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Wasserstrahlkerze
Die Entdeckung eines Wirkprinzips zur hydropneumatischen Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie oberhalb des höchsten systemeigenen hydrostatischen Potenzials
Zusammenfassung
Bekannt ist, dass Lageenergie durch Höhenveränderung entgegen der Erdanziehungskraft durch Arbeitsaufwand erhöht, in Richtung der Erdanziehung dagegen durch frei werdende Arbeit reduziert wird. Nicht bekannt ist, dass durch systemeigene Energie in einem Verbund von kommunizierenden Gefäßen oberhalb der obersten freien Wasseroberfläche eine Fontäne erzeugt werden kann. Dies gelingt aber, wenn im Schwerefeld der Erde ein statisch wirkendes Luftpotenzial einem hydrostatischen Energiepotenzial integrierend überlagert wird. Aus dieser Potenzialsummierung ergibt sich eine Resultierende deren Wirkung oberhalb der freien Wasseroberfläche des am höchsten gelegenen Wasservorrates einen Wasserstrahl nach oben entspringen lässt.
Bezugszeichenliste
| F | Fontäne (Wasserstrahl) |
| FL | Fallleitung |
| h1 | Höhe der Wasseroberfläche im Basisbehälter (bezüglich Nullpotenzial L0) |
| h2 | Höhe der Wasseroberfläche im Hochbehälter (bezüglich Nullpotenzial L0) |
| hDD | hx2-hx1 = äquivalente Größe zur Druckhöhe hPE |
| hFL | Äquivalente Höhe der Wassersäule in der Fallleitung zu hSL |
| hFmax | Maximale Fontänenhöhe bei verlustfreier Strömung |
| hPE | h2-h1 = Druckhöhe der verfügbaren hydrostatischen Potenzialenergie |
| hSL | Maximale Höhe der Wassersäule in der Steigleitung |
| hx | Variable Höhe |
| hx1 | h1+hFL = Höhe der Wassersäule in der Fallleitung am Ende der ersten Teilevakuierung |
| hx2 | h1+hPE +hSL = Höhe der Wassersäule in der Fallleitung zur Erzeugung der maximalen Fontänenhöhe hFmax |
| hx3 | Summe aller statischen und kinetischen Wassersäulen |
| L0 | System- Nullpotenzial |
| L1 | Energiepotenzial in der Höhe h1 |
| L2 | Energiepotenzial in der Höhe h2 |
| LD | Luftdruck (Umgebungsdruck) |
| O1 | Freie Wasseroberfläche im Basisbehälter |
| O2 | Freie Wasseroberfläche im Hochbehälter |
| OFL | Wasseroberfläche der Wassersäule in der Fallleitung |
| Q | Durchflussöffnungen |
| R1 | Basisbehälter |
| R2 | Hochbehälter |
| RD | Restluftdruck (Unterdruck) |
| SL | Steigleitung |
| UR | Restdruck- bzw. Unterdruckraum |
Einleitung
In der Schule wird gelehrt, dass Energie der Lage oder potenzielle Energie immer nur in Richtung eines Energiegefälles und unterhalb der höchst gelegenen Lageenergie in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Alle aus Erfahrung gewonnenen Energiesätze bestätigen richtigerweise, dass Wasser stets bergab fließt und der viel besagte Stein immer nach unten fällt. Trotzdem könnte unter Beachtung der einschlägigen Energieerhaltungssätze ein Stein 1 m hoch über seinem anfänglichen Lageort schweben, wenn ein seiner neuen Höhenlage äquivalenter Energieausgleich stattfände. Ein Wirkprinzip dieser Art ist bisher nicht bekannt. Ebenso ist es unbekannt, dass durch systemeigene Energie oberhalb der freien Wasseroberfläche eines zu oberst angeordneten kommunizierenden Gefäßes hydrostatische in hydrokinetische Energie umgewandelt werden kann. Zur Ergänzung des bisherigen Kenntnisstandes wird hiermit die Entdeckung eines solchen Prinzips folgend als hydropneumatisch wirkendes System vorgestellt.
