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Kursvorlesung ’Experimentalphysikâ ... - gilligan-online

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Aufgabe 1<br />

In einem Differenzdruckmanometer sind die statischen Drucke in den<br />

Schenkeln p 1 2 bar und p 2 1,5 bar (siehe Skizze). Die Meßflüssigkeit<br />

ist Quecksilber (Hg) mit einer Dichte von<br />

Hg<br />

3<br />

13,59 kgdm<br />

.<br />

Wie groß ist die sich einstellende Höhendifferenz h der Flüssigkeitssäulen<br />

in den beiden Schenkeln des U-Rohres? [ h 0,375 m ].<br />

p1<br />

p2<br />

h<br />

Aufgabe 2<br />

Ein U-Rohr sei teilweise mit Wasser gefüllt. In einen der beiden Schenkel<br />

wird eine andere Flüssigkeit gegossen, die sich nicht mit Wasser mischt, bis<br />

die Oberfläche der Flüssigkeit um den Betrag d 3 cm höher steht als das<br />

Wasser im anderen Schenkel. Dessen Meniskus hat sich während des Eingießens<br />

um den Betrag l 5 cm gehoben (siehe Skizze).<br />

Die Dichte von Wasser beträgt<br />

H2O<br />

3<br />

1,0 gcm<br />

.<br />

Wie groß ist die Dichte Fl der anderen Flüssigkeit? [ 0,77 gcm<br />

].<br />

Aufgabe 3<br />

Zwei gleiche Kugeln mit<br />

d 100 mm Durchmesser werden in Wasser eingetaucht. Die erste<br />

Kugel ist aus Holz mit einer Dichte von<br />

Fl<br />

<br />

Holz<br />

3<br />

<br />

0,80 kgdm<br />

3<br />

3<br />

. Die zweite Kugel ist aus<br />

Stahl mit einer Dichte von Stahl 7,85 kgdm<br />

.<br />

(a) Wie groß ist die Auftriebskraft der Kugel aus Holz? [ F A, Holz 5,14<br />

N ].<br />

(b) Wie groß ist die resultierende Kraft auf diese Kugel? [ F res, Holz 1,03<br />

N].<br />

(c) Wie groß ist die Auftriebskraft der Kugel aus Stahl? [ F A, Stahl 5,14<br />

N ].<br />

(d) Wie groß ist die resultierende Kraft auf diese Kugel? [ F 35,2<br />

N].<br />

res, Stahl<br />

Aufgabe 4<br />

3<br />

Um festzustellen, ob ein Gegenstand aus reinem Gold mit der Dichte Au 19,3 gcm<br />

ist,<br />

wird die Gewichtskraft in Luft F G, L (Auftrieb in Luft ist zu vernachlässigen) und die scheinbare<br />

Gewichtskraft in Wasser F festgestellt.<br />

Die Dichte von Wasser beträgt<br />

Welches Verhältnis<br />

G,W<br />

G, W<br />

H2O<br />

3<br />

1,0 gcm<br />

.<br />

FG,L<br />

f muss sich bei reinem Gold ergeben? [ f 1, 055 ].<br />

F<br />

d<br />

l<br />

l<br />

© 2004 Günther Kurz · Alle Rechte vorbehalten · Nur zur privaten Nutzung · Öffentliche und kommerzielle Verwendung und Verbreitung sowie Vervielfältigung nur nach Rücksprache mit dem Autor<br />

Grundkurs Physik - 2 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

KURZ<br />

Günther


Aufgabe 5<br />

Der Querschnitt eines Glasrohres, das von Wasser durchströmt wird, verjüngt sich von<br />

2<br />

2<br />

A 1 4 cm auf A 1 1cm<br />

. Vor und hinter der Verjüngung sind auf dem Rohr<br />

Steigröhrchen aufgesetzt. Im ersten Steigröhrchen steht der Wasserspiegel h 1 1,5 cm<br />

hoch.<br />

(a) Wie hoch steht das Wasser im zweiten Steigröhrchen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit<br />

im engen Rohrteil v 2 80 cms<br />

ist und die Viskosität des Wassers vernachläs-<br />

1<br />

sigt werden kann? [ h 2 12,0 cm ].<br />

(b) Mit welcher Geschwindigkeit müsste das Wasser im engen Rohr fließen, wenn die<br />

