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Beobachtungen:

Kreisel


Lassen sich Felder abschirmen? Elektrische Felder und magnetische Felder.


1.2 Erhaltungssätze

a) Energieerhaltung

b) Impulserhaltung      bei geradlinige Bewegung  oder Rotationsbewegung


(fett hervorgehoben sind Vektoren)
Impuls p, Masse  m, Geschwindigkeit v      p = m v

Drehimpuls L,      
 Radius r Impuls p           L = r x p

Drehmoment M,   Radius r,  Kraft F             M = r x F




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Abb. 00-01:
aus ring-stroemung.htm
Abb. 00d: miteinander gekoppelt:
Ringströmung (gelb) in einer Scheibe und lineare Strömung (schwarz)

In der klassischen Physik ist der schwarze Pfeil der Vektor des Drehimpulses. Er ist eine mathematische Hilfsgröße.

In der feinstofflichen Welt beschreibt er eine tatsächlich existierende Strömung.

Die Länge der zur linearen Strömung gehörenden spürbaren Struktur ist ein Maß für die Stärke der Ringströmung in der Scheibe.

Sie entspricht in der klassischen Physik der Größe des Drehimpulses.

Die Messung dieser Länge ermöglicht die berührungslose Beobachtung der Ringströmung in der Scheibe.


In der klassische Physik ist diese Kopplung bekannt unter
 Rechte-Faust-Regel Rechter-Daumen-Regel oder Korkenzieher-Regel
und gilt z.B. für den Drehimpuls
https://de.wikipedia.org/wiki/Korkenzieherregel  (FB)









1. Drehimpuls als Energiespeicher, Beschleunigen und Abbremsen durch tangentiale Kräfte



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Abb. 01-01:

aus  gekoppelte-stroemungen.htm
Abb. 00-00-01: Einen Brummkreisel kann man mit einer Schraube wendelförmig Rillen aufziehen. Er dreht sich dann von alleine, bis die Energie aufgebraucht ist. Über die unteren Löcher saugt er Luft an und bläst sie aus den Löchern am Umfang wieder heraus. Dabei erzeugt diese Luftströmung einen aktustischen Ton. (FB)

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Abb. 01-02:
aus gekoppelte-stroemungen.htm
Abb. 00-00-02a: Der Kreisel läßt sich auch mit Preßluft antreiben (FB)

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Abb. 01-03:
aus gekoppelte-stroemungen.htm
Abb. 00-00-03: Beim Antrieb mit Druckluft gilt: 
  • je stärker die Luft aus dem Rohr strömt 
  • je länger die Luft strömt,
um so schneller dreht sich der Kreisel.  Sofern man die Reibung vernachlässigen kann.
Physikalisch gesehen nimmt dabei der Drehimpuls zu. Man beschreibt ihn mit einem Vektor (blau).

Bei dieser Drehrichtung zeigt er nach oben (Korkenzieher-Regel).
Die Länge des Vektors entspricht dessen Betrag. (FB)
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Abb. 01-04:
aus  gekoppelte-stroemungen.htm#kapitel-01-02

Abb. 01-02-02: Dieser Kreisel läßt sich mit Druckluft in Bewegung versetzen.
Sein Drehimpuls  (oder die Geschwindigkeit) hängt davon ab,
  • wie lange und
  • wie stark
der Kreisel angetrieben wird.  
Somit läßt sich z.B. ein halbes Drehmoment mit doppelter Zeit für den Antrieb kompensieren.

Der Kreisel wirkt wie ein Schwungrad und ist somit ein Energiespeicher. 
Ohne Reibung bzw. Luftwiderstand würde er nach der Anregung ewig mit gleicher Geschwindigkeit laufen.
Jedoch bei Reibung, die mit der Geschwindigkeit zunimmt, stellt sich bei gleichbleibendem Drehmoment eine maximale Geschwindigkeit ein.

