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 />
KURZ<br />
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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Grundkurs Physik - 4 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
KURZ<br />
Günther
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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Grundkurs Physik - 5 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
KURZ<br />
Günther
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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Grundkurs Physik - 6 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
KURZ<br />
Günther
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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Grundkurs Physik - 7 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
KURZ<br />
Günther
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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Grundkurs Physik - 8 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
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Günther
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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Grundkurs Physik - 9 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
KURZ<br />
Günther
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 />
KURZ<br />
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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Grundkurs Physik - 14 - Aufgaben und Lösungen – Strömungslehre<br />
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Günther
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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Günther
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 />
© 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 />
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