Systembeschreibung
Werden mindestens zwei Gefäße auf konventionelle Art kommunizierend miteinander verbunden, dann wird stets das Wasser aus den Gefäßen des höheren Energieniveaus durch Umwandlung der Lageenergie in kinetische Energie in die Gefäße des unteren Energieniveaus fließen. Dort geht die Bewegungsenergie erst dann wieder in Ruheenergie über, wenn ein Höhenausgleich der Wasseroberflächen zwischen allen Gefäßen erreicht ist. Erfolgt hingegen die kommunizierende Verbindung der Gefäße durch Überlagerung eines statisch wirkenden Luftdruckpotenzials, dann kommt ein Summenpotenzial zur Wirkung. Diese Wirkung besteht darin, dass infolge der Überlagerung des niederenergetischen hydrostatischen Energiepotenzials durch das höherenergetische Luftdruckpotenzial, die hydrostatische Lageenergie an jeder beliebigen Stelle innerhalb des höheren pneumatischen Energiepotenzialbereiches von hydrostatischer in hydrokinetische Energie umgewandelt werden kann. Somit kann im Bereich des Wassersäulen- Luftdruck- Äquivalents rein theoretisch die Spitze einer Wasserfontäne eine Höhe von 10 m erreichen. Andererseits kann unterhalb von 10 m in jeder beliebigen Höhe eine Fontäne oberhalb der freien Wasseroberfläche des zu oberst gelegenen Wassergefäßes emporquellen.
Beschreibung der Funktion
In Bild 1 ist eine, von mehreren gegenständlich verwirklichbaren Möglichkeiten, als Wasserstrahlkerze bezeichnete Form dargestellt. Folgende Beschreibung der schrittweisen Inbetriebnahme möge als leicht verständliche Funktionsbeschreibung dienen:
| 1. | Der Basisbehälter (R1) und der Hochbehälter (R2) werden mit Wasser befüllt. Durch die Höhendifferenz der freien Wasseroberflächen (O1/O2) stellt sich das einzige dem System zur Verfügung stehende hydrostatische Energiepotenzial (hPE=h2-h1) ein. |
| 2. | Das eine Ende eines in Bild 1 nicht gezeichneten Schlauches wird durch eine der Durchflussöffnungen (Q) bis in den Unterdruckraum (UR) eingeführt, womit dieser feinfühlig evakuiert wird. Dadurch erheben sich Wassersäulen in der Steigleitung (SL) und in der Fallleitung (FL). |
| 3. | Wenn die Wassersäule in der Steigleitung den oberen Düsenrand , also die Höhe hX2 erreicht hat, wird die Evakuierung vorübergehend beendet und unter 4. festgestellt: |
| 4. | Die Wassersäulenhöhe in der Steigleitung hat bezüglich der Oberfläche (O2) den Betrag hSL erreicht. Zum selben Zeitpunkt hat die Wassersäulenhöhe in der Fallleitung bezüglich der Oberfläche (O1) den Betrag hFL erreicht und endet bei hX1. Da auf die freien Wasseroberflächen derselbe Luftdruck (LD) und im Unterdruckraum derselbe Restdruck (RD) wirkt, müssen die beiden genannten Wassersäulenhöhen gleich große Beträge aufweisen, so dass hSL= hFL ist. |
| 5. | Bei Fortsetzung der unter 3. unterbrochenen Evakuierung kann die
Wassersäule in der Fallleitung um den Betrag HDD steigen ehe sie den vorgesehenen Endstand am oberen Rand der
Steigleitungsdüse, bei der Höhenmarke hX2 erreicht hat. Was passiert aber in der Steigleitung mit der Wassersäule?