Steighöhe im ersten Röhrchen unverändert h 1 1,5 cm , im zweiten jedoch h 2 0 cm<br />

1<br />

wäre? [ v 1,77 m ].<br />

2 s<br />

Aufgabe 6<br />

In eine Wasserleitung soll ein Strömungsmesser (VENTURI-Düse) eingebaut werden, dessen<br />

1<br />

Differenzdruckmanometer beim größten Volumenstrom V max 2,0 ls<br />

gerade Vollausschlag<br />

p 3000 Pa anzeigen soll. Wie groß muss der Durchmesser d 2 der engsten Stelle<br />

gewählt werden, wenn der Leitungsdurchmesser d 1 50 mm beträgt? [ d 2 31 mm ].<br />

Aufgabe 7<br />

Durch ein Rohr mit d 1 70 mm Durchmesser fließt Öl (Dichte 3<br />

0,82 gcm ). Eine<br />

VENTURI-Düse verengt das Rohr auf die Hälfte seines Durchmessers. Sperrflüssigkeit im<br />

U-Rohr-Manometer ist Quecksilber. Der kleinste ablesbare Höhenunterschied des Manometers<br />

ist h min 2 mm , der größte h max 50 mm . Welche Volumenströme V min und<br />

V 1<br />

entsprechen diesen Ablesungen? [ V 1<br />

0,8 ls<br />

und V 4 ls<br />

].<br />

max<br />

Aufgabe 8<br />

Eine Stahlkugel (Radius<br />

R 5 mm ; <br />

3<br />

Stahl<br />

min<br />

<br />

7,87 gcm<br />

3<br />

max<br />

) fällt in einen Bottich, der mit einer<br />

Flüssigkeit (Dichte Fl 0,80 gcm<br />

; Viskosität Fl 100 Pa s ) gefüllt ist.<br />

Welche Wegstrecke s legt die Kugel im Zeitintervall t 1,0 min zurück? [ s 23,6 cm ].<br />

Aufgabe 9<br />

Durch eine L 100 m lange Rohrleitung (Rohrdurchmesser D 20 mm ) soll Öl (Dichte<br />

3<br />

<br />

Öl<br />

0,90 kgdm<br />

; Viskosität <br />

Öl<br />

0,01Pa s ) gepumpt werden. Die Strömung soll laminar<br />

sein, die Strömungsgeschwindigkeit aber möglichst groß.<br />

Welche Leistung P muss die Pumpe haben? [ P 42 W]<br />

.<br />

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Grundkurs Physik - 3 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

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Günther


Aufgabe 10<br />

Ein Lastwagen (Masse m 3 600 kg , Schattenfläche A 4,2 m ) fährt mit einer<br />

Motorleistung von P 44 kW , die mit einem Wirkungsgrad von 60 % auf die Räder übertragen<br />

wird. Er erzielt dabei auf horizontaler Straße die Geschwindigkeit v 60 kmh<br />

Rollreibungskoeffizient der Räder beträgt 0, 03 , die Dichte der Luft<br />

Welchen Widerstandsbeiwert c W hat das Fahrzeug? [ c W 0, 70 ].<br />

2<br />

Luft<br />

1<br />

. Der<br />

3<br />

1,23 kgm<br />

.<br />

Aufgabe 11<br />

Zeigen Sie, dass für eine mit der Geschwindigkeit v 100 ms durch die Luft fliegende<br />

Kugel (Radius R 10 cm) der nach STOKES berechnete Reibungswiderstand F R vernachlässigbar<br />

klein ist gegenüber dem durch Wirbelbildung verursachten Widerstand F D .<br />

Die Viskosität der Luft ist<br />

F<br />

[<br />

F<br />

D<br />

R<br />

10<br />

4<br />

].<br />

5<br />

1<br />

1,83 10<br />

Pa s und ihre Dichte<br />

Luft<br />

Luft<br />

3<br />

1,23 kgm<br />

.<br />

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Lösung zu Aufgabe 1<br />

Hierbei handelt es sich um ein statisches Problem (die Geschwindigkeiten in den<br />

