Druck berechnen bei Schlag auf Schlauch

Hallo Zusammen,

ich versuche zur Zeit eine Formel zu finden, mit der ich den Druck berechnen kann, der entsteht, wenn ich auf einen Schlauch hau.

Folgendes Szenario:
Ich habe einen 1m langen Silikonschlauch mit einem Innendurchmesser von 4mm. Nun haue ich in der Mitte des Schlauches drauf. Wie kann ich berechnen, welcher Druck an der Aufschlagfläche entsteht? (Das Volumen wird um die hälfte reduziert)

Mein Problem liegt etwas im Verständnis. Das Modell mit dem Zylinder der komprimiert wird kann ich nicht her nehmen, da ja links und rechts vom Aufschlagpunkt die Luft entweichen kann.

(Zur Vereinfachung gehe ich von einem isothermen Verhalten aus)

Freue mich über jede Hilfe, auch wenns ein Buch ist, wo diese Thematik behandelt wird, da ich schon zig Bücher gelesen hab und einfach nicht weiter komme. :smile:

Vielen Dank.

Gruß

Hallo!

Mir ist zwar die Anordnung nicht ganz klar, aber eins kann ich Dir sagen: Wenn Du irgendwo „draufhaust“, dann ist das alles andere als isotherm, denn bei isothermen Vorgängen gibt man dem System ja immer genügend Zeit, um seine Temperatur anzupassen. Davon kann hier nicht die Rede sein. Schnelle Vorgänge sind eher adiabatisch.

Sind die Schlauchenden offen? Wenn ja: Warum sollte der Druck im Inneren des Schlauchs überhaupt steigen? Wenn nein: Wie passt das damit zusammen, dass Du sagst, die Luft könne entweichen?

Michael

Hallo,
Du hast einen kleinen „aktiven“ Raum ( wo sich die Luft auf die Hälfte komprimiert ) und einen großen „toten“ Raum, der nur von der Verringerung des GesamtVolumens „profitiert“ ( in Form von geringfügiger DruckErhöhung ).
Probleme:
1.)Das Verhältnis der beiden Räume zueinander
2.)Überlagerung von Druck und Schall ( Was willst Du messen? Welche Frequenzen )
3.)Zeitliche Kürze ( wie träge ist Dein Sensor? )

Vielleicht ist auch ein enrgetischer Ansatz hilfreich.
Freundliche Grüße
Thomas

Also erstens, mir is natürlich klar das das kein isothermer Vorgang ist. Deswegen habe ich geschrieben „ALS VEREINFACHUNG“. Dreimal kluge Kommentare bringen mich nicht weiter. :wink:

Zweitens spielt es keine Rolle ob die Enden offen sind und welche Sensoren ich da her nehme. Mir geht es rein um die Berechnung des Momentandrucks der durch den Aufschlag am Aufschlagpunkt entsteht. Ich weiss wie ich den Druckverlust zwischen Aufschlagpunkt und Ende (sprich Sensor) berechne, allerdings muss ich dazu erst mal wissen, wie groß der Druck (Spitzenwert) beim Aufschlagpunkt ist.
Mein Problem ist, dass ich den Druck berechnen möchte, der beim Aufschlagpunkt entsteht. Das hat nix mit Wellenausbreitung, überlagerten Wellen etc zu tun.

Denkt bitte nicht so kompliziert, ich habe nicht vor eine atomare Analyse eines realen Systems zu machen. Geht bitte von einem idealen System aus.
Aufbau ist wie folgt: 1 Schlauch an beiden Enden offen, der Schlauch ist 8mm dick und hat einen Innendurchmesser von 4mm und besteht aus Silikon, in dem Schlauch befindet sich ganz normale Luft mit Normaldruck, die Temperatur ist Raumtemperatur (halt ca 23°C)

Ich hau in der Mitte so drauf, das das Volumen am Aufschlagpunkt um die hälfte reduziert wird.

Hallo!

Ich würde in erster Näherung mal mit dem Energieerhaltungssatz an die Sache ran gehen. Mit was (Masse?) haust du drauf? Wie schnell ist das Objekt im Treffmoment. Dann nehmen wir idealerweise an, dass die koplette kinetische Energie in das hydraulische System eingebracht wird. Jetzt musst du nur noch ausrechnen, in welcher Form dein Schlauch als Energiespeicher wirken kann. Der Schaluch dehnt sich, dadurch entsteht eine Art Federspannung, die wiederum Energie speichert. Diese Energie setzt du dann mit der kinetischen Energie kurz vor dem Treffmoment gleich. Ist sicherlich nicht exakt, weil nicht die kompette Energie übertragen wird. Auch wird ein Teil gleich in Wärme umgewandelt. Aber als erste Abschätzung ist diese Rechnung sicherlich brauchbar.

