.2019
Beiträge: 4

Beitrag TheRookie Verfasst am: 10. März 2019 10:19    Titel: Re: Flattereffekt und Drehimpulserhaltung Antworten mit Zitat

TomS hat Folgendes geschrieben:
dadurch fehlt der stabilisierende Effekte der Rotation m.E. vollständig, d.h. der Flatterfeffekt stammt nicht von der fehlenden Drehimpulserhaltung sondern von der fehlenden Rotation.


Genau das ist auch meine Frage: Du meinst "der stabilisierende Effekte der Rotation" fehlt. Aber welcher Effekt ist damit gemeint?
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 17900

Beitrag TomS Verfasst am: 10. März 2019 10:40    Titel: Antworten mit Zitat

Nun, ich denke an den o.g. Magnuseffekt. Durch die Rotation erfolgt die Ablösung der Wirbel stark asymmetrisch, was dazu führt, dass die Turbulenzen keine (nur geringe) Zick-Zack-Bewegungen hervorrufen.
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Anmeldungsdatum: 09.03.2019
Beiträge: 4

Beitrag TheRookie Verfasst am: 10. März 2019 10:46    Titel: Antworten mit Zitat

Super, diese Hypthose hatte ich auch! Dank Dir Thumbs up!
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