1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

77
1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapite l V

Transcript of 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

Page 1: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

1

Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme

Kapitel V

Page 2: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

2

a) Haftreibung reale, rauhe OberflächeF

NF

Normalkraft

F FH Körper haftet

F FH Körper gleitet

Empirisch: FμF NHH H HaftreibungskoeffizientExp. Test:

HFF

NF

HFF

NF

NF2

HF2F

V.1.1. ReibungV.1. Eigenschaften realer Festkörper

Page 3: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

3

Messung von μH :

αH

m

gm

HF

NF

αH

αH Winkel beim

Losrutschen

NHHNH FμαtanFF !

HH αtanμ

Page 4: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

4

BF

Bremskraft ( Seilspannung )

Beispiel: Haftreibung eines Fixierungsseils

Belasteter Stab, Poller, Abseilkarabiner, ...

n Windungen

Seil

F

Kraft durch Last am Stab

Stabquerschnitt

Infinitesimales Seilstück

F(φ) F(φ)Spannung

φ

Nachbarseilstück:

F(φ dφ) F(φ) dF

Nachbarseilstück:

F(φ dφ) F(φ) dF

φ dφ

Tafelrechnung Hμnπ2

B eFF

Page 5: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

5

b) Gleitreibung

Empirisch: FμF NGG

G Gleitreibungskoeffizient

reale, rauhe Oberflächev

NF

Normalkraft

GF

vμμ GG vμvμ HG

Hinreichend kleine Geschwindigkeiten: Gv const.

Große Geschwindigkeiten: Gv wächst mit v

Page 6: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

6

bzgl. Drehung um Finger 1

Experiment: Stock auf zwei Fingern

Stockm S

Finger 1 Finger 2

a b

F mg M a·F

F1

F2 M2 ( a b )·F2

Gleichgewicht:gmF,gmF ba

b1ba

a2

a b ① rutschtb a ② rutscht

Treffpunkt im Schwerpunkt

Page 7: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

7

c) Rollreibung

Empirisch: FμM NRR

R Rollreibungskoeffizient

Deformation (übertrieben) bremsendes Drehmoment

NF

αR Winkel beim

Losrollen

αR

m

gm

RF

NF

αR

r

i) Haftung:

RRNR

RR

RR

αcosgmμFμαsinrgmM

αsingmF

RR αtanrμ

Beobachtung: R ≪ H

Page 8: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

8

ii) Rollvorgang: vμμ RR Experiment: Vergleich zwischen Gleiten und Rollen:

1rμ

μ

rM

F

F

F

R

G

R

G

R

G

Große technische Bedeutung: Kugellager, Schmiermittel, Autoreifen, Bohren, Drehen, Fräsen,

GF

m

r

Gleiten

m

r

Rollen

RF

Page 9: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

9

V.1.2. Deformationen von FestkörpernWesentliche Einschränkung: betrachte nur isotrope, homogene KörperAllgemeine Theorie: Landau, Liftschitz („Elastizitätstheorie”)

Hookesches Gesetz: εEσ E Elastizitätsmodul , Materialeigenschaft, E 1 N m2

... Druck, ,Temperaturε,EE unabhängig von Geometrie (A und L)

a) Elastizitätsmodul, Hookesches Gesetz

A

Feste Wand

L F

A Querschnitt F

Def.: Zugspannung

Relative Dehnung

AFσ

LLΔε

Kraft pro „Elementarfaser”

Dehnung pro „Elementarfeder”

Page 10: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

10ε

σ

ProportionalitätsbereichProportionalitätsbereich

Nichtlinearer Bereich (fast elastisch)

Nichtlinearer Bereich (fast elastisch)

Nicht-elastischer Bereich (plastische Verformung)

Nicht-elastischer Bereich (plastische Verformung)