Liebe Grüße,

Thomas.

Vielen Dank für den Tip. Das bringt mich schon mal einen Stück weiter.

Nehmen wir mal an, ich würde mit einem Gewicht von 50g und einer Geschwindigkeit von 20m/s auf den Schlauch haun. Dann kann ich die kinetische Energie mit E=0,5*m*v² berechnen.
Allerdings versteh ich noch nicht ganz was du mit Energie der Feder (Schlauch) meinst. Ist das die potentielle/elastische Energie die der Schlauch besitzt?

Hallo!

Also erstens, mir is natürlich klar das das kein isothermer
Vorgang ist. Deswegen habe ich geschrieben „ALS
VEREINFACHUNG“. Dreimal kluge Kommentare bringen mich nicht
weiter. :wink:

Das ist keine Vereinfachung, sondern eine falsche Annahme. Wenn man darauf hinweist, ist das auch kein dreimal-kluger Kommentar, sondern ernst gemeinte und berechtigte Kritik - wie ich in diesem Posting noch zeigen werde.

Zweitens spielt es keine Rolle ob die Enden offen sind und
welche Sensoren ich da her nehme. Mir geht es rein um die
Berechnung des Momentandrucks der durch den Aufschlag am
Aufschlagpunkt entsteht.

Das hängt fundamental davon ab, ob die Enden offen sind oder nicht und vor allem wie schnell man auf den Schlauch schlägt. Wenn der Schlag bei offenen Enden hinreichend langsam ist, steigt der Druck im Schlauch überhaupt nicht. Sind die Schlauchenden offen, steigt der Druck immer, egal wie schnell man drauf schlägt.

Denkt bitte nicht so kompliziert, ich habe nicht vor eine
atomare Analyse eines realen Systems zu machen. Geht bitte von
einem idealen System aus.
Aufbau ist wie folgt: 1 Schlauch an beiden Enden offen, der
Schlauch ist 8mm dick und hat einen Innendurchmesser von 4mm
und besteht aus Silikon, in dem Schlauch befindet sich ganz
normale Luft mit Normaldruck, die Temperatur ist
Raumtemperatur (halt ca 23°C)

Ich hau in der Mitte so drauf, das das Volumen am
Aufschlagpunkt um die hälfte reduziert wird.

Kannst Du mir mal erklären, wie das Volumen im Aufschlags punkt um die Hälfte kleiner werden soll? Das sind keine Spitzfindigkeiten! Wenn Du das Problem so unsauber definierst, kann man dazu keine Lösung angeben.

Ich schreibe Dir jetzt mal ein sauber definiertes Problem und löse es. Vielleicht ist es ja mit Deinem Problem verwandt - umso besser:

Ein Schlauch wird auf einer gewissen Länge so schnell auf die Hälfte der Querschnittsfläche zusammengepresst, dass Ausgleichsströmungen der Luft, Schall und Wärmeaustausch mit der Umgebung vernachlässigt werden können. Gesucht ist der Maximalwert des Drucks in der Mitte des Schlauchabschnitts.

Lösung: Die Kompression erfolgt adiabatisch. Es gilt also

pVκ = const.

κ ist der Adiabatenexponent. Er beträgt für Luft etwa 1,4. Wenn das Volumen also um die Hälfte abnimmt, steigt der Druck auf das

1/0,51,4 = 2,64fache.

Diskussion:

  • Bei isothermer Kompression, was Du als „Näherung“ vorgeschlagen hast, käme das 2,0fache raus.
  • Der berechnete Wert gilt nur für die Mitte des belasteten Schlauchabschnitts. An den Rändern gilt dies natürlich nicht, weil das komprimierte Gas sofort nach draußen expandieren kann.
  • Die Vereinfachung, dass die Kompression schnell genug erfolgen muss, ist wahrscheinlich nicht gerechtfertigt, da das vermutlich eine überschallschnelle Kompression erfordern würde. Was jedoch bei der Ausbreitung von Schockwellen im Schlauch passiert, übersteigt meine Fähigkeiten bei weitem.
  • Aus diesen Gründen ist ein realer Druckanstieg zu erwarten, der irgendwo zwischen 1 (keine Veränderung) und 2,64 (rein adiabatische Kompression) liegt.

Michael

PS: „Man mache alles so einfach wie möglich, aber nicht einfacher!“ (Albert Einstein)

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Hallo Michael,

Das ist keine Vereinfachung, sondern eine falsche Annahme. Wenn man darauf hinweist, ist das auch kein dreimal-kluger Kommentar, sondern ernst gemeinte und berechtigte Kritik - wie ich in diesem Posting noch zeigen werde.

Natürlich ist das für ein reales System eine falsche Annahme. Das gewisse Verluste zu berücksichtigen sind ist mir auch klar. Aber genau darum geht es. Ich will erst mal ohne Verluste, also ein ideales System beschreiben bevor ich anfange die Verluste mit einzubeziehen.

