DE3424265C2 - Einrichtung zur Durchführung aeromechanischer oder aerodynamischer Versuche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Durchführung aeromechanischer oder aerodynamischer Versuche mit einem Luft­ stromerzeuger, mit einer Schiene, die sich auf Ständern abstützt, mit einem auf der Schiene verschieb- und feststellbaren Wagen, der der Aufhängung von Objekten im Luftstrom dient, und mit einem Meßgerät außerhalb des Luftstromes zur Messung mindestens der Auftriebskraft des Objektes. Eine Einrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 16 98 128 bekannt.

Im naturwissenschaftlichen Unterricht besteht immer mehr das Bedürfnis nach einer gründlichen Demonstration aeromechanischer oder aerodynamischer Vorgänge. Die zur Zeit z. B. für den Physik­ unterricht angebotenen Einrichtungen der Lehrmittelhersteller umfassen in der Regel nur einen Luftstromerzeuger und verschie­ dene Formkörper, die nur mühsam und ungenau im Luftstrom ange­ ordnet werden. Versuchen dieser Art mangelt es sowohl an der Reproduzierbarkeit als auch an didaktischer Klarheit.

Bei der Einrichtung nach der eingangs erwähnten DE-OS 16 98 128 sind die Schienen kreisbogenförmig. Der gesamte Versuchsaufbau wird anscheinend von der Seite her in den Luftstrom hineingefah­ ren. Die Anzahl der mit dieser Einrichtung durchführbaren Ver­ suche ist begrenzt. Es besteht z. B. nicht die Möglichkeit, die unterschiedlichen, im Windkanal herrschenden Strömungs- und Druckverhältnisse mitzumessen. Die im Windkanal eingesetzten Objekte haben in Bezug auf die Richtung des Luftstromes nur starr bestimmte Positionen. Eine einzige Mehrkomponentenwaage mißt alle Luftkräfte.

Ein Windkanal zur Durchführung aeromechanischer oder aerody­ namischer Versuche ist außerdem aus der US 30 55 212 bekannt. Sie besteht aus einem kurzen, einen geschlossenen Windkanal bildenden Rohrabschnitt, dem ein Saugstrahlgebläse und ein Lufteinlaßtrichter zugeordnet sind. Durch eine seitliche Öffnung in der Wandung des Windkanals greift eine Halterung hindurch, mit der ein Objekt axial unverschiebbar im Luftstrom gehaltert werden kann. Oberhalb des Windkanals befinden sich zwei Meßgeräte. Das eine dient der Messung der Windgeschwindigkeit mit Hilfe eines im Luftstrom angeordneten Staukörpers. Das weitere dient der Fest­ stellung von Auf- und Abbewegungen des im Luftstrom befindlichen Objektes. Dieser bekannte Windkanal hat den Nachteil, daß das zu untersuchende Objekt in Bezug auf die Richtung des Luftstromes nur eine bestimmte Stellung einnehmen kann. Desweiteren ist dieses bekannte Gerät nicht für die Durchführung von Versuchen im offenen Luftstrom geeignet.

Aus der US 30 52 120 ist eine Einrichtung zur experimentellen Bestimmung der hydrodynamischen Eigenschaften von Schiffsmodellen bekannt. Sie umfaßt ein langes und schmales Wasserbecken, auf dessen Längsrändern sich ein Wagen über Schienen abstützt. Das zu untersuchende Modell hängt am Wagen. Der Wagen ist mit einem Antrieb ausgerüstet und bewegt das Modell durch die ruhende Flüssigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, daß sie die Durchführung einer Vielzahl von Versuchen sowohl im offenen als auch im geschlossenen Luftstrom zuläßt, einen didaktisch klaren Aufbau hat und deshalb insbesondere für den Einsatz im naturwis­ senschaftlichen Unterricht geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß sich die Schiene etwa parallel zum Luftstrom erstreckt daß an einem der Ständer ein Kraftmesser angeordnet ist, der der Messung der Kraft dient, die dem Luftwiderstand des Objektes entspricht, und daß das Meßgerät zur Messung mindestens der Auftriebskraft des Objektes nur die Auftriebskraft des Objektes mißt und am Wagen gehaltert ist. Die Maßnahme daß sich die Schiene etwa parallel zum Luftstrom erstreckt, ermöglicht eine definierte axiale Verschiebung der im Luftstrom befindlichen Objekte und damit die Einbeziehung der verschiedensten Druck- und Strömungsverhältnisse in die Versuchsreihen. Zusätzlich kann der Wagen der Halterung von Meßgeräten für die jeweils herrschenden Druck- und Strömungsverhältnisse dienen, so daß diese gleichzeitig mit den Wirkungen auf das im Luftstrom befindliche Objekt angezeigt werden können.