Schenkeln ist jeweils Null – d. h. keine dynamischen Drucke). Die BERNOULLI-Gleichung<br />

reduziert sich auf die folgende Gestalt.<br />

p<br />

<br />

<br />

<br />

1 Hggh1<br />

p2<br />

Hggh2<br />

Die Höhen werden von einem definierten Nullniveau aus gemessen (geschickterweise<br />

wird die Oberfläche der Quecksilbersäule des linken Schenkels gewählt).<br />

p<br />

p<br />

1 Hggh<br />

1<br />

p2<br />

Hgg h<br />

2<br />

0<br />

h<br />

1<br />

p<br />

2<br />

<br />

Hg<br />

gh<br />

Hieraus folgt für die Höhendifferenz der beiden Oberflächen in den Schenkeln<br />

p1<br />

p<br />

h<br />

<br />

g<br />

Hg<br />

2<br />

0,5 bar<br />

<br />

3<br />

13,59 kgdm 9,81ms<br />

2<br />

0,5 10<br />

<br />

<br />

13590 kgm<br />

5<br />

3<br />

Nm<br />

2<br />

9,81ms<br />

2<br />

0,375 m<br />

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Lösung zu Aufgabe 2<br />

Hierbei handelt es sich um ein statisches Problem (die Geschwindigkeiten in den<br />

Schenkeln ist jeweils Null – d. h. keine dynamischen Drucke). Die BERNOULLI-Gleichung<br />

reduziert sich auf die folgende Gestalt.<br />

p<br />

1 Fl gh 1 p 2 H2O<br />

gh 2<br />

Zusätzlich sind hier noch die beiden statischen Drucke gleich.<br />

p<br />

1<br />

p 2<br />

p<br />

Die Höhen werden von einem definierten Nullniveau aus gemessen (geschickterweise<br />

wird die Oberfläche der Wassersäule des linken Schenkels gewählt).<br />

p <br />

g ( 2l<br />

d)<br />

p H<br />

Og<br />

(2l)<br />

Fl 2<br />

Hieraus folgt für die Dichte der eingefüllten Flüssigkeit<br />

<br />

Fl<br />

Hgg<br />

(2l<br />

)<br />

<br />

2<br />

g (2l<br />

d)<br />

H O<br />

2<br />

l<br />

2l<br />

d<br />

2 1,0 gcm<br />

3<br />

5 cm<br />

10 cm<br />

<br />

3 cm<br />

0,77 gcm<br />

3<br />

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Lösung zu Aufgabe 3<br />

Die Auftriebskraft ist nach ARCHIMEDES gleich der Gewichtskraft des verdrängten Flüssigkeitsvolumens.<br />

Der Durchmesser der Kugeln ist<br />

2<br />

r 5 10<br />

m .<br />

d 10 1<br />

m und somit ist der Radius der Kugeln<br />

Das Volumen der Kugeln ist somit V<br />

Ku<br />

4 3<br />

4<br />

r<br />

3<br />

5,24 10<br />

Die Kugeln sind vollständig eingetaucht, d. h. das volle Kugelvolumen wird an Wasser<br />

verdrängt.<br />

(a), (c) Die Auftriebskraft ist somit für die Holzkugel dieselbe wie die für die Stahlkugel<br />

F<br />

A, Holz FA,Stahl<br />

H<br />

2O<br />

VKu<br />

g <br />

<br />

mH2O,verdr<br />

5,14 N<br />

Diese wirkt nach oben (der Gewichtskraft entgegen und wird somit mit einem Minus<br />

versehen).<br />

F<br />

A, Holz FA,Stahl<br />

H<br />

2O<br />

VKu<br />

g <br />

<br />

mH2O,verdr<br />

5,14 N<br />

(b) Die resultierende Kraft ist die vektorielle Summe aus Gewichtskraft und Auftriebskraft,<br />

da diese jedoch in entgegengesetzte Richtungen wirken, kann man auf die reinen Beträge<br />

zugreifen und bildet die Differenz aus dem Betrag der Gewichtskraft und dem Betrag<br />

der Auftriebskraft.<br />

F<br />

F<br />

F<br />

<br />

g <br />

res, Holz G,Holz A,Holz Holz Ku H2O<br />

Ku<br />

2<br />

V<br />

V<br />

m<br />

3<br />

g ( Holz<br />

H<br />

O ) VKug<br />

1,03 N<br />

Das Minuszeichen zeigt an, dass die Holzkugel eine Resultierende nach oben erfährt.<br />

