DE3837723A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der umwandlung von kinetischer in potentielle energie und umgekeht - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie und umgekehrt.

Die reversible Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie und umgekehrt ist bekannt. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Vorgang, nach dessen Ablauf der Anfangszustand der Energiesumme vollständig wiederhergestellt ist und in dessen Umgebung auch keine Veränderungen eingetreten sind. Wenn aber ein solcher Vorgang nicht vollständig umkehrbar ist, so bezeichnet man einen derartigen Vorgang irreversibel.

Potentielle und kinetische Energie sind Energieformen der Mechanik, wobei die kinetische Energie gleich ist dem halben Produkt aus Masse und Quadrat der Geschwindigkeit eines Körpers. Potentielle Energie kann man mittels bekannter Vorrichtungen, Apparaten, Motoren und Maschinen, die zum Stand der Technik gehören, in kinetische Energie umwandeln. Ein Musterbeispiel für die Umwandlung ist z. B. das bekannte Pendel, das periodisch und perfekt reversibel potentielle in kinetische Energie und umgekehrt umwandelt.

Beim Zusammenprall bspw. eines Personenwagens mit einem Hindernis wird ein großer Teil seiner kinetischen Energie in potentielle Energie umgesetzt, indem die potentielle Energie in der Stoßstange und in den gebogenen Bauteilen der gesamten Karosserie gespeichert wird. Es ist also von großer Bedeutung, daß die Hersteller von Personenwagen die Karosserie des Wagens so berechnen, daß bei einen Verkehrsunfall der größte Teil der kinetischen Energie in potentielle Energie umwandelt und diese in den verbogenen Bauteilen des Wagens gespeichert wird. Es ist heute üblich, daß Konstrukteure von Personenwagen, Eisenbahnwagen, von Aufzügen für Wohnhäuser, von Flugzeugen u. dgl. stets die Summe aus potentieller und kinetischer Energie bei jeder Bedingung als konstant betrachten, d. h., sie legen ihren Berechnungen den bekannten reversiblen Umwandlungsvorgang zugrunde. Der irreversible Umwandlungsvorgang ist bis jetzt unbekannt.

Der derzeitige Stand der Technik bietet kein Verfahren und keine Vorrichtung an, mit denen man in der Lage wäre, die irreversible Energieumwandlung zu messen und rechnerisch quantitativ zu erfassen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung derart zu schaffen, daß die Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie mit einem minimalen Meßfehler gemessen werden kann und die numerischen Daten der kinetischen Energie bei größerer Geschwindigkeit der Masse mit den numerischen Daten der kinetischen Energie bei kleinerer Geschwindigkeit der Masse quantitativ vergleichbar sind.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst und bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 5. Spezielle Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Die kinetische Energie einer Masse ist bekannterweise wie folgt definiert:

worin
m = Masse in kg
v = Geschwindigkeit in m/s

Gleichung I und andere Bewegungsgleichungen lassen ohne weiteres erkennen, daß die kinetische Energie bei größerer Geschwindigkeit viel rascher zunimmt als bei einer kleineren Geschwindigkeit der Masse.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung wird der größere Betrag an Energie bei einer höheren Geschwindigkeit der Masse in mindestens zwei Teile geteilt, wonach diese beiden Teile getrennt voneinander bei einer niedrigeren Geschwindigkeit an die Masse übertragen werden. Bei einem solchen physikalischen Vorgang setzt man sozusagen den größeren Energiebetrag an die Stelle des kleineren Energiebetrages.

Im technischen Sinne geschieht dies, wenn z. B. eine Masse mit größerer Geschwindigkeit auf zwei parallel angeordnete Federn stößt und dabei die kinetische Energie in potentielle Energie umwandelt, diese dabei aber in zwei Teile teilt, d. h., in jeder Stahlfeder ist ein halber Energiebetrag vorhanden. Danach wird jede Feder einzeln gegen die ursprüngliche Masse entspannt, d. h., der Energieumwandlungsvorgang wird zweimal durchgeführt. Beim ersten Mal wird der erste halbe Betrag der potentiellen Energie in kinetische Energie umgewandelt und danach wird der zweite halbe Betrag in kinetische Energie der gleichen Masse umgesetzt. Der halbe Energiebetrag beschleunigt die ursprüngliche Masse selbstverständlich zu einer kleineren Geschwindigkeit als der volle Betrag. Gerade dieser Vorgang wird von der Vorrichtung gemäß der Erfindung quantitativ demonstriert. Nicht zuletzt vermittelt ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung neues Wissen über die Energie der Bewegung.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren und die Vorrichtung sind für die technische Mechanik und für die Energieindustrie wirtschaftlich wertvoll und dienen den in den entsprechenden Fachgebieten tätigen Technikern als neue Methode zur Berechnung von Energieumwandlungsvorgängen. Nicht zuletzt vergrößert das hier beschriebene Verfahren das Wissen, hauptsächlich, in der Definition der von Leipniz angesprochenen QUANTITAS MOTUS (Bewegungsmenge). Ferner überbrückt dieses neue Wissen die Kluft zwischen der bekannten Newton-Mechanik und der Relativistischen Mechanik, die von der Relativitätstheorie definiert wurde.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 in Seitenansicht das physikalische Prinzip eines Viertelperiode-Pendels mit zwei nebeneinander angeordneten Stahlfedern als Energiespeicher;

Fig. 2 in Seitenansicht das physikalische Prinzip eines Fallgerätes mit fünf nebeneinander angeordneten Stahlfedern als Energiespeicher und

Fig. 3 in Seitenansicht das physikalische Prinzip eines horizontalen Schiebergerätes mit zwei nebeneinander angeordneten Stahlfedern als Energiespeicher.