ReißenReißen

Hookesches Gesetz: εEσ gültig im elastischen Bereich

.constεE0ε Taylor-

Entwicklung Proportionalbereich

Page 11: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

11

Beispiel: Kerbspannung

F

ΔL / L groß

Kerbspannung

Page 12: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

12

Elastische Hysterese und elastische Nachwirkung:

ε

σ

elastische Nachwirkung dεσFläche dεσFläche

Plastische Verformungsarbeit ( Wärme) pro Volumen

Tafelrechnung

Page 13: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

13

b) Querkontraktion

L

D

L dL

D dD

Def.: Poissonzahl

LLd

DDdμ

0,5μ0μ21εV

Vd

Volumenzunahme:D

Dd2

L

Ld

V

VdDLV 2

ε ε2μ

Zugspannung

Page 14: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

14

c) Kompressionsmodul

dF p dA

dF p dA

dF p dA

dANormalkraft

FlächeDef.: Druck p

Pascal1Pa1mN1p 2

Def.: Kompressibilität

Kompressionsmodul

pd

Vd

V

1 κ

κ

1K

Page 15: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

15

Zusammenhang zwischen E, und K:

μ21E

3

K

1 κ

Beweis:

dFdF

A

μ21AE

Fdμ21

E

σμ21ε

V

dV

μ21E

pd3μ21

AE

Fd3

V

dV dFdF

dF

dFdF

dF pd AFd

μ21E

3

pd

Vd

V

1κ q.e.d.

Page 16: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

16

d) Scherung und Torsionsmodul

Tangentialkräfte ScherungFFläche A

αDef.: Schub- / Scherspannung

AFτ

αGτ

Hookesches Gesetz:

(für hinreichend kleine )

G Schub- / Scher- / Torsionsmodul , G 1 N m2 rad1

EGEμ12

EG 3

121

Beweis: Bergmann Schaefer

Page 17: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

17

L

r

Feste Einspannung

dünnes, langes Drahtseil

φ

d dr

α

Fd

Torsionsschwingung Messung von G(vgl. Tafelrechnung)

Rücktreibendes Drehmoment

DMel

Richtmoment

GL2

rπD

4

mit

FdrMd

Page 18: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

18

Realisierung als Drehpendel:

ωIL ω

z

ωIL ω

z

Bewegungsgleichung der Drehbewegung:

eltdLd Mz eltdLd Mz

Def.:

Tafelrechnung Schwingungperiode T

2r

π2GπLI2T 2r

π2GπLI2T

Draht

Trägheitsmoment I

φ

z

L

Page 19: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

19

Beispiel: Einseitig eigespannter Balken

s

gedehnt

gestaucht

Querschnitt A( unabhängig von s )

x

y

homogen

yN

0

feste Einspannungzz eFF

0 L

b Biegepfeil

e) Biegung Messung von E

Näherung kleiner Biegung: sf,1sf sρ1

Neutrale Faser: f(s)Neutrale

Faser: f(s)z

Page 20: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

20

neutrale Faserneutrale Faser

s s Δs

ρ(s)

Δs

Δs Δℓ

gedehnte Faser

gedehnte Faser

y – yN

ΔsΔ sρ

ΔsΔ

dx·dy

elFd

elastische Gegenkraft

elastische Gegenkraft

zur Tafelrechnung:

Page 21: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

21zz eFF

s

gedehnt

gestaucht

Querschnitt A( unabhängig von s )

x

y

homogen

yN

0

feste Einspannung

0 L

b Biegepfeil

Neutrale Faser: f(s)Neutrale

Faser: f(s)

sδsγsβαsf0sf 324 sδsγsβαsf0sf 324

bF

ssL3sf

3

z

L

IE3z

2IE6

F

bF

ssL3sf

3

z

L

IE3z

2IE6

F

Randbedingungen

Biegekurve:

z

A

2NyydydxI

Flächenträgheitsmoment

Page 22: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

22

V.2. Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen

• Statik Gleichgewichtszustände, zeitunabhängig

• ideale Flüssigkeit ohne Arbeit verformbar bei Volumen const.