(d) Die resultierende Kraft ist die vektorielle Summe aus Gewichtskraft und Auftriebskraft,<br />

da diese jedoch in entgegengesetzte Richtungen wirken, kann man auf die reinen Beträge<br />

zugreifen und bildet die Differenz aus dem Betrag der Gewichtskraft und dem Betrag<br />

der Auftriebskraft.<br />

F<br />

<br />

F<br />

F<br />

<br />

g <br />

res, Stahl G,Stahl A,Stahl Stahl Ku H2O<br />

Ku<br />

2<br />

V<br />

V<br />

g ( Stahl<br />

H<br />

O ) VKug<br />

35,2 N<br />

Das Pluszeichen zeigt an, dass die Stahlkugel eine Resultierende nach unten erfährt.<br />

Ist die Kugel nur zu einem Bruchteil eingetaucht, so erfährt sie nur denselben Bruchteil<br />

an Auftriebskraft.<br />

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Lösung zu Aufgabe 4<br />

Die Gewichtskraft in Wasser entspricht der resultierenden Kraft aus reiner Gewichtskraft<br />

und Auftriebskraft.<br />

F AuVg<br />

A, L <br />

F )Vg<br />

A, W ( Au H2O<br />

Somit ist das Verhältnis<br />

F<br />

f F<br />

A,L<br />

A,W<br />

<br />

<br />

Au<br />

<br />

Au<br />

<br />

H2O<br />

1,055<br />

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Lösung zu Aufgabe 5<br />

Es seien an den Orten ‘1‘ und ‘2‘,<br />

die Querschnitte A 1 und A 2 ,<br />

die Geschwindigkeiten v 1 und v 2 ,<br />

die Drucke p 1 und p 2 ;<br />

die Steighöhen in den Röhrchen h 1 und h 2 ,<br />

der äußere Luftdruck p L .<br />

Die statischen Drucke sind p1 g h1<br />

pL<br />

und p2 g h2<br />

pL<br />

Die Kontinuitätsgleichung liefert für den VolumenstromV A v<br />

A v<br />

const.<br />

(a) Daraus folgt für die Geschwindigkeiten<br />

v<br />

A<br />

2<br />

1 v 2<br />

A1<br />

1 1 2 2 <br />

Die BERNOULLI-Gleichung fordert (für eine reibungsfreie Flüssigkeit) bei einer horizontalen<br />

Rohrströmung<br />

p<br />

1<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

1<br />

p<br />

2<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

2<br />

Einsetzen der oben angegebenen Beziehungen für die Drücke p 1 und p2<br />

und die Geschwindigkeit<br />

v 1 ergibt<br />

Daraus<br />

g h<br />

h<br />

2<br />

1<br />

p<br />

2<br />

L<br />

v 2 A<br />

[<br />

2 g A<br />

A<br />

<br />

2 A<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

(0,8 ms )<br />

<br />

<br />

2 10 ms<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

[<br />

16<br />

v<br />

1]<br />

h<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

g h<br />

(b) Fordert man h 2 0 ; dann muss gelten<br />

2<br />

p<br />

L<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1]<br />

15,0 cm 3,0 cm 15,0 cm 12,0 cm<br />

2 2<br />

v 2 A2<br />

[<br />

1]<br />

<br />

2 1<br />

h1<br />

2 g A1<br />

2<br />

2 2 g h1<br />

2 10 ms 0,15 m 2 2<br />

2 <br />

3,2 m s<br />

2<br />

A<br />

1<br />

2<br />

[1<br />

] [1<br />

]<br />

2<br />

16<br />

A1<br />

0 h<br />

oder v 2 A2<br />

[1<br />

2 g 2<br />

A<br />

] und<br />

v<br />

2<br />

1<br />

2<br />

und<br />

1<br />

2 1,79 ms<br />

Bei noch höherer Geschwindigkeit wird 2 h negativ, es wird Luft in das Rohr gesaugt.<br />