Das hängt fundamental davon ab, ob die Enden offen sind oder nicht und vor allem wie schnell man auf den Schlauch schlägt. Wenn der Schlag bei offenen Enden hinreichend langsam ist, steigt der Druck im Schlauch überhaupt nicht. Sind die Schlauchenden offen, steigt der Druck immer, egal wie schnell man drauf schlägt.

Das ist auch klar und natürlich schlage ich da nicht ganz langsam drauf. Mein Ziel ist es nicht die Luft aus dem Schlauch zu pressen sondern einen Druck am Aufschlagpunkt zu erzeugen, der sich dann in Richtung Ende des Schlauches als Druckwelle bewegt.

Kannst Du mir mal erklären, wie das Volumen im Aufschlagspunkt um die Hälfte kleiner werden soll? Das sind keine Spitzfindigkeiten! Wenn Du das Problem so unsauber definierst, kann man dazu keine Lösung angeben.

Ganz einfach. Da es sich um einen Silikonschlauch handelt, wird dieser so weit zusammen gepresst, dass sich das Volumen im Innern um die Hälfte verkleinert. Darüber hinaus definiere ich nicht mein Problem unsauber, sonder du versuchst aus einer ganz simplen Berechnung eine komplizierte, der Realität so nah wie möglichen Berechnung zu machen. Da dies zeigt, dass dir mehr daran gelegen ist besonders klug zu erscheinen, ist dies nun mal eine „Spitzfindigkeit“. :wink:

Ein Schlauch wird auf einer gewissen Länge so schnell auf die Hälfte der Querschnittsfläche zusammengepresst, dass Ausgleichsströmungen der Luft, Schall und Wärmeaustausch mit der Umgebung vernachlässigt werden können. Gesucht ist der Maximalwert des Drucks in der Mitte des Schlauchabschnitts.

Genau das ist der Punkt. Den Druckanstieg in einem Zylinderähnlichen Gebilde zu berechnen ist einfach. Mir geht es aber genau um die Punkte die du weggelassen hast. Wie berechne ich den Druck wenn eben der Schall/Druckwelle links und rechts vom komprimierten Volumen entweichen kann. Kann man dies überhaupt berechnen?!

Da du offensichtlich gar nicht verstanden hast, worum es mir geht, wäre es nett, wenn du einfach keine Antworten mehr schreibst.

Vielen Dank

MfG

Hallo!

Natürlich ist das für ein reales System eine falsche Annahme.
Das gewisse Verluste zu berücksichtigen sind ist mir auch
klar. Aber genau darum geht es. Ich will erst mal ohne
Verluste, also ein ideales System beschreiben bevor ich
anfange die Verluste mit einzubeziehen.

Wir reden hier nicht über Verluste, sondern darüber, ob eine idealisierte Zustandsänderung isotherm oder adiabatisch ist. Ich behaupte: Es handelt sich bestenfalls um eine adiabatische Zustandsänderung. Von mir aus kannst Du weiter darauf beharren, dass es sich „näherungsweise“ um eine isotherme Zustandsänderung handelt. Aber man kann auch „näherungsweise“ behaupten, dass die Erde eine Scheibe ist - bloß hat es halt mit der Realität nichts zu tun.

Kannst Du mir mal erklären, wie das Volumen im Aufschlagspunkt
um die Hälfte kleiner werden soll? Das sind keine
Spitzfindigkeiten! Wenn Du das Problem so unsauber definierst,
kann man dazu keine Lösung angeben.
Ganz einfach. Da es sich um einen Silikonschlauch handelt,
wird dieser so weit zusammen gepresst, dass sich das Volumen
im Innern um die Hälfte verkleinert.

[EDIT by Team: Zitat in ein solches umgewandelt]

Die Frage war, wie sich das Volumen in einem Aufschlagspunkt verkleinern kann. Ein Punkt hat kein Volumen! Auch das wirst Du für eine Spitzfindigkeit halten, aber es ist nunmal ein himmelgroßer Unterschied, ob ich mit einer scharfen Klinge auf einem begrenzten Raum das Volumen verkleinere oder auf einer längeren Schlauchstrecke gleichzeitig.

Darüber hinaus definiere
ich nicht mein Problem unsauber, sonder du versuchst aus einer
ganz simplen Berechnung eine komplizierte, der Realität so nah
wie möglichen Berechnung zu machen.

Wenn die Berechnung so simpel ist, warum machst Du es dann nicht selbst? Ich halte das Problem für nicht simpel, im Gegenteil! Und ich habe versucht Dir zu zeigen, dass Dein Problem unvollständig umrissen und deshalb (noch) unlösbar ist. Es freut mich, dass meine Bemühungen diesbezüglich von Dir so dankbar aufgenommen wurden:

Da du offensichtlich gar nicht verstanden hast, worum es mir
geht, wäre es nett, wenn du einfach keine Antworten mehr
schreibst.

