Abschlussbericht: Wirbelrohr Sand/ Luft · 5.1 Vorliegende Versuchsbeschreibungen und Kommentare 14 5.2 Messtechnische Beschreibungen (Hard- und Software) 14 ... Dann wurde Druckluft

Institut für Gravitationsforschung

Institut für Gravitationsforschung Tel.: 06095 / 999-196 Sitz der Verwaltung: SV: Dr. Michael Göde Sparkasse AschaffenburgGÖDE Wissenschaftsstiftung Fax: 06095 / 999-197 Am Heerbach 5 SR: Dipl.-Met. Wolfram Bahmann (BLZ 795 500 00) Eintr.-Nr.: 241-1222.00-17/98 [email protected] D-63857 Waldaschaff Dipl.-Ing. Egon Küster Kto.-Nr. 49 759 http://www.gravitation.org Dr. Michael Reich

2001-03-23

Abschlussbericht: Wirbelrohr Sand/ Luft

Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung 2 1.1 Beschreibung 2 1.2 Zielstellung 3 2. Versuchsbeschreibung 3 2.1 Grundaufbau des Wirbelrohrs 3 2.2 Messtechnik / Sensorik 6 2.3 Art der Zusatzmittel im Luftstrahl 7 2.4 Art der Probekörper 8 2.5 Umgebungsvariable 8 3. Versuchsdurchführung 9 3.1 Messungen zur Gewichtskraft 9 3.2 Messungen zur Elektrostatik 11 4. Ergebnisse 12 5. Quellennachweis 14 5.1 Vorliegende Versuchsbeschreibungen und Kommentare 14 5.2 Messtechnische Beschreibungen (Hard- und Software) 14 5.3 Verwendete Literatur und Software 14



1. Aufgabenstellung 1.1 Beschreibung Es sollen die Einflüsse eines künstlich erzeugten Sand-Luft-Wirbels, auf eine im Zent-rum des Wirbels befindliche Probemasse, untersucht werden. Dieses Experiment geht auf eine Versuchsbeschreibung zurück, die im folgenden kurz wiedergegeben sei: (Zitat Anfang) Tornado Modell [1] Nach dem Vortrag über Schauberger und Naturtechnik in Atlanta/USA (s. MuT 1983 H.3 u. 4) kam ein Zuhörer (Georg M. Redfern aus Seattle WA 98103) zum Vortragenden und drückte ihm eine Zeichnung mit kurzen Notizen in die Hand. Wir bringen hier die Origi-nalskizze und die übersetzten Notizen als Anregung für Experimente (Hth). „Einer meiner Kollegen konstruierte ein Gerät, das dem Schauberger-Prinzip sehr ähn-lich ist. Es wurde in einem Hangar der Boeing Aircraft Company gebaut. Die Anordnung bestand aus zwei konzentrischen Plexiglasrohren. Dann wurde Druckluft aus einem Kompressor in den Raum zwischen den vertikalen Zylindern eingeblasen. So dass sie im Gegenuhrzeigersinn rotierte. Weiter wurde feiner Sand, wie er normalerweise zum Sandstrahlen benutzt wird, dem Luftstrom zugefügt. (Skizze) Anmerkung: Skizze liegt uns nicht vor Eine Stahlkugel wurde am Boden des inneren Zylinders platziert, sein oberer Teil war verschlossen. Die Kugel schoss durch den Deckel des Innenrohres und sprengte (bla-sted) ein Loch in das Dach des Gebäudes. Sie/es (?) wurde dann zerlegt (It was then disassembled)“ /Ohne Rückfrage ist nicht zu klären, ob sich „it“ auf die Kugel (Zerschmetterung) oder das Dach (Zerlegung) bezieht. (d. Übers.)/ Er kam auf die Idee durch einen offiziellen Bericht (government report) über ungewöhn-liche Effekte eines Tornados.“ M.u.T. 1984/2 (Zitat Ende) Die hier zitierte Versuchsbeschreibung ist verhältnismäßig unpräzise. Dimensions-angaben zu Zylindern und Probemasse fehlen gänzlich, ebenso Angaben zu Druck und Durchsatz des Sand-Luft-Stromes.