Dies ist das Prinzip der Wasserstrahlpumpe.<br />

v<br />

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Lösung zu Aufgabe 6<br />

Es seien an den Orten ‘1‘ und ‘2‘,<br />

die Querschnitte A 1 und A 2 ,<br />

die Geschwindigkeiten v 1 und v 2 ,<br />

die Drucke p 1 und p 2 .<br />

Die Steighöhen in den beiden Schenkeln des<br />

U-Rohr-Manometers liefern die Druckdifferenz<br />

p<br />

p 1 p2<br />

Der maximale Volumenstrom ist V<br />

Der Querschnitt ergibt sich zu<br />

Die maximale Geschwindigkeit wird<br />

1max<br />

Grundkurs Physik - 10 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

max<br />

A<br />

Die Kontinuitätsgleichung liefert für den Volumenstrom<br />

V A v<br />

A v<br />

const.<br />

1 1max 2 2 <br />

Daraus folgt für die Geschwindigkeiten<br />

v<br />

A<br />

1<br />

2 v1max<br />

A2<br />

1<br />

v<br />

d1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

A1 ( ) (2,5 cm) 19,63 cm<br />

2<br />

2<br />

3 1<br />

V<br />

max 10<br />

m s<br />

v max <br />

1,02 m<br />

A<br />

4<br />

2<br />

19,6 10<br />

m<br />

2 1<br />

1 s<br />

1<br />

Die BERNOULLI-Gleichung fordert (für eine reibungsfreie Flüssigkeit) für eine horizontale<br />

Rohrströmung<br />

p<br />

p<br />

und<br />

also<br />

1<br />

<br />

v<br />

2<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

1<br />

p<br />

2<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

2<br />

A<br />

2<br />

1 2<br />

1 1max p2<br />

[ ]<br />

2 A2<br />

p<br />

p<br />

1<br />

p<br />

2<br />

A<br />

[<br />

2 A<br />

A1 2 2 p<br />

[ ] 1<br />

A<br />

2<br />

2 v<br />

1max<br />

1<br />

2<br />

<br />

]<br />

2<br />

v<br />

zusammen mit der Kontinuitätsgleichung wird<br />

v<br />

2<br />

1max<br />

Für die Querschnittsflächen gilt<br />

d<br />

4<br />

2<br />

1<br />

<br />

2 p<br />

1<br />

v<br />

2<br />

1max<br />

d<br />

4<br />

1<br />

A<br />

i<br />

2<br />

1max<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

1max<br />

und damit<br />

<br />

di<br />

(<br />

2<br />

2<br />

)<br />

A<br />

2<br />

2<br />

1<br />

<br />

2 p<br />

1<br />

v<br />

; letztlich also wegen<br />

2<br />

1max<br />

4<br />

1<br />

4 1 4<br />

d2 <br />

d<br />

3 2<br />

1 d1<br />

0, 148 d<br />

<br />

2 3<br />

10<br />

Nm<br />

6,77<br />

1<br />

3 3<br />

2 2 2<br />

110<br />

kgm (1,02<br />

m s )<br />

A<br />

2<br />

1<br />

2<br />

A i ~ d i<br />

4<br />

1<br />

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Günther


Oder nach Ziehen der vierten Wurzel (dabei sind in der Physik nur positive Wurzeln<br />

sinnvoll!)<br />

d2<br />

0,62<br />

d1<br />

0,62 50 mm 31mm<br />

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Grundkurs Physik - 11 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

KURZ<br />

Günther


Lösung zu Aufgabe 7<br />

Es seien an den Orten ‘1‘ und ‘2‘,<br />

die Querschnitte A 1 und A 2 ,<br />

die Geschwindigkeiten v 1 und v 2 ,<br />

die Drucke p 1 und p 2 .<br />

Es ist<br />

Damit<br />

p<br />

p<br />

p ) g h<br />

min<br />

max<br />

( Hg Öl<br />

(13,54 0,82) 10<br />

(13,54 0,82) 10<br />

3<br />

3<br />

kgm<br />

kgm<br />

3<br />

3<br />

10 ms<br />

10 ms<br />

2<br />

2<br />

2 10<br />

3<br />

50<br />

10<br />

m <br />

Die Kontinuitätsgleichung liefert für den VolumenstromV A<br />

Daraus folgt für die Geschwindigkeiten<br />

v<br />

A<br />

1<br />

2 v1<br />

A2<br />

3<br />

m <br />

254 Nm<br />

2<br />

6 360 Nm<br />

2<br />

1 v1<br />

A2<br />

v<br />

2 <br />

const.<br />

Die BERNOULLI-Gleichung fordert (für eine reibungsfreie Flüssigkeit) bei einer horizontalen<br />

