Kraft die eine Kugel in einer Strömung zentriert

Hallo,

eine Kugel sitzt in einem Kegel und verschließt diesen teilweise. Zwischen Kegel und Kugel strömt ein Medium in Richtung Kegelöffnung. Wie kann ich eine Aussage über die Kraft treffen, die die Kugel im Medienstrom vom Kegel zentriert?

Also so bald die Kugel sich in der Mitte befindet wird sie da wohl auch bleiben, weil sie die Kräfte aufheben werden. Aber wie groß wäre die seitliche Kraft, wenn man die Kugel an eine Wand näher heranzwingen würde? Geht das wie beim Flugzeug über Strömungskräfte oder über den Druck der sich lokal an der Engstelle aufbaut?

Vielen Dank,

Michael Roth

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Michael Roth
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Schwebekörperchendurchflussmesser also. Hmm, geht nicht so einfach. Nimmt der Abstand zwischen Kugel und Wand ab, dann nimmt dort die Strömungsgeschwindigkeit zu. Das führt zu geringerem Druck in dem Spalt und zieht die Kugel noch weiter zur Wand hin. Also entgegengesetzt zu dem gesuchten zentrierendem Effekt. Allerdings stimmt auch die Annahme nicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit zunehmen würde, wenn sich der Spalt verengt. Wegen erhöhter Reibung nimmt der Volumenstrom in diesem Bereich nämlich auch ab.

Ehlich gesagt sehe ich keinen zwingenden Grund, warum sich der Körper überhaupt zentrieren sollte. Zumindest die Berechnung des selbigen ist nicht trivial. Vielicht kommt man weiter, wenn man unterstellt, daß die Flüssigkeitssäule rotiert. Dann kommt man zu Konstellationen, wie sie bei der Konstruktion von hydrodynamischen Gleitlagern gebraucht/vermieden werden. Vieleicht schaust du bei den Experten mal rein.

CU Rollo

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roland Damm

Am 25 Nov 2004 02:43:30 -0800 hat roland Damm geschrieben:

Da habe ich neulich was ähnliches gesehen: Luftballon, der auf einem senkrechten (oder leicht schrägen) Luftstrahl schwebt. Wie funktioniert das? Es war nur ein Gebläse mit Düse und ein größer Luftballon ist in 3m Höhe im Strahl geschwebt.

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Martin Lenz

Roland Damm" schrieb:

[...]

Hallo Rollo,

um es etwas genauer zu beschreiben: Die Kugel ist von hinten federbelastet, jedoch wird sie nicht exakt geführt. Also so ähnlich wie ein (Über-) Druckregelventil. Beim Schließen wird sich die Kugel auf jeden Fall im Trichter (Kegel) zentrieren. Die Frage ist, ob irgendwann die Kugel bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit förmlich "an die Wand gezogen wird" oder im einfachsten Fall immer schön in der Mitte bleibt.

Wenn ich mir unter

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Sachen zur Kármánsche Wirbelstraße durchlese, dann wird die Kugel bei einer oder mehreren charakteristischen Geschwindigkeiten anfangen zu tanzen. Und einmal aus der Mitte gebracht, wäre interessant was als nächstes passiert. Da fehlt mir momentan noch eine zündende Idee.

[...]
[...]

Das durch den Spalt weniger Volumen fließen wird als an der gegenüberliegenden Seite ist klar. Aber deswegen kann doch trotzdem die Strömungsgeschwindigkeit am Spalt größer sein, oder täusche ich mich?

Schöne Grüße

Michael Roth

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Michael Roth

Mir kommt gerade noch eine Idee / Frage.

Variante I: Kugel ist in der Mitte - wir haben einen ringförmigen Spalt mit einer bestimmten Fläche A.

Variante II: Die Kugel klebt an der Wand hat aber denselben senkrechten Abstand zur Trichteröffnung wie unter I. Der Strömungsquerschnitt hat dieselbe Fläche wie der ringförmige Spalt unter I. Aber einen größeren (?) Strömungswiderstand.

- > Druck vor der Kugel steigt an. (Wir nehmen einen konstanten Volumenstrom als Quelle an.)

- > Kugel öffnet weiter..

Danach: a) kehrt die Kugel entweder zu Variante II zurück und fängt mit dem Spielchen von vorne an. b) Oder die Kugel findet zu Variante I zurück und verharrt dort.