• reale Flüssigkeit Oberflächenkräfte und innere Reibung

• Gase Form- und Volumenänderung bei kleinem Energieaufwand

V.2.1. Oberfläche der idealen Flüssigkeit

Ideale Flüssigkeit

dV an Oberfläche

NF

TF

F

Tangentialkraft entlang der Oberfläche

VerschiebungTF

Statik 0F T

Page 23: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

23

Beispiel: Rotationsparaboloid

z

ω

z0

r m

F

mω2r

mg

α

α

rd

zd

g

gm

rωmαtan

22

22

0 rg2

ωzrz

Betrachtung im körperfesten

System

Page 24: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

24

V.2.2. Statischer Druck (ohne Schwerkraft) Äußere Kraft

A

F

A

Fp :Druck

Fd dV

dx

p(x) p(x dx)

dA

VdAdxd

AdxdxpAdxpFd

xp

xp

x

dVpgradFd

dVpgradFd

Druckkraft:

Statik: 0f

.constp .constp

pgradf VdFd

pgradf VdFd

Kraftdichte:

p potentielle Energiedichte

Page 25: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

25

2s

Anwendung: Hydraulische Presse

1F

1A 1s2A

2F

Externe Kraft

Interne Kraft

11AA

2AF

AF FFFp

1

2

2

2

1

1 aber 11AA

2 sss2

1

Page 26: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

26

V.2.3. Kompressibilität

pd

Vd

V

1 κ in Flüssigkeiten i.a. sehr klein:

Nm105 κ 1210OH2

Flüssigkeiten oft annähernd inkompressibel, d. h.

Dichte .constpρ Vdmd

Page 27: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

27

Anwendung: Schweredruck

0

z

H

dA

Fd

ρ

dA HgρdF dA HgρdF 0dVpedVgρ z

ρg

0

zp

yp

xp

p const. bei konstanter Tauchtiefe

zHgρzp Tauchtiefe

Page 28: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

28

Folgerung: Hydrostatisches Paradoxon

Identische Bodendrücke

ρρρ ρ

Anwendung: Kommunizierende Röhren Demo-Exp.

Page 29: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

29

h1

h2

h~ρ1

ρ2

Anwendung: Dichtewaage

AF1 F2

F1 = F2F1 = F2

h~

hgρh~

gρhgρ 22111

h~

h

h~

h

ρ

ρ

1

2

2

1

h~

h

h~

h

ρ

ρ

1

2

2

1

Page 30: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

30

V.2.4. Auftrieb

Archimedisches Prinzip:Die Auftriebskraft ist gleich

dem Gewicht der/des verdrängten Flüssigkeit/Gases

gmK

AFAuftriebskraft

ρ

ρKmK

Schwerkraft oder Trägheitskraft, wenn System beschleunigt bewegt

GF A

dA

Beweis: ( hier für kleinen Quader )( allgemein Gaußscher Integralsatz )

ze

dz

dV dm

p(zdz)

p(z)

zA edAdzzpzpFd

dzzρg

zedVzρg

dm

.d.e.q,GdedmgFd zA

Flüssigkeit oder Gas

Page 31: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

31

Folgerung:

K Fl Körper sinkt zu Boden

K Fl Körper schwimmt (partielles Eintauchen)

K Fl Körper schwebt

Page 32: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

32

Beispiel: Eisberg

T = 0 ºC

Eisberg10 %

lkg1,05ρ

lkg0,95ρ

Salzwasser

Eis

lkg1,05ρ

lkg0,95ρ

Salzwasser

Eis

Page 33: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

33

V.2.5. GasdruckGase sind komprimierbar p

(Empirisches) Gesetz von Boyle-Mariotte

p V const. bei konstanter Temperatur T

x

Druck p Volumen V x

Experiment:

p x1

Page 34: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

34

T.constVp Folgerungen:

• Kompressibilität

p

V

p

Vp

p

.const

dp

dV22

T

p

1

pd

Vd

V

T

• Dichte

pV

1

V

TTT

ppρ bei T const.