Für die Durchführung von Versuchen in einem geschlossenen Luft­ strom ist es zweckmäßig, dem Luftstrom eine rohrabschnittförmige Wandung zur Bildung des geschlossenen Windkanals zuzuordnen und diese Wandung mit einem sich parallel zur daran gehalterten Schiene erstreckenden Schlitz für den Durchgriff der Objekthalterung auszurüsten. Dadurch ist es möglich, sowohl das Objekt als auch Meßgeräte oder Meßsonden über die gesamte Länge des geschlossenen Luft­ stromes zu verschieben und dadurch im gesamten axialen Bereich Versuchsergebnisse aufnehmen zu können. Um die durch den Längsschlitz verursachte Störung des Luftstromes auf ein Minimum zu reduzieren, ist es zweckmäßig, Schiene, Schlitz und Wagen mit einer abnehmbaren durchsichtigen Haube abzudecken.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungs­ beispielen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht eines Ausführungsbeispieles. Sie ist modular aufgebaut und umfaßt die folgenden Module:
Einlaßtrichter 1 mit Ständer 2, Luftleittrichter 3 mit Ständer 4, Gebläse 5 sowie Rohrabschnitt 6, der einen geschlossenen Windkanal mit quadratischem Querschnitt bildet Rohrabschnitt 6 ist mittels der Rändelschrauben 7 an den Ständern 2, 4 befestigt. Die vier den Windkanal bildenden Wandungsteile bestehen - bis auf den Boden 8 - aus einem durchsichtigen Werkstoff. Der Boden 8 selbst ist abnehmbar ausgebildet, so daß er austauschbar ist. Das Gebläse 5 ruht auf einem Ständer 9, der so gestaltet ist, daß sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Anordnung des Luftstrom­ erzeugers auf diesem Ständer möglich ist.

Auf seiner Oberseite ist der den Windkanal bildende Rohr­ abschnitt 6 mit einer Doppelschiene 11 ausgerüstet, die sich parallel zur Längsachse des Windkanals und nahezu über seine gesamte Längsausdehnung erstreckt. Auf diesen Schie­ nen gleitet oder rollt reibungsarm der Wagen 12, der sowohl für die Halterung von Objekten im Luftstrom des Windkanals als auch zur Halterung von Sonden und Meßgeräten geeignet gestaltet ist. Als Beispiel für ein im Luftstrom gehaltertes Objekt 13 ist ein Fahrzeug­ modell 14 dargestellt. Es hängt an einem Träger 15, der durch einen sich zwischen den Schienen 11 erstreckenden Schlitz 16 hindurchgreift und am Wagen 12 mittels der Rändelschraube 17 befestigt ist. Der Träger 15 sowie weitere Objekte 13 (Scheiben unterschiedlicher Größe, Kugel, Halbkugel, Tropfenkörper) sind nochmals separat dargestellt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 saugt das Gebläse 5 die Luft durch den Einlaßtrichter 1 an. Im Windkanal 6 herrscht eine nur durch geringe Randstörungen beeinträchtigte gleichmäßige Strömung. Größere Beeinträchtigungen infolge des Vorhandenseins des Schlitzes 16 sind dadurch vermieden, daß Schiene 11, Wagen 12 und Schlitz 16 von einer Haube 19 abgedeckt sind. Vorzugsweise besteht diese ebenfalls aus durchsichtigem Werkstoff. Der Luftstrom im Windkanal 6 übt auf das Fahrzeugmodell 14 eine seinem Luftwiderstand ent­ sprechende Kraft aus. Um diese Kraft demonstrieren und messen zu können, ist auf der Oberseite des Ständers 2 ein Kraftmesser 18 befestigt, der über einen Seilzug 21 mit dem Wagen 12 in Verbindung steht. Die Haube 19 ist dazu auf der dem Kraftmesser 18 zugewandten Frontseite mit einem Schlitz 22 ausgerüstet.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ermöglicht in einfacher Weise die Messung und Demonstration des Luft­ widerstandes der verschiedensten Formkörper. Die Veränderung oder der Austausch der Formkörper kann in einfacher Weise von unten - nach dem Entfernen des Bodens 8 - vorgenommen werden. Zusätzlich ist die Meßstrecke durch den Einlaß­ trichter zugänglich.