Rohrströmung<br />

p<br />

p<br />

1<br />

<br />

v<br />

2<br />

<br />

v<br />

2<br />

2<br />

1<br />

p<br />

2<br />

2<br />

v 2<br />

2<br />

A<br />

[<br />

2 A<br />

1<br />

2<br />

1 p2<br />

1 2<br />

]<br />

2<br />

p<br />

p<br />

damit<br />

1<br />

p<br />

2<br />

A<br />

[<br />

2 A<br />

1<br />

2<br />

]<br />

2<br />

v<br />

v<br />

2<br />

1<br />

2<br />

1<br />

<br />

v<br />

2<br />

zusammen mit der Kontinuitätsgleichung wird<br />

also<br />

2<br />

1<br />

2 2 p<br />

2<br />

4<br />

1<br />

v1 <br />

<br />

p<br />

1,62 10<br />

kg m<br />

A<br />

3<br />

2<br />

1 2<br />

[(<br />

) 1]<br />

820 kgm [4 1]<br />

A<br />

v<br />

v<br />

Schließlich<br />

2<br />

2<br />

4<br />

1<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2 2<br />

1min<br />

1,62 10<br />

kg m 254 kgms m 4,13 10<br />

m s<br />

2<br />

4<br />

1<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2 2<br />

1max<br />

1,62 10<br />

kg m 6360 kgms m 1,03 m s<br />

1<br />

1min<br />

0,203 ms<br />

v und<br />

Der Querschnitt ist<br />

Die Volumenströme werden damit<br />

A<br />

v<br />

1<br />

1max<br />

1,01ms<br />

2<br />

2<br />

2<br />

d1<br />

(7,0 10<br />

m)<br />

4<br />

2<br />

1 <br />

38,5 10<br />

m<br />

4<br />

4<br />

2<br />

1<br />

3<br />

3 1<br />

V min 38,5 10<br />

m 0,203 ms 0,782 10<br />

m s <br />

4<br />

2<br />

1<br />

3<br />

3 1<br />

1<br />

V max 38,5 10<br />

m 1,01ms<br />

3,89 10<br />

m s 4 ls<br />

4<br />

0,8 ls<br />

3<br />

1<br />

p<br />

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Grundkurs Physik - 12 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

KURZ<br />

Günther


Lösung zu Aufgabe 8<br />

Eine sinkende Kugel in einem großen Bottich erfüllt die Forderung Abmessungen Kugel<br />

sehr klein gegen Abmessungen Bottich.<br />

Es stellt sich eine konstante Sinkgeschwindigkeit ein, wenn auf die Kugel keine resultierende<br />

Kraft wirkt, denn dann ist die Beschleunigung Null.<br />

Auf die Kugel wirken<br />

die Gewichtskraft<br />

die Auftriebskraft<br />

die STOKESsche<br />

Reibungskraft<br />

F<br />

<br />

R 6<br />

F<br />

F<br />

G<br />

A<br />

<br />

m<br />

m<br />

K<br />

Fl<br />

Flüss<br />

g <br />

g <br />

R<br />

K<br />

v<br />

Stahl<br />

Flüss<br />

V<br />

V<br />

K<br />

g <br />

Flüss<br />

4<br />

3<br />

g <br />

Dabei wird angenommen, dass die Umströmung der Kugel laminar ist. Diese Annahme<br />

ist anschließend über die REYNOLDsche Zahl zu überprüfen.<br />

Die Gleichgewichtsbedingung lautet also<br />

4<br />

3<br />

<br />

3<br />

4 3<br />

RK Stahl<br />

g RK<br />

Flüss<br />

g 6 <br />

3<br />

Daraus ergibt sich die Geschwindigkeit zu<br />

2 R<br />

v <br />

9 <br />

2<br />

K<br />

Flüss<br />

3<br />

2 (5<br />

10<br />

<br />

9 110<br />

g<br />

(<br />

<br />

2<br />

Stahl<br />

2<br />

<br />

Flüss<br />

2<br />

m) 10 ms<br />

2<br />

2<br />

kgms m s<br />

)<br />

(7,87<br />

0,80) 10<br />

3<br />

Flüss<br />

kgm<br />

3<br />

<br />

4<br />

3<br />

R<br />

K<br />

R<br />

<br />

v<br />

3<br />

K<br />

R<br />

<br />

3<br />

K<br />

3,93 10<br />

Für eine gleichförmige (nicht beschleunigte) Bewegung ist der zurückgelegte Weg proportional<br />