1.2 Zielstellung 1. Der unter 1.1 beschriebene Versuch soll von uns möglichst identisch nachgebaut, der angeblich aufgetretene Effekt reproduziert und gegebenenfalls untersucht werden. 2. Uns interessieren die verschiedenen veränderlichen Parameter, wie z.B. die elektro-statische Aufladung der Anordnung, Umgebungsvariable wie rel. Luftfeuchte, Tempera-turabhängigkeit etc. und natürlich die an den Probekörpern wirkende Kraft. 3. Durch verschiedene Randbedingungen soll der Effekt beeinflusst werden. Das sind insbesondere Versuche mit verschiedenen Zylindern, Probekörpern und verschieden-artigen Zusätzen im Luftstrom.

2. Versuchsbeschreibung 2.1 Grundaufbau des Wirbelrohres Da in der Originalbeschreibung leider keine Maße angegeben sind, wurden die Maße von uns unter Berücksichtigung der verfügbaren Herstellermaße gewählt. Wir entschie-den uns für folgende Anordnungen: Große Anordnung: Auf einer Grundplatte von 500 x 500 x 8 mm aus Acrylglas sind zwei Zylinder, ebenfalls aus Acrylglas, aufgeklebt. Der äußere Zylinder hat einen Außendurchmesser von 457 mm mit 6 mm Wandstärke und ist 1000 mm hoch. Der innere Zylinder hat einen Außen-durchmesser von 200 mm mit 4 mm Wandstärke und ist 1200 mm hoch. Mittlere Anordnung: Äußerer Zylinder: Außendurchmesser: 200 mm, Wandstärke: 4 mm, Höhe: 800 mm,

Acrylglas Innerer Zylinder: Außendurchmesser: 110 mm, Wandstärke: 3 mm, Höhe: 1050 mm, PVC Kleine Anordnung : Äußerer Zylinder: Außendurchmesser: 110 mm, Höhe: 500 mm, Wandstärke: 3 mm,

PVC Innerer Zylinder: Außendurchmesser: 50 mm, Höhe: 600mm, PVC



Bei allen 3 Anordnungen hat die Grundplatte in der Mitte eine Öffnung, so dass der In-nenzylinder von unten zugänglich ist. Nach oben ist er mit einem Deckel versehen, der mit Heißkleber aufgeklebt ist. Dies gewährleistet einen hermetischen Abschluss nach oben und stellt gleichzeitig eine Sollbruchstelle dar. Der äußere Zylinder ist im unteren Teil mit einer Bohrung versehen, durch die die Sand-strahldüse eingeführt wird. Die Düse wird von außen mit einem Stativ gehalten und ge-gen den Zylinder abgedichtet, so dass dort weder Sand noch Luft austreten können. Der Strahl sollte etwa tangential in die Zylinder eingeblasen werden. Der optimale Winkel muss experimentell ermittelt werden. Es ist möglich den Sand sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn einzustrahlen.

Bild1: Schema des Aufbaus

Da in allen Fällen der äußere Zylinder nach oben hin offen ist, muss der Luftstromzusatz (Sand, etc.) wieder aufgefangen werden. Dies wird durch eine Überdachung realisiert, die aus einem mit Dachplane überzogenem Holzgestell besteht (siehe Bild 2). Der Sand sollte nach jedem Versuch aus der Anordnung ausgesaugt werden.



Bild 2: Messung mit mittlerer Anordnung



2.2 Messtechnik / Sensorik 1. Parameter: Gewicht Um eine eventuelle Gewichtsreduzierung des Probekörpers feststellen zu können, be-findet sich dieser samt Haltepodest auf einer Seite einer aus Kiefernholz angefertigten Balkenwaage. Dieser Teil ragt unter dem Versuchsaufbau in die Öffnung des inneren Zylinders. Die Auflagefläche für die Probe ist dabei in etwa 15 bis 20 cm über dem unte-ren Rand der Grundplatte. Am anderen Ende des Balkens (10 x 10 x 2000 mm³) ist ein Referenzgewicht befestigt, welches wiederum auf einer elektronischen Präzisionswaage (Genauigkeit 0,1 mg) aufliegt. Die Balkenwaage ist mittig an einem Kugellager befestigt und hat eine Auslenkungsfreiheit von einigen Gramm in beide Richtungen Gramm (je nach Probe- und Referenzkörper).