Fig. 2 zeigt einen Teil eines anderen Ausführungsbeispieles für die erfindungsgemäße Einrichtung. Als Objekt 13 befindet sich im Windkanal 6 der Abschnitt eines Tragflügels 23, der an zwei gelenkig daran gehalterten Stangen 24 und 25 hängt. Auf dem Wagen 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Meßgerät 26 gehaltert, mit dem die vom Luftstrom auf den Tragflügel 23 ausgeübte Auf­ triebskraft gemessen werden kann. Dazu ist ein an einer Feder 27 aufgehängter Träger 28 vorgesehen, an dem die Stangen 24, 25 einzeln in ihrer Höhe (zwecks Einstellung des Anstellwinkels) mittels der Rändelschrauben 31, 32 arretierbar sind. Der federnd aufgehängte Träger 28 weist eine Lasche 33 auf, der ein Zeiger 34 zugeordnet ist. Auf der nur teilweise dargestellten Skala 35 zeigt der Zeiger 34 die Auftriebskraft an. Ein auf dem Wagen 12 befestigter Aufsatz 36 aus durchsichtigem Material dient der Halterung des Trägers 28 und der Anlenkung des Zeigers 34. Die Skala 35 ist auf der Oberfläche des Aufsatzes 36 angebracht.

Mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann nicht nur die Auftriebskomponente bei dem Tragflügel 23 demonstriert werden. Wie in Fig. 1 dargestellt und dazu beschrieben, ist der Wagen 12 wieder über den Seilzug 21 mit dem Kraftmesser 18 verbunden, so daß die gleichzeitige Messung des Luftwiderstandes möglich ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist an Stelle eines ebenen Bodens 8 ein nach innen nach Art eines Venturi­ profils ausgeformter Boden 38 vorgesehen. Um den Einfluß einer solchen Formgebung auf die Luftströmung messen zu können, ist am Wagen 12 eine durch den Schlitz 16 in den Windkanal 6 hineinragende Meßsonde 39 höhenverstell­ bar befestigt. Die Meßsonde 39 umfaßt zwei Röhrchen, die gegen die Strömungsrichtung abgebogen sind. Das eine der Röhrchen ist vorn offen und dient der Messung des Stau­ druckes. Das weitere Röhrchen ist an seinem der Luft­ strömung zugewandten Ende geschlossen und weist eine seitliche Öffnung zur Messung des Lateraldruckes auf. Oberhalb des Wagens 12 sind die beiden Röhrchen über die Schläuche 41 und 42 mit einem Mikromanometer 43 ver­ bunden. Dieses umfaßt eine auf einer Tafel 44 befestigte, aus durchsichtigem Material bestehende Schlaufe 45, die teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Mittels einer auf der Tafel 44 vorgesehenen Skala können die Meßwerte abgelesen werden.