zur Zeit, also<br />

s v t 3,93 10<br />

3<br />

ms<br />

1<br />

60 s 23,6 10<br />

2<br />

m 23,6 cm<br />

Die Berechnung erfolgte unter der Annahme einer laminaren Umströmung. Dies kann<br />

nun nachgeprüft werden. Laminare Umströmung liegt vor, wenn die REYNOLDsche Zahl<br />

kleiner ist als die kritische REYNOLDsche Zahl, bei der eine laminare Umströmung in eine<br />

turbulente Strömung umschlägt. Also muss geprüft werden<br />

Flüss<br />

RK<br />

v<br />

Re <br />

Re<br />

<br />

Flüss<br />

3<br />

krit<br />

3<br />

800 kgm 5 10<br />

m 3,93 10<br />

Re <br />

2 2<br />

2<br />

110<br />

kgms m s<br />

3<br />

ms<br />

1<br />

1,5 10<br />

4<br />

10<br />

Damit ist die oben gemachte Annahme einer laminaren Umströmung gerechtfertigt.<br />

3<br />

Stahl<br />

<br />

3<br />

g<br />

Flüss<br />

ms<br />

g<br />

1<br />

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Grundkurs Physik - 13 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />

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Günther


Lösung zu Aufgabe 9<br />

Die kritische REYNOLDsche Zahl gibt den Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung<br />

an. Für ein kreisrundes Rohr mit Durchmesser D<br />

<br />

Re <br />

Öl<br />

v<br />

<br />

K<br />

Öl<br />

D<br />

Re<br />

krit<br />

2320<br />

Die größte Durchflussgeschwindigkeit vmax<br />

vkrit<br />

, die noch laminare Strömung erlaubt,<br />

ist also gegeben durch<br />

v<br />

krit<br />

Re<br />

<br />

<br />

krit<br />

Öl<br />

<br />

D<br />

Öl<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2320 10<br />

kgms m s<br />

<br />

1,29 ms<br />

3<br />

2<br />

900 kgm 2 10<br />

m<br />

Bei laminarer Strömung bildet sich eine Geschwindigkeitsverteilung aus, die durch einen<br />

Paraboloid gegeben ist. Für den Volumenstrom V gilt das HAGEN-POISEUILLE Gesetz<br />

mit<br />

R<br />

L<br />

<br />

p<br />

V<br />

<br />

R<br />

8 L<br />

4<br />

p<br />

Druckdifferenz, die die Flüssigkeit durch das Rohr treibt<br />

Rohrradius<br />

Rohrlänge<br />

Viskosität der strömenden Flüssigkeit<br />

Führt man formal eine mittlere Geschwindigkeit v ein, fordert also für den Volumenstrom<br />

die vereinfachte Beziehung<br />

V<br />

A v<br />

dann erhält man<br />

Es bleibt<br />

p<br />

V<br />

<br />

A v<br />

R<br />

8 L<br />

p<br />

A<br />

8 <br />

mit dem Rohrquerschnitt<br />

<br />

L v<br />

4<br />

2<br />

p<br />

A<br />

<br />

8 L<br />

2<br />

A R<br />

Die Druckdifferenz p multipliziert mit der Querschnittsfläche A ist aber gerade die<br />

Kraft, mit der die Flüssigkeit durch das Rohr gedrückt wird. Sie ist entgegengesetzt<br />

gleich dem Reibungswiderstand des Rohrs.<br />

Also gilt für die Widerstandskraft<br />

F<br />

W<br />

8 L v<br />

Die momentane Leistung ist gegeben durch<br />

P F<br />

W<br />

v<br />

8 10<br />

(8 <br />

2<br />

41,8 Nms<br />

Nm<br />

1<br />

<br />

2<br />

L v<br />

) v<br />

s 10<br />

2<br />

41,8 W<br />

8 L v<br />

m (1,29 ms<br />

1<br />

2<br />

)<br />

1<br />

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Lösung zu Aufgabe 10<br />

Für eine konstante Fahrgeschwindigkeit, also ohne Beschleunigung, muss die resultierende<br />