Der Bitte komme ich gerne nach. Ich halte aber jede Wette, dass niemand Dir eine Formel angeben kann, wie man den gesuchten Wert berechnet, bevor Du nicht weitere Angaben zu Deinem Problem machst (Ablauf und Geometrie des Schlags!)

Michael

Formatierung
Von Besucher wurde das HTML-Tag UL verwendet. Dadurch wird offensichtlich der Doppelpunkt am Zeilenanfang zerschossen. Ich habe es zweimal versucht. Beide Male wurde die gewünschte Formatierung nicht angezeigt. Ich schreibe gleich einen Post über diesen Bug.

So sollte es eigentlich aussehen:

Kannst Du mir mal erklären, wie das Volumen im Aufschlagspunkt
um die Hälfte kleiner werden soll? Das sind keine
Spitzfindigkeiten! Wenn Du das Problem so unsauber definierst,
kann man dazu keine Lösung angeben.

Ganz einfach. Da es sich um einen Silikonschlauch handelt,
wird dieser so weit zusammen gepresst, dass sich das Volumen
im Innern um die Hälfte verkleinert.

Die Frage war, wie sich das Volumen in einem Aufschlagspunkt
verkleinern kann. Ein Punkt hat kein Volumen! Auch das wirst
Du für eine Spitzfindigkeit halten, aber es ist nunmal ein
himmelgroßer Unterschied, ob ich mit einer scharfen Klinge auf
einem begrenzten Raum das Volumen verkleinere oder auf einer
längeren Schlauchstrecke gleichzeitig.

Hallo,

ich versuche zur Zeit eine Formel zu finden, mit der ich den
Druck berechnen kann, der entsteht, wenn ich auf einen
Schlauch hau.

Da könntest du in erster Näherung die Hagen/Poiseuillesche Gleichung verwenden.

Delta V = (Pi * Delta p * r4 * t)/(8 * l * Eta)

Siehe vielleicht die Aussagen unter:
http://wcp1.uni-wuppertal.de/setzer/downloads/Versuc…

die auch auf Hagen/Poiseuille in Bezug auf Gase näher eingeht.

Hierbei ist Delta V das Volumen der Luft, das in der Zeit t unter Wirkung des Druckunterschieds Delta p durch ein Kapillarrohr vom inneren Radius r und der Länge l strömt.
Die Viskosität von Luft, bei 20 °C und Normaldruck beträgt:
Eta = 18,2 * 10-6 Pa * sec.

Angenommen du schlägst mit einem Hammer (Schlagfläche 2 cm mal 2 cm) in der Mitte des 1 m langen Silikonschlauches (r = 0,002 m) schnell in 0,01 Sekunden auf eine Teillänge des Schlauches von 0,02 m. Die Teillänge ist durch die Geometrie der Hammerfläche vorgegeben.
Dabei soll nach deinen Angaben das partielle Volumen von 0,2513 cm3 auf die Hälfte, auf 0,1257 cm3 verringert werden. Delta V = 0,1256 * 10-6 m3.
Stellt man nach Delta p um, so errechnen sich für
Delta p ca. 0,6 mbar.

Bei diesem geringen Druckanstieg brauchst du dir wegen Temperaturänderungen: „(Zur Vereinfachung gehe ich von einem isothermen Verhalten aus)“
keine Gedanken zu machen.

Vielen Dank.

Bitte

watergolf

Hallo!

Da könntest du in erster Näherung die Hagen/Poiseuillesche
Gleichung verwenden.

Delta V = (Pi * Delta p * r4 * t)/(8 * l * Eta)

Siehe vielleicht die Aussagen unter:
http://wcp1.uni-wuppertal.de/setzer/downloads/Versuc…

die auch auf Hagen/Poiseuille in Bezug auf Gase näher eingeht.

Unter anderem ist dort zu lesen, dass diese Formel nur für laminare und stationäre Strömungen gilt. Ob die Strömung laminar ist, weiß ich nicht, aber sie ist alles andere als stationär.

Michael

Ja, geanu so ist es. Der Schauch wird durch den Schlag an einer Stelle gequetscht, und an anderer Stelle dehnt er sich. In dieser Dehnung steckt potenzielle Engergie, vergleichbar mit einer gespannten Feder. Allerdings wird die Berechnung an dieser Stelle etwas kompliziert, weil du i.d.R. die „Federkonstante“ des Schlauchs nicht kennst. Außerdem wird wohl, nicht wie bei einer Feder, kein linearer Zusammenhang zwischen Federkraft und Auslenkung bestehen.

Liebe Grüße,

Thomas.