• Barometrische Höhenformel ( Tafelrechnung )

zexp0pzp 0p

g0ρ zexp0ρzρ 0p

g0ρ

Page 35: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

35

V.2.6. Luftdruck

ρ

Luftdruck p

Vakuum

pΔh

Messung mit Quecksilbersäule:

Def.: 1 Torr 1 mm Hg-Säule

Umrechnung: 1 Torr 133,3 Pa

Def.: Der Normaldruck von

wird als 1 physikalische Atmosphäre bezeichnet

Pa101325Torr760

Page 36: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

36

V.2.7. Grenzflächen einer (realen) Flüssigkeit

0FR

EE InnenpotOberflächepot

Def.: Sei W die Arbeit, die für die Vergrößerung der Oberfläche um A aufgebracht werden muss. Dann heißt

spezifische Oberflächenenergie der Flüssigkeit.

ΔA

ΔWε mJ1ε 2

Page 37: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

37

σL2

L

s

F

Flüssigkeitshaut

Messung der spezifischen Oberflächenenergie:

dAεdsFdW

dsL2dA

2 Oberflächen

εL2F

Def.: Oberflächenspannung tangentiale Zugkraft pro Länge der Begrenzungslinie der Oberfläche

Page 38: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

38

F

Wasserhaut

hr

Beispiel: Messung der Oberflächenspannung

σrπ22F (Gewicht der Haut vernachlässigt)

Page 39: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

39

Minimalflächen:Bei vorgegebenen Randlinien nimmt die Flüssigkeitshaut die zweidimensionale Form mit minimaler Energie an. Bei vernachlässigtem Gewicht ist dies eine Fläche mit (lokal) minimalem Flächeninhalt, eine Minimalfläche. Unberandete Flüssigkeiten bilden also Kugeltropfen.

http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_I/sammlung/mnf1.htm

http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_I/sammlung/mnf2.htm

Page 40: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

40

Seifenblasen:

r

p p

p

Seifenblase

Aufblähen: rdrr

rdrπ16rπ42ddA 2

rdεrπ16AdεdWOb

rdrπ4pΔdW 2pΔ

dWp dWOb: Blase expandiert

dWp dWOb: Blase schrumpft

dWp dWOb: Blase stationär r

1

r

ε4pΔ

Experiment: Kleine Blase bläst große Blase auf

Page 41: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

41

V.2.8. Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien

Medium i

Medium k

Kohäsionskräfte

Kohäsionskräfte

Adhäsionskräfte

Def.: Grenzflächenspannung

εσ kiki

ik Energieaufwand pro Grenzflächenvergrößerung

Page 42: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

42

Beispiel: Wand, Flüssigkeit, Dampf

1Wand

2 Flüssigkeit

3 Dampf

σ13Achse

σ12Achse

σ23Achseφ

23 23 0 (sonst Verdampfung)12 0 Adhäsion12 Kohäsion2

12 0 Adhäsion12 Kohäsion2

• analog für 13

Page 43: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

43

Beispiel: Wand, Flüssigkeit, Dampf

1Wand

2 Flüssigkeit

3 Dampf

σ13Achse

σ12Achse

σ23Achseφ

Grenzwinkel:

cosσσσ 231213

23

1213

σ

σσcos

Page 44: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

44

23

1213

σ

σσcos

Def.: 13 12 Adhäsionsspannung 23 cos

13 12 0 90º

13 12 0 90º

13 12 23 vollständige Benetzung

Page 45: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

45

V.2.9. Kapillaren

φ

benetzende Flüssigkeit

2r

Kapillareh

φ

dF = σ · dl

Kapillare enges Rohr ( Flüssigkeitsoberfläche hat nur Randbereich)