Der Kreisel läßt sich aufladen und auch wieder entladen.    z.B. mit einem Motor/Generator
aus bbewegte-materie.htm
Abb. 06-01b-22: Tangentiale Anströmung erzeugt Rotation:
Mechanischer Kreisel zur Steuerung eines Torpedos.
Über den roten Schlauch und das gebogene Kupferrohr (links unten) kann man Preßluft tangential auf den Kreiselkörper geben. Er gerät dadurch in schnelle Rotation. (FB





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Abb. 01-05:
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Abb. 01-06:
imk_2340_g.jpg
Abb. 01-07:
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Abb. 01-08:
drehbewegung-beschl-zug-76g-scheibe04-002-a-001_g.jpg
Abb. 01-09:




2. weitere Kräfte bei Kreiseln, Drehmomente


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Abb. 02-01:
aus phantom.htm
Präzession eines Kreisels
Aus der Experimentalphysik-Vorlesung. Die Achse dieses Kreisels ruht auf einer Spitze. Dadurch kann sich der Kreisel auch um eine geneigte Achse drehen. Das Schachbrettmuster oben erlaubt es, die Orientierung der Rotationsachse mit einer Kamera zu beobachten. Dort wo am wenigsten Bewegung ist, werden die Karos besser zu beobachten sein.
Versetzt man dem Kreisel während der Rotation einen kleinen seitlichen Stoß, dann präzidiert er, d.h. die Kreiselachse wandert auf einem Kegel um ihre ursprüngliche Lage herum. (FB)
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Abb. 02-02:
aus phantom.htm
Abb. 00-08:
Kreisel mit Schnur zum Anwerfen. Der Rahmen ruht auf einer vertikalen Nadel.
Wenn der Kreisel nicht rotiert, kann er von der Halterung herunterfallen. Rotiert er, bleibt er auf der Halterung, dabei rotiert das Gehäuse (präzidiert) um die vertikale Achse. (FB)

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Abb. 02-03:





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Abb. 02-04:
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Abb. 02-05:
aus wasser-ader-drei.htm#kapitel-05-10

Abb. 05-10-04: Es stellt sich stabile Rotation ein, wenn der Körper um die Achse des größten Trägheitsmomentes rotiert.
rechts:
Am Holzklotz gibt es mehrere Aufhängeschlaufen. Versetzt man den Klotz in Rotation - dabei hängt er lose an einem biegsamen dünnen Draht - gibt es nur dann eine stabile Rotation, wenn er an dem Haken der größten Fläche hängt. Bei den Haken der beiden kleineren Flächen, dreht sich der Klotz aus dieser Lage heraus, wenn die Rotation schnell genug ist. Anschließend rotiert er um die Mitte der großen Fläche. Das ist die Achse mit dem größten Trägheitsmoment.

links:
Der Metallring hängt lose an einer Drahtschlaufe. Auch er stellt sich bei Rotation so, daß die Ringfläche horizontal bleibt. (FB)

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Abb. 02-06:
aus wasser-ader-drei.htm#kapitel-05-10
Abb. 05-10-05: Ein Kupferring hängt nach unten, lose in einer Schlaufe an einem Eisendraht, der in einen Akkuschrauber eingespannt ist. (FB)
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Abb. 02-07:
aus wasser-ader-drei.htm#kapitel-05-10
Abb. 05-10-07: Versetzt man den Draht in Rotation, richtet sich der Ring auf und rotiert in einer horizontalen Ebene -- um die vertikale Achse des Akkuschraubers. In dieser Stellung rotiert er um die Achse des größten Trägheitsmomentes. (FB)