Dem gewölbten Boden 38 ist eine Vorrichtung 46 zur qualita­ tiven Darstellung des Druckverlauf s im unmittelbaren Be­ reich der Oberfläche zugeordnet. Dazu ist der Boden 38 mit einer Mehrzahl sich senkrecht zur Längsachse des Wind­ kanals 6 erstreckenden Bohrungen 48 ausgerüstet, an die die Schläuche 49 anschließbar sind. Die Schläuche 49 enden in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter 51 der Vorrichtung 46, also einem Multimykromanometer. Die Höhe der Flüssigkeitssäulen in den einzelnen Schläuchen 49 zeigt qualitativ die Druckverhältnisse an. Zum Zwecke quantitati­ ver Messungen können die Schläuche 41, 42 des Mykromano­ meters 43 an die Bohrungen 48 angeschlossen werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Untersuchung von Vorgängen in einem offenen Luftstrom. Der Luftstrom­ erzeuger 12 bläst gegen einen Tragflügelabschnitt 23, der - wie zu Fig. 2 beschrieben - aufgehängt ist. Zur Halterung des Meßgerätes 26 dient wieder der Wagen 12, der auf einer separaten Schiene 53 gehaltert ist. Diese Schiene 53 erstreckt sich etwa parallel und außerhalb zum erzeugten Luftstrom und ist an der dem Luftstrom­ erzeuger 5 vorgelagerten Düse 3 befestigt. Das freie Ende der Schiene 53 ist in nicht näher dargestellter Weise z. B. mittels eines Stativs gehaltert. Die Schiene ermög­ licht die Arbeit mit dem Wagen und Zubehör wie beim Windkanal.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Durchführung aeromechanischer oder aerody­ namischer Versuche mit einem Luftstromerzeuger (5), mit einer Schiene (11, 53), die sich auf Ständern (2, 4) ab­ stützt, mit einem auf der Schiene verschieb- und fest­ stellbaren Wagen (12), der der Aufhängung von Objekten (13) im Luftstrom dient, und mit einem Meßgerät außerhalb des Luftstromes zur Messung mindestens der Auftriebskraft des Objektes (13), dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schiene (11, 53) etwa parallel zum Luftstrom erstreckt, daß an einem der Ständer (2, 4) ein Kraftmesser (18) angeordnet ist, der der Messung der Kraft dient, die dem Luftwiderstand des Objektes entspricht, und daß das Meßgerät (26) zur Messung mindestens der Auftriebskraft des Objektes (13) nur die Auftriebskraft des Objektes (13) mißt und am Wagen (12) gehaltert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schiene (11) und Wagen (12) oberhalb des Luftstromes ange­ ordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Durchführung von Versuchen im offenen Luftstrom, dadurch gekennzeichnet, daß eine separate Schiene (53) am Luftstromerzeuger (5) oder an einem dem Luftstromerzeuger zugeordneten Luftleittrichter (3) befestigt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftstrom eine rohrabschnittförmige Wandung (6) zur Bildung einer geschlossenen Meßstrecke zugeordnet ist und daß diese Wandung mit einem sich parallel zur Schiene (11) erstreckenden Schlitz (16) für den Durchgriff der Objekthalterung ausgerüstet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Schiene (11), den Wagen (12) und den Schlitz (16) abdeckende, abnehmbare Haube (19) aus durchsichtigem Mate­ rial vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (6) einen quadratischen Querschnitt aufweist und daß der Boden (8, 38) dieses Abschnittes lösbar und damit austauschbar ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine modulare Bauweise.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit einem Ständer (2) ausgerüsteten Lufteinlaßtrichter (1), die die geschlossene Meßstrecke bildende rohrabschnittförmige Wandung (6) mit der Schiene (11), die separate Schiene (53), den mit einem Ständer (4) ausgerü­ steten Luftleittrichter (3) und den Luftstromerzeuger (5) als Module umfaßt.