Deren Oberfläche hatte bereits einen vorläufigen Endstand gemäß 3. erreicht. An dieser Steller machen wir ein kleines Gedankenexperiment und denken uns die Steigleitung durch ein aufgesetztes Glasröhrchen nach oben verlängert. Bei anhaltender Evakuierung stiegen dann beide Wassersäulen, die in der Fallleitung und die im aufgesetzt gedachten Glasröhrchen. Diesmal wird in Gedanken die Evakuierung unterbrochen, wenn die Wassersäule in der Fallleitung den oberen Rand der Steigleitung (hX2), also die Stelle, an der das gedachte Glasröhrchen aufgesetzt ist, erreicht hat. In dem gedachten Glasröhrchen hätte sich dabei eine Wassersäule mit der Höhe hFmax aufgebaut. Da hFmax=hPE ist, würde an der Düsenmündung ein Druck von hPE herrschen. Wird die vor dem Gedankenexperiment genannte, reelle Evakuierung ohne das gedachte Glasröhrchen fortgesetzt, dann steigt einerseits das Wasser in der Fallleitung als Wassersäule bis zur Höhe hX2 an. Andererseits tritt aber aus der Steigleitungsdüse eine dem sich aufbauenden Mündungsdruck entsprechende, immer höher werdende Fontäne (F) auf. Bei verlustfreier Strömung würde sie eine maximale Höhe von hFmax erreichen. Die Fontäne selbst ist dabei die sichtbare Umsetzung von hydrostatischer in hydrokinetische Energie oberhalb der obersten systemeigenen freien Wasseroberfläche. Im vorliegenden Falle oberhalb von O2. |
| 6. | Das Wasser das aus dem Hochbehälter als Fontäne aus der Düse am oberen Ende der Steigleitung in den Unterdruckraum strömt, fällt zurück auf die Oberfläche (OFL) der Wassersäule in der Fallleitung. In dieser fließt es nach unten und tritt durch die Durchflussöffnungen in den Basisbehälter. Dieser Vorgang hält so lange an, bis der Hochbehälter leer gelaufen ist. Bei konstanten Höhen der Oberflächen (O1/O2) hielte dieser Vorgang unbegrenzt lange an. |
Tatsächliches Wirkprinzip
Aus der vorweg erfolgten Beschreibung der Funktion könnte geschlussfolgert werden, dass das Wirkprinzip der Wasserstrahlkerze aus einer durch Unterdruck resultierenden Sogwirkung entsteht. Zwar sprudelt die Fontäne gemäß Bild 1 und 3 in einen Unterdruckraum hinein, die ursächliche Quellkraft der Fontäne hat aber mit Unterdruck und Sog absolut nichts zu tun. Das wesentliche Merkmal dieses Wirkprinzips ist das Zusammenspiel von überlagerten Energiepotenzialen im Schwerefeld der Erde.
Schlussbemerkung und Ausblick
Das vorgestellte Wirkprinzip ist eine neue Entdeckung für die noch keine praktischen Anwendungen bekannt sind. Es kann aber vermutet werden, dass ähnliche Wirkprinzipien mit anderen Energiearten aus den Kraftfeldern zu praktikablen Lösungen führen könnten. Von besonderem Interesse wären Wirkprinzipien, mit deren Hilfe Masse von der Erdanziehung teilweise oder ganz, ggf. nur in bestimmten Höhen, dauerhaft oder zeitlich begrenzt, befreit bzw. reduziert werden könnte. Vereinfachte und verbilligte Transportmöglichkeiten und Hubvorgänge würden daraus resultieren und böten wirtschafliche Vorteile.
Bildbeschreibungen
Bild 1
In Bild 1 ist schematisch das Wirkprinzip der Wasserstrahlkerze dargestellt. Trotz der Bezugszeichenvielfalt sind die Funktionszusammenhänge relativ einfach, denn es kommen nur bekannte physikalische Prinzipien zur Wirkung. Dargestellt ist der Funktionsfall für hx2=h1+hFL+hDD bei verlustfreier Strömung. Dieser Funktionsfall entspricht der maximal möglichen systemeigenen Umsetzung von hydrostatischer in hydrokinetische Energie, weil hFmax=hPE ist.
Bild 2
Das Bild 2 zeigt ein Vektordiagramm mit welchem qualitativ die Gleichgewichtszustände jeweils von Steig- und Fallleitungsseite in sich und zueinander dargestellt sind. Zur Vereinfachung ist die maximal mögliche Energieumsetzung des Systems für hFmax=hPE für den theoretischen Fall widerstandsfreier Strömung gewählt.
Bild 3
Bild 3 zeigt das Foto einer in Glas gefertigten Wasserstrahlkerze. Gut zu erkennen sind die Wasserstände im Basis- und Hochbehälter. Aus dem ganz voll gefüllten Hochbehälter läuft eine Wassermenge von ca. 200 cm3 in ungefähr 2,5 Minuten aus. Der gegen die Kuppel des Unterdruckraumes strömende Fontänenstrahl hat eine Mündungsgeschwindigkeit von etwa 1,4 m/sec. Das Wasser wird in der Kuppel umgelenkt und läuft an den Wänden herunter zur Oberfläche der Wassersäule in der Fallleitung. In diesem fließt es nach unten und durch die Durchflussöffnungen in den Basisbehälter. Die Fontäne hört auf zu sprühen sobald der Hochbehälter leer gelaufen ist. Im Bild 3 ist der Funktionsfall hx2=h1+hFL+hDD für hX<hX2 zu sehen, weil die Oberfläche der Wassersäule in der Fallleitung niedriger ist als der oberste Rand der Steigleitung.