Bild 3: Gewichtsmessung 2. Parameter: Elektrostatik

Zum Erfassen der Größenordnung von elektrischen Feldern steht uns leihweise ein Feldstärkenmessgerät für Elektrostatik mit der Bezeichnung Statometer III der Firma Haug GmbH & Co. KG zur Verfügung, welches nach dem Feldmühlenprinzip arbeitet. Dieses wird zur Messung anstelle der Balkenwaage im inneren Zylinder montiert, die Messwerte während des Einstrahlens mittels zugehörigem Programm und Laptop er-fasst.



2.3 Art der Zusatzmittel im Luftstrahl Es wurde mit folgenden Zusätzen im Luftstrahl experimentiert: 1. Nur Luft ohne Zusätze 2. Quarzsand 3. Sandstrahlgranulat (ohne nähere Angaben) 4. Maisgries Anmerkung: Der Acrylglaszylinder wurde durch die Strahlzusätze zwar leicht mattiert, aber ansonsten nicht in Mitleidenschaft gezogen (siehe Bild 4).

Bild 4: Mattierung der Innenseite des Außenzylinders



2.4 Art der Probekörper Es wurde mit festen Probekörpern in Form von Kugeln mit verschiedenen Durch-messern (ca. 5 bis 30 mm) experimentiert. Im Originalversuch diente wie beschrieben eine Stahlkugel als Probekörper.

1. Probekörper war die Balkenwaage selbst, die in den inneren Zylinder hineinragte (Material: Holz, Aluminium) 2. Stahlkugel (Durchmesser: 10 mm (4 g), 20 mm (32 g), 30 mm (110 g))

3. Teflonkugel (PTFE) (Durchmesser: 10 mm (1,1 g))

2.5 Umgebungsvariable Es wurde der Einfluss der Umgebungsvariablen Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Tempe-ratur berücksichtigt. Die Messungen zu Gewichtskraft und Elektrostatik wurden an Ta-gen unterschiedlichen Wetters und unterschiedlicher Temperaturen durchgeführt. Es wurde die Kabine mit der Anordnung durch Verwendung eines Gasbrenners unter-schiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt. Ein Zusammenhang zwi-schen den veränderten Bedingungen und dem gemessenen Effekt wurde allerdings nicht deutlich und aus diesem Grund auch nicht eingehender untersucht. Temperaturbereich: 8 – 20°C Luftdruckbereich: 978 – 1010 hPa Luftfeuchtigkeit: 55 – 90 % rel.



3. Versuchsdurchführung und Resultate 3.1 Messungen zur Gewichtskraft Gewichtskraft FG = m • a Die ersten Messungen hinsichtlich der Beeinflussung der Gewichtskraft des Probe-körpers durch die Umgebung des Sand-Luft-Wirbels erfolgten ohne messtechnische Datenerfassung. Es wurde lediglich die Anzeige der elektronischen Waage abgelesen. Anzumerken ist auch, dass die gesamte Wägekonstruktion anfangs nicht hermetisch abgeschlossen war (siehe Bild 2), so dass eine Beeinflussung durch Luftströmungen, oben austretender Sand u.s.w. nicht ausgeschlossen werden konnte. Zu diesem Zweck wurde der Aufbau dahingehend verbessert, dass die gesamte Balkenwaage unter einer Pappe untergebracht wurde (siehe Bild 5). Öffnungen an den Übergängen zwischen der Pappe und dem übrigen Aufbau wurden abgeklebt.

Bild 5: Wägeeinrichtung Die ersten Experimente mit der Stahlkugel als Probemasse und der mittleren Anordnung zeigten nach Einschalten des Kompressors den deutlichen Effekt einer Gewichtskraft-reduktion in der Größenordnung von bis zu 4 N. Es stellte sich schon nach wenigen Versuchen heraus, dass die Größe der Reduktion mit Masse und Material der Probe nicht in Beziehung steht. Zudem tritt der Effekt auch mit leerer Balkenwaage auf. Die Eigenschaften der Balkenwaage wie Masse, Volumen und Oberfläche sind allerdings relativ groß im Vergleich zu denen der unterschiedlichen Probekörper. Besonders inte-ressant war auch die Funktion des Gewichtes in Abhängigkeit der Zeit. Die Reduktion trat sofort nach Anschalten des Kompressors auf, erreichte dann ihr Maximum und klang mit zunehmendem Bodensatz wieder ab (siehe Bild 6).