Hmm, nicht wirklich weiter.. Eher ein philosophische Lösung, wenn ich jetzt der Kugel unterstelle, dass sie den energiegünstigsten Punkt (Mitte) aufsucht.

Wieso soll die Kugel überhaupt zu Variante II finden? Nun Fertigungstoleranzen und ungenauer "Ventilsitz" oder durch Strömungskräfte.

Michael Roth

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Michael Roth

Einen kleineren. Strömungswiderstand in einem Kanal ist abhängig von dem Durchmesser des Kanals (mal eine Rohrströmung angenommen) hoch 4. Also würdest du den Widerstand zweier paralleler Rohre gleichen Durchmessers messen und dann vergleichen mit zwei Rohren unterschiedlichen Durchmessers aber gleicher Gesamtfläche, dann hätten die zwei unterschiedliche großen Rohre den geringeren Widerstand.

Schließt weiter.

Tcha, das ist einer Unterstellung, die man der Natur gerne macht. Man nimmt intuitiv immer an, daß jedes System von sich aus zu einem Widerstandarmen oder Energiearmen Zustand zustreben würde. Tuts aber nicht immer. Auch Regentropfen sind nicht aerodynamisch günstig Tropfenförmig geformt. Und daß zwei aufeinander reibende Flächen durch Verschleiß ihre Reibung minimieren ist auch eher eine Hoffnung als eine Tatsache in der Technik:-).

Na ja, wenn es Gründe gibt, weshalb die Kugel sich am Rande wohler fühlt, dann tut sie sich dort niederlassen. Du kannst generell nie davon ausgehen, daß ein System in einem instabilen Zustand verbleibt. Genauso wie es praktisch nicht gelingt, einen Bleistift auf die Spitze zu stellen.

CU Rollo

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roland Damm

Ähnliche Sache, Stichwort ist die Bernoulligleichung. Wenn du eine Strömung durch eine Düse schickst, dann muß die Strömungsgeschwindigkeit in der engen Düse ja größer sein als davor und dahinter. Sonst würde die Menge an Medium ja nicht durchgehen. Als muß das Medium beschleunigt und hinter dem ENgpaß wieder gebremst werden. Wie beschleunigt/bremst man aber Medien, die man nicht anfassen kann, weil sie flüssig oder gasförmig sind? Man übt einen Druck aus. Ergebnis muß sein (auch wenn zunächst unerwartet und unlogisch klingend), daß in dem Engpaß ein geringerer Druck herschen muß. (Man würde ja erwarten, daß sich dort die Stömung staut und der Druck steigt, es ist aber witzigerweise umgekehrt) Wenn also an dieser Stelle weniger Druck ist, dann wird die Düse zusammengesogen. Beispiel: Blatt Papier auf den Tisch legen und darunter pusten. Das Blatt hebt zwar ab, aber es fliegt nicht hoch. Durch die Strömung in dem Kanal unter dem Blatt verringert sich dort der Druck und das Blatt wird auf den Tisch gesaugt. Querverweis auf den OP der Frage: Das Blatt fängt u.U. auch an zu flattern:-).

Jetzt der Ball auf dem Luftstrahl: An einer stelle strömt die Luft schnell nach oben. Ist der Ball nicht genau mittig über dem Strahl, dann strömt die Luft folglich an einer Seite des Balls schneller vorbei als an der anderen. Die Tatsache, daß es keine andere Begrenzung/Wand gibt, spielt dabei keine Rolle. Der Luftstahl wird verdrängt, eingeengt, also fällt der Druck. Durch diesen Unterdruck wird der Ball richtung Luftstrahl gezogen. Nur wenn der Ball in der Mitte ist, erfährt er keine horizontalen Kräfte.

Allerdings wenn er in der Mtte ist, erfährt er auch kaum Kräfte, die ihn dort halten. Er muß also schon ein wenig aus der Mittellage heraus kommen um wieder zurück gedrückt zu werden. Deshalb ruht er nicht ruhig in der Mitte sondern schwankt.

CU Rollo

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roland Damm

Druck- oder Zugfeder und was heißt eigentlich von hinten? So ganz vermag ich nicht zu erkennen wo bei dir vorne sein soll.

Hans

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Hans Klein

Vor dem Hintergrund folgender Passage aus dem OP sollte das eigentlich zweifelsfrei klar werden:

| eine Kugel sitzt in einem Kegel und verschließt diesen teilweise. | Zwischen Kegel und Kugel strömt ein Medium in Richtung Kegelöffnung.

Gruß,

Michael

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Michael Hemmer

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