Kraft nach oben: cosσrπ2

Adhäsionsspannung

Kraft nach unten: hrπgρ 2

Gleichgewicht:

r

1

rgρ

cosσ2h

Page 46: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

46

Kapillare Depression bei nicht-benetzenden Flüssigkeiten:

nicht-benetzende Flüssigkeit

2r

Kapillare

h

r

1

rgρ

cosσ2h

0h90

Page 47: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

47

h

Kapillarwirkung zwischen Platten (breit, parallel, kleiner Abstand)

L

d

hdLgρcosσL2

d

1

dgρ

cosσ2h

Page 48: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

48

Folgerung: Flüssigkeit im Keil

Platten

x0

tanα2xxd

dgρ

cosσ2h

x

1

αtangρ

cosσh

Hyperbel

Page 49: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

49

V.2.10. Innere Reibung in Flüssigkeiten und Gasen

Bewegungslinien der Volumenelemente

Abgleiten dünner Schichten ohne Verwirbelung

Abgleiten dünner Schichten ohne Verwirbelung

Def.: Laminare (schlichte) Strömung

Gegensatz: Turbulente Strömung

Page 50: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

50

dVdAdx

x

vηFdFdFd

2

2

12R

dAx

vηFd

1,2x1,2

rv

dV

1Fd

2Fd

xx1 x2 = x1+dx

dA

Def.: Innere Reibung im Strömungsfeld : rv

Reibungskräfte zwischen den Randschichten

1,2Fd

allgemein rvΔηf

dVrvΔηFd

R

R

Viskosität (Zähigkeit)

msN1η 2

Page 51: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

51

Anwendung: Kapillarviskosimeter

Rp1

p2

L

rv

Gleichgewicht: Reibungskraft = Druckkraft

rR

|p|

L

ppr v

2221

rR

|p|

L

ppr v

2221

Parabel

Durchfluss: rdrπ2rvIR

0tdVd

Hagen-Poiseulle-Gesetz

ηR

η8Rπ 44

pI

Page 52: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

52

ρfl η

Ruhende Flüssigkeitssäule

2rρK

v0

Gleichgewichts-Geschwindigkeit

Anwendung: Kugelfallviskosimeter

Schwerkraft: gρρπrF flK3

34

g

Auftrieb

Reibungskraft (kleine Kugeln):

0R vrηπ6F Stokessches Gesetz:

Kräfte-Gleichgewicht

ηr

flKηr

92

0

22

ρρgv

Page 53: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

53

V.2.11. Strömungen in idealen & realen Flüssigkeiten(gilt auch für Gase)

A) Grundbegriffe

Stromröhre:

Stromlinie(Stromfaden)

t,rv

t,rv

Stomröhre: Gesamtheit der Stromlinien durch einen Querschnitt

Strömungsfeld:

Stationäres Strömungsfeld: (zeitlich konstant) Stromlinien entlang

rv

rv

Page 54: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

54

Stromlinie(Stromfaden)

t,rv

Laminare Strömung: ist wirbelfrei. Stromfäden liegen nebeneinander.

Reibungskräfte ≫ beschleunigende Kräfte.

Turbulente Strömung: ist nicht wirbelfrei.Große Reibung an Berandungen. Kleine innere Reibung.

v

v

Page 55: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

55

B) Kontinuitätsgleichung

Annahme: Flüssigkeitsmasse wird weder erzeugt noch vernichtet

Massenbilanz während dt (nur x-Richtung):

x x dx

dV t,rρ

dA

tz,y,x,vx tz,y,dx,xvx

xxin dAdtvρdm dxxxaus dAdtvρdm

dt dV

dAdxvρx

dmdmdm xausinx

dt dV

dAdxvρx

dmdmdm xausinx

Page 56: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

56

dt dV

dAdxvρx

dmdmdm xausinx

dt dV

dAdxvρx

dmdmdm xausinx

Gesamtmassenbilanz für dV während dt:

dt dVvρdmdmdmdm zyx

Folge:

tdvρt,rρVd

mddVt,rρ tdt,rρtd

t

ρt,rρ

0vρt

ρ

Kontinuitätsgleichung:

vρdivvρ

Page 57: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

57

0vρt

ρ

Kontinuitätsgleichung:

Def: Stromdichte t,rvt,rρj

Massenfluss durch Fläche v

0jt

ρ

Kontinuitätsgleichung:

Folgerung:

Wenn die Masse in dV abnimmt, ... fließt Masse aus dV hinaus

Page 58: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

58

Wasserrohre mit veränderlichem Querschnitt:

A1

A2

Strömung

ideale Flüssigkeit

1v

2v

Inkompressible Flüssigkeit: ρ = const. 0vdiv

Äquivalent: Während dt gilt dVein dVaus

dtvA 11 dtvA 22

A

A

v

v

1

2

2

1 A

A

v

v

1

2

2

1

Anders ausgedrückt: MtdMd

tdVd

tdd IρAρAvρ.const

Die Massenstromstärke IM ist konstant.

Page 59: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

59

C) Die Bernoullische Gleichung

ρv

Lokaler Druck p(hydrodynamischer Druck)

Annahmen:

1. ideale Flüssigkeit η 0 v const. entlang Rohrquerschnitt

2. inkompressible Flüssigkeit ρ const.

3. Keine Schwerkraft ( kein Rohrgefälle )

Page 60: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

60

Energiedichten: dV

dEε

dV

dEε

dxA

dV A·dx

F(x) F(xdx)v

dVdxdx

dp

dxAxpdxxp

dxxFdxxFdVdεp

Potentielle Energiedichte: εp = p( Nullpunkt willkürlich bei p = 0 )

Potentielle Energiedichte: εp = p( Nullpunkt willkürlich bei p = 0 )

221

kin v

dm

dVρdVε Kinetische Energiedichte: Kinetische Energiedichte: 221

kin vρε

const.εε kinp

Bernoulli-Gleichung:

const.pvρp 02

21

Page 61: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

61

Beispiel: Pitot-Rohr

p

p0

h p ρ g h

Statischer Druck

Statischer Druck

Gesamtdruck ( Staudruck )

Gesamtdruck ( Staudruck )

ρvpp 221

0 ρvpp 221

0

Page 62: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

62

v

Erweiterung: Rohre mit Gefälle im Schwerefeld

z

x

g z(x)

const. xzgρρvp 221 const. xzgρρvp 221

Potentielle Energiedichte im Schwerefeld

Potentielle Energiedichte des hydrodynamischen Drucks

Kinetische Energiedichte der Strömung

Page 63: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

63

Anwendung: Druckverteilung in Rohren

ρ

v

hhh Δh

221 vΔρΔhgρΔp

Reibung zusätzliches kontinuierliches Druckgefälle

Page 64: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

64

Anwendung: Zerstäuber

Luft

Unterdruck

Page 65: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

65

Anwendung: Wasserstrahlpumpe

Rohr

VakuumgefäßAnsaugstutzen

p0

Luft

0pp 0pp

Wasser, sehrlangsam bewegt

Wasser, sehrschnell bewegt Außenluftdruck p

Page 66: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

66

Anwendung: Aero-/Hydrodynamisches Paradoxon

d

Luft, v1

v2

222

1 vρΔp

d 0 v2 Unterdruck überwiegt

Schwerkraft

Chladnische Pfeife

Page 67: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

67

Anwendung: Aerodynamischer Auftrieb

Flügel

Zirkulationsströmung

Luftströmung (Fahrtwind)

v1 v2

v2

Auftrieb

Page 68: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

68

Anwendung: Magnus-Effekt

Laminare Strömung Zirkulationsströmung durch Drehung

Auftrieb

v2

v1 v2

Page 69: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

69

Anwendung: Prandtlsches Staurohr

Luftströmung (Fahrtwind)

ρ

v

p

p0

Flüssigkeit

221

0 vρpp

Page 70: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

70

Keine Angst!