Gewichtsreduktion bei Sand (ohne Probekörper)

-0,3

-0,25

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Zeit t [s]

An

zeig

e W

aage

[g]

17.01.01 Messung 5

Stopp des Einblasens

Start des Einblasens

Bild 6: Gewichtsreduktion in Abhängigkeit der Zeit Andere Faktoren gingen stärker ein, z.B. ob der Sand im Zylinderzwischenraum vor Be-ginn der Messung ausgesaugt wurde, in welcher vertikalen und besonders horizontalen Position sich der Probekörper im inneren Zylinder befand und ob das Ansaugen des Sandes während den Messungen konstant blieb. Die Richtung, ebenso die Ausbildung eines Wirbels spielten übrigens hinsichtlich der Größe des Effektes ebenfalls keine Rol-le. Es handelt sich dabei im eigentlichen Sinne auch nicht um einen „echten“ Wirbel, da die Stromlinien nicht geschlossen sind. Vielmehr ist es einfach ein durch die Geometrie erzwungener, zirkular verlaufender Luftstrom, in dem Sandkörner mitgerissen werden. Um zu überprüfen, ob der beobachtete Effekt vom Strahlmedium abhängig ist, wurden verschiedene Zusätze in den Zwischenraum der beiden Zylinder eingeblasen. Bei Verwendung des groben Sandstrahlgranulates zeigte sich ein ähnlicher Effekt wie bei Quarzsand. Mit Maisgries waren die Messergebnisse von Messung zu Messung sehr variabel, selten reproduzierbar, teilweise war auch eine Gewichtszunahme zu beo-bachten. Bei Einblasen von Luft ohne jegliche Zusätze blieb als Resultat das Gewicht des Probekörpers allerdings immer konstant. Im nächsten Schritt wurden diese Experimente mit der kleinen und der großen Anord-nung wiederholt. Die Ergebnisse wichen nur geringfügig zu den Messungen mit der mitt-leren Anordnung ab, zumindest war die Qualität identisch. Schlussfolgerung: Die bis dahin durchgeführten Messungen ließen in erster Linie auf eine Beeinflussung der Probekörper schließen, der eine elektrostatische Ursache zu Grunde liegt. 3.2 Messungen zur Elektrostatik



Da der Quarzsand beim Einblasen an der Innenseite des äußeren Zylinders und an der Außenseite des inneren Zylinders Reibungsarbeit verrichtet, ist davon auszugehen, dass ein Ladungsträgeraustausch und dadurch eine elektrostatische Aufladung stattfin-det. Aus diesem Grund wurden charakteristische Versuche unter Verwendung eines Elektrostatikmessgerätes anstelle des Probekörpers und der Balkenwaage wiederholt. Es wurden zahlreiche Experimente in dieser Hinsicht durchgeführt. In weiteren Experimenten wurde die Sonde des Feldstärkenmessgerätes in verschie-denen Höhen innerhalb des inneren Zylinders installiert, um zumindest grob etwas über den Gradienten des elektrischen Feldes zu erfahren. Dieser ist im unteren Drittel des Zylinders nach oben hin ansteigend, weiter oben wird er wieder geringer. Den Feldstär-ken im unteren Bereich wurde besonders Aufmerksamkeit geschenkt, da auch die Mes-sungen mit Balkenwaage und Probekörper in etwa dieser Höhe durchgeführt wurden. Die Feldstärke einige Zentimeter über der Bodenplatte betrug beispielsweise ca. 200 kV/m, 10 cm höher lag sie bereits bei etwa 1000 kV/m. Vergleicht man das folgende Diagramm der E-Feld-Messung (Bild 7) mit der Gewichts-kraftmessung aus 3.1 (Bild 6) so wird die Korrelation zwischen Gewichtskraft und Elekt-rostatik deutlich. Besonders eindeutig waren dabei die zeitlichen Verläufe. So betrug die Zeitspanne zwischen Einsetzen und Abklingen des Peaks (Maximalwert für Gewichts-kraftänderung und elektrische Feldstärke) jeweils etwa 6 Sekunden. Auch waren die Messungen zu Gewicht und E-Feld in verschiedenen Höhen im inneren Zylinder etwa äquivalent.