 3. Rotation von Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen


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Abb. 03-01: tangential einströmendes Wasser
aus bbewegte-materie.htm#kapitel-03-02
Abb. 03-02-04a: Diese Schüssel aus Kunststoff hat unten in der Mitte eine kleine Öffnung. Über den grünen Plastikschlauch fließt Wasser in die Schüssel, durch die Bohrung unten kann es wieder hinaus.
Da das einlaufende Wasser tangential hineinströmt, entsteht ein Wirbel mit einer trichterförmigen Öffnung. (FB)
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Abb. 03-02:
aus steinkreise-02.htm#kapitel02
Abb. 02-13: Wirbel in einem Wassergefäß. (FB)
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Abb. 03-03:
aus  steinkreise-02.htm#kapitel02
Abb. 02-14: Das Wasser fließt bei diesem Brunnen in der Nähe vom Elisenbrunnen in Aachen  am Außenrand tangential zu. In der Mitte fließt es ab. Es entsteht ein Wirbel. (FB)
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Abb. 03-04:
aus  gekoppelte-stroemungen.htm#kapitel-01-01
Abb. 01-01-06: Wirbel in Luft bei einem rotierenden brennenden Gegenstand.
aus physik-neu-004.htm
Abb. 04-02-06: Feuertornado.
Auf einem Drehteller verbrennt Grillpaste. Es entsteht durch die Kaminwirkung in dem Lochblech ein langer Feuerschlauch, der schraubenförmig ausbildet ist. (FB)
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Abb. 03-05: die Rotationsachse ist gekrümmt
aus  bbewegte-materie.htm#kapitel-03-02
Abb. 03-02-03: Der Tornado als dünner Schlauch (FB)
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Abb. 03-06:
aus  gekoppelte-stroemungen.htm#kapitel-03-01-01
Abb. 03-01-01-01: Drehimpuls, Reichweite, Strömungslinien
Abb. 04-01-05: grobstoffliche und feinstoffliche Strukturen bei einem Ventilator.
aus stroemung-zwei.htm#kapitel-01-02
Abb. 01-02-01e:
Grobstofflich: Die dünnen Linien geben schematisch die Richtung der Strömung in den jeweiligen Bereichen an. Beim Luftstrom gibt es natürlich auch dazwischen eine Strömung.
Feinstofflich: Wie bei einer Zwiebel gibt es schalenförmig angeordnete Schichten. Entlang der Schalen gibt es Strömungen, die mit Zwischenräumen aufeinander folgen. Möglicherweise haben sie abwechselnd unterschiedliche Eigenschaften. Durchquert man von der Seite aus den Ventilatorstrahl, dann findet man abwechselnd intensive und schwache Zonen. Dabei ist es möglich, auch eine Zone (rot)  - wie auf den schwarzen Linien - bis zur Seite und wieder zurück zur Äquatorebene des Ventilators zu verfolgen. Im Ansaugbereich gibt es ähnliche schalenförmige Strukturen (blau).
Im Bereich der Äquatorebene (zwischen rot und blau) gibt es feinstoffliche Strukturen vom Lüfterrad mit den rotierenden Permanentmagneten. Sie trennen die rote von der blauen Hälfte.
aus aktive-elemente.htm#kapitel-05-02
Abb. 05-02-01:  Strömung bei einem kurzgeschlossenen Ventilator, angesaugt wird unten, ausgeblasen nach oben.  Der Strom nach oben ist zunächst parallel, bevor er sich zur Seite zerteilt. Unten wird hauptsächlich von der Seite eingeströmt.
Farbbild aus  https://de.wikipedia.org/wiki/Ventilator#/media/Datei:Ducted_fan_principle.png,
Linien ergänzt



4. Wirbelringe


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Abb. 04-01: im Wasser
aus bbewegte-materie.htm#kapitel-03-01
Abb. 03-01-12: In einem Rohr fließt Wasser sehr langsam von links nach rechts.
EinTintenstrahl wird aus einer Düse mit etwas höherer Geschwindigkeit eingespritzt. Es bildet sich ein Wirbelring. (FB)



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Abb. 04-02: Rauchring in der Luft
aus bbewegte-materie.htm#kapitel-03-01
Abb. 03-01-15: Über die hintere Öffnung der Trommel ist eine elastische Membrane gepannt, in den Boden ein kreisrundes Loch geschnitten. Spannt man die Membrane und läßt sich wieder frei, entsteht ein gut gerichtete Luftstrom durch das Loch hindurch. Die dabei entstehenden Wirbel der austretenden Luft lassen sich gut mit Rauch sichtbar machen: Hier als Rauchring.
Demonstration während der Weihnachtsvorlesung 2013 (MK)
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Abb. 04-03:  in der Luft
aus stroemung.htm#kapitel-04
Abb. 04-10: Links kommt aus einem Rauchröhrchen ein Luftstrom, der in regelmäßigen Zeitabständen gepulst wird. Bei jedem Puls entstehen Wirbel. (FB)




Literatur:  b-literatur.htm

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