D) Die reale viskose Flüssigkeit

Navier-Stokes-Gleichung

vΔηgρpvvρ t

Änderung der Impulsdichte Druck-kraftdichte

Schwerkraft-dichte

Reibungs-kraftdichte

Spezialfall 0 Euler-Gleichung

Interessanter Term: vvvvv 221

Geschwindig-keitsänderung

Wirbelbildung und Dynamik

Wirbelfreie (laminare) Strömung 0v

Page 71: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

71

Woher kommt ? vvρ t

• Betrachte Punktmasse dm im Medium• Bahnkurve von dm:• 2. Newtonsches Axiom

tr

vvdmvvdm

dmtr,tvdmFd

t

3

1jrjt

3

1jt

r

rv

tv

tdd

j

j

j

eKraftdichtfvvρ t

Page 72: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

72

Wirbelbildung: Wände/Kanten mit großer Haftreibung großvΔ

v kleinkeine Reibung

laminar

v großOberflächenreibung

turbulent

S1 S2

QS1 S2

W Δp

S1: v 0 p(S1) = p0

Q: v max p(Q) = min p0

S2: v 0 p(S2) = p0

• Reibung v(W) 0

• Vakuum bei S2 Wirbel

• v groß in Wirbeln p bei S2 p bei S1 „Druckwiderstand“

Beispiel: Umströmter Kreiszylinder

Page 73: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

73

Beispiel: Kantenwirbel

Rohr Kantenwirbel

runde, scharfkantige Öffnung

MembranWirbelring

Page 74: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

74

Wirbelstärke:Wirbelfläche A

Winkelgeschwindigkeit

Definition: Die Größe

Ω·A bzw.

heißt (integrierte) Wirbelstärke

A

AdΩ

Helmholtzscher Wirbelsatz: In einer reibungsfreien Flüssigkeit ist die Wirbelstärke zeitlich konstant. Wirbel können weder entstehen noch vergehen.Anschaulich: Wegen Drehimpulserhaltung. Wirbel verhalten sich wie rotierende starre Körper.

.constρ

Page 75: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

75

De-Mystifizierung der Wirbelstärke:

gρptr,tvρ tdd

Euler-Gleichung:

Euler-Gleichung:

0vρ

tr,t

in t .const|v tr,t

Inkompressibel:

.const|vtr,t tr,t21

Wirbelstärke:

Bildliche Interpretation (s.o.): aus Stokes-Integralsatz

Page 76: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

76

E) Turbulente Strömung und StrömungswiderstandLuftströmung (Fahrtwind)

ρ

v

A

Wirbelstraße

Reibung Wirbel reißen ab Wirbelstraße

Druckwiderstand Reibungswiderstand

Bernoulli-Gleichung 2

2ρ vΔp

AvcF 22ρ

WW ParametrisierungFW Widerstandskraft

cW Widerstandsbeiwert

Page 77: 1 Newtonsche Mechanik kontinuierlicher Systeme Kapitel V.

77

F) Ähnlichkeitsgesetze

Längenskala L , Zeitskala T

dimensionslose Größen:

ppLvvt 2

LT

ρ1

LT

Tt

Navier-Stokes-Gleichung: vRe

1pvv

t

v

LρRe

2

mit Reynoldsche Zahl

Folge: Zwei Strömungen sind ähnlich, d. h. relativ skaliert in Raum und Zeit, wenn Re in beiden Fällen identisch ist und die Dimensions-verhältnisse (Gefäße, Objekte) ebenso relativ skaliert sind.

Anwendung: Modelltests im Windkanal