Bild 7: Feldstärkenmessung innerhalb des inneren Zylinders



4. Ergebnisse

Qualitative Erklärung für die aus den Messungen gewonnenen Erkenntnisse: Wie bereits erwähnt, entsteht die elektrostatische Aufladung durch Reibung des ein-strahlenden Sandes mit dem inneren und äußeren Zylinder. Der Sand gibt Elektronen an die Zylinder ab und erhält dadurch selbst eine positive Ladung. Das elektrostatische Feld wird nach oben hin stärker, da im unteren Bereich ein Ladungsträgeraustausch zwischen negativ geladenem Plexiglas bzw. PVC und positiv geladenem Sand stattfin-det. Der Sand beginnt sich bereits nach einigen Sekunden abzulagern. Die scheinbare Gewichtskraftverringerung, die mit der Waage gemessen wird, ist vom eigentlichen Pro-bekörper unabhängig und greift an der Balkenwaage selbst an. Dieser besteht aus Holz und ist folglich ein Dielektrikum mit einer Permittivitätszahl εr = 1–7. Das Eindringen des elektrischen Feldes in das Holz bewirkt, dass die an die Rumpfio-nen gebundenen, nicht frei beweglichen Elektronen, der äußeren Kraft durch das elekt-rische Feld zu folgen versuchen. Auf Grund der rücktreibenden Kraft der Rumpfionen stellt sich dann ein Gleichgewicht ein. Durch Verschiebung der Ladungsschwerpunkte entstehen Dipole, Oberflächenladungen sowie ein inneres elektrisches Feld, welches dem äußeren entgegengerichtet ist. Das Holzstück der Balkenwaage, das von unten in den inneren Zylinder hineinragt, wandert in dem inhomogenen elektrischen Feld nun dorthin, wo der Gradient des Feldes möglichst groß ist. Da die Feldstärke im unteren Bereich von unten nach oben stark an-steigend ist, hat dies eine am Holz wirkende, nach oben gerichtete Kraft zur Folge. Das erklärt beispielsweise auch, warum der Effekt unabhängig vom verwendeten Probekör-per, stark abhängig aber vom verwendeten Strahlzusatz ist, welcher natürlich unter-schiedlich starke und vorzeichenverschiedene Felder hervorrufen vermag.



Bild 8: Elektrostatik beim Wirbelrohr Sand/Luft In weiteren Experimenten wurde die Balkenwaage aus Holz durch eine etwas schmalere Version aus Aluminium ersetzt und erneut Messungen zur Gewichtskraft durchgeführt. Die Balkenwaage wurde bei einigen Versuchen geerdet, indem sie an den Schutzleiter der Stromversorgung angeschlossen wurde. Der Verlauf, der auf den geerdeten Alubalken wirkenden Kraft, verhielt sich nahezu i-dentisch zu den Versuchen mit dem Holzbalken. Einen kleinen Unterschied machte der nicht geerdete Alubalken, der auch nach dem Abschalten des Sand-Luft-Strahls eine geringe negative Ladung beibehielt.



5. Quellennachweis 5.1 Vorliegende Versuchsbeschreibungen und Kommentare

- Tornado-Modell, M.u.T. 1984/2 - Pflichtenheft (IGF, 00-04-22, Thomas Senkel) - Zwischenbericht (IGF, 00-07-06, Thomas Senkel)

5.2 Messtechnik (Hard- und Software) Waage: Kern KK 600-3 (KERN & Sohn GmbH) Wägebereich: 610 g Ablesbarkeit: d=0,001 g Auswertung über RS232 und Kern PC-Software Balance Connection E-Feld: Statometer III (Haug GmbH & Co. KG) Max. Feldstärke: ca. 1000 kV/m Ablesbarkeit: 1 kV/m Auswertung über RS232 und PC-Software Muehl 2.1 5.3 Verwendete Literatur und Software 1. Literatur:

Gerthsen, Vogel PHYSIK, 17. Auflage, Springer Verlag 2. Software: Microcal Origin 6.0 Microsoft Excel 2000

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