Kraft auf den Lastwagen Null sein. Es muss also Gleichgewicht herrschen zwischen<br />

der Zugkraft des Motors F <br />

M (nach vorn), der Rollreibungskraft F <br />

R (nach hinten)<br />

und der Strömungswiderstandskraft F <br />

W (nach hinten); also<br />

<br />

F F F<br />

M<br />

R<br />

W<br />

mit der Definition der Leistung<br />

also<br />

6<br />

P F M v<br />

dabei ist P P Motor<br />

10<br />

F<br />

M<br />

6 P<br />

<br />

10 v<br />

Motor<br />

3<br />

6 44 10<br />

W<br />

<br />

3<br />

10 60 10<br />

mh<br />

1<br />

1<br />

6 44 10<br />

Nms<br />

<br />

3<br />

10 60 10<br />

m (3,6<br />

10<br />

3<br />

3<br />

s)<br />

1<br />

1,58 kN<br />

Die Rollreibungskraft F R ergibt sich aus der Normalkraft F N F G m g und dem Rollreibungskoeffizienten<br />

der Räder zu<br />

F<br />

R<br />

Damit ergibt sich<br />

F<br />

W<br />

(<br />

m g)<br />

3 10<br />

F<br />

M<br />

F<br />

R<br />

2<br />

3,6 10<br />

3<br />

kg 10 ms<br />

(1,58 1,08)<br />

kN 0,50 kN<br />

2<br />

1,08 kN<br />

Die Strömungswiderstandskraft F W ist andererseits definiert als<br />

1<br />

FW c<br />

2<br />

W<br />

v<br />

2<br />

A<br />

man erhält durch Gleichsetzen<br />

F<br />

M<br />

und damit<br />

c<br />

W<br />

F<br />

R<br />

1<br />

c<br />

2<br />

W<br />

v<br />

2<br />

A<br />

2( FM<br />

FR<br />

) 2 0,50<br />

10<br />

kgms<br />

<br />

<br />

2<br />

3<br />

v<br />

A<br />

3<br />

(60 10<br />

m)<br />

1,23 kgm <br />

3<br />

(3,6 10<br />

s)<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

4,2 m<br />

2<br />

0,70<br />

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Lösung zu Aufgabe 11<br />

Das STOKESsche Reibungsgesetz für laminare Umströmung einer Kugel in einem viskosen<br />

Medium lautet<br />

F<br />

R<br />

6 R<br />

K<br />

v<br />

6 1,83<br />

10<br />

5<br />

Nm<br />

2<br />

s 10<br />

1<br />

m 10<br />

2<br />

ms<br />

1<br />

3,5 10<br />

Der Druckwiderstand bei turbulenter Strömung ist gegeben durch<br />

W<br />

F<br />

D<br />

c<br />

c<br />

W<br />

W<br />

<br />

<br />

1 2<br />

Luft<br />

v<br />

2<br />

1<br />

1,23 kgm<br />

2<br />

A c<br />

3<br />

W<br />

(10<br />

2<br />

1<br />

v<br />

2<br />

ms<br />

1<br />

c -Werte liegen im Intervall 0,2<br />

c W 1 .<br />

)<br />

2<br />

2<br />

<br />

<br />

R<br />

2<br />

(10<br />

1<br />

m)<br />

2<br />

c<br />

W<br />

3<br />

N<br />

1,9<br />

10<br />

Also ist F D um wenigstens vier Größenordnungen größer als F R . Der STOKESsche Anteil<br />

zum Gesamtwiderstand ist vernachlässigbar.<br />

Direktes Bilden des Verhältnisses der beiden Widerstandskräfte liefert - wegen diverser<br />

Kürzungsmöglichkeiten - dieses Ergebnis noch schneller<br />

F<br />

F<br />

D<br />

R<br />

c<br />

<br />

c<br />

<br />

W<br />

W<br />

1 2<br />

v<br />

2<br />

6 R<br />

<br />

v<br />

K<br />

3<br />

R<br />

2<br />

c<br />

<br />

2<br />

W<br />

1,23 kgm (10<br />

ms<br />

5<br />

12 1,83<br />

10<br />

kgms<br />

v<br />

R<br />

12 <br />

1<br />

2<br />

) (10<br />

2<br />

m s<br />

1<br />

m)<br />

c<br />

W<br />

5,6 10<br />

4<br />

2<br />

N<br />

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