Zunächst sei das physikalische Prinzip der Vorrichtung auf Basis eines Viertelperiode-Pendels gemäß Fig. 1 erläutert.

Der Pendelarm L mit der Pendelmasse 1 schwingt nicht im regelmäßigen Wechsel von einem Umkehrpunkt zum anderen, wie dies bekannte Pendel tun. Der Pendelarm L läßt die Masse (M) 1 nur um eine Viertelperiode bewegen. Zu Beginn des ersten Energieumwandlungszyklus wird die Masse (M) 1 auf die ausgewählte Höhe H gehoben. Durch diese eingebrachte Arbeit hat die Masse 1 eine potentielle Energie von E _p = M g H. Diese potentielle Energie E _p ist die Anfangsenergie. Nach dem Freilassen fällt die Masse 1 zum tiefsten Punkt am Kreisbogen, d. h. in Ruhelage 2, die in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist und in der die Masse 1 die größte kinetische Energie E _k erreicht, die sich dann wieder in potentielle Energie umsetzt, wenn Masse 1 auf die zwei Stahlfedern 3, 4 stößt, die dabei ein Stück zusammengedrückt werden, wobei die kinetische Energie E _k als potentielle Energie E _p in den Stahlfedern 3, 4 in zwei Teilbeträgen gespeichert wird. Nach dem Stoß blockieren Schließungsmechanismen 6, 7 und 6′, 7′ die Federn 3, 4 in der zusammengedrückten Position. Die Schließungsmechanismen bestehen aus Zahnstangen 7, 7′ und Verrastungssperren 6, 6′. Die Stahlfedern 3, 4 sind, wie ersichtlich, an einem zum Gestell 9 gehörenden Halter 5 befestigt. Am Gestell 9 ist mit einem Gelenk 8 der Pendelarm L mit der Pendelmasse 1 aufgehängt. Die Höhe H, zu der die Masse 1 zu Beginn des Zyklus gehoben wurde, wird durch Messungen des Winkels α an der Skala 10 und dann mittels Gleichung II errechnet:

H = L - (L cosα ) (II)

worin
L = Länge des Pendelarms in m
α = Winkel zwischen Pendelarm L und Ruhelage 2

Die Anfangsenergie der Masse 1 ist nun als potentielle Energie in zwei Beträgen gespeichert, d. h., der erste Teil in Feder 3 und der zweite Teil in Feder 4.

Hiernach folgt der irreversible Energieumwandlungsvorgang. Der erste halbe Teilbetrag der potentiellen Energie wird von Feder 3 an Pendelmasse 1 übertragen und damit wieder in kinetische Energie umgewandelt. Dies geschieht, wenn der Schließungsmechanismus 6, 7 für die Feder 3 geöffnet wird und die Feder 3 sich zur Masse 1 entspannt, die sich dadurch aus der Ruhelage 2 zu einer bestimmten Höhe h₁ bewegt. An der Skala 10 wird der Winkel α₁ registriert und danach die Höhe h₁ durch Gleichung II ermittelt. Nachdem der Umkehrpunkt in Höhe h₁ erreicht ist, kehrt die Masse 1 zurück, stößt auf die ausgedehnte Feder 3 und der Schließungsmechanismus 6, 7 verrastet wieder die Feder 3. Danach erfolgt der gleiche Vorgang für die Feder 4, und mit dem dabei ermittelten Winkel α₂ wird mit Gleichung II die Höhe h₂ errechnet.

Die Vorrichtung in Fig. 1 zeigt nur zwei Stahlfedern 3, 4. Es ist jedoch auch möglich, eine Vielzahl von Federn am Halter 5 anzuordnen und dadurch die Anfangsenergie der Masse 1 in so viele Teile zu teilen wie Federn an Säule 5 vorhanden sind. Selbstverständlich muß man dann den irreversiblen Vorgang so viele Male wiederholen wie Federn am Halter 5 angebracht sind.

Nach dem bekannten reversiblen Energieumwandlungsvorgang ist zu erwarten, daß die Summe von Höhe h₁ + h₂ die gleiche ist wie die ursprüngliche Höhe H der Masse 1 zu Beginn des Zyklus. Die in Tabelle 1 aufgeführten experimentellen Daten beweisen jedoch, daß dies nicht der Fall ist. Die Summe von h₁ + h₂ ist größer als die ursprüngliche Höhe H.

Die experimentellen Daten in Tabelle 1 sind in drei Reihen aufgeteilt. Jede Reihe präsentiert einen Test, der mit der Vorrichtung in Fig. 1 durchgeführt wurde. Die Daten vom ersten Versuch sind mit zwei Stahlfedern 3, 4 mittels der Vorrichtung in Fig. 1 ermittelt worden. Die Summe von h₁ + h₂ betrug beim ersten Test 0,659 m. Die ursprüngliche Höhe H war jedoch nur 0,543 m. Der experimentelle Fehler bei diesem Test lag nur bei 3,4%.

Versuch Nr. 2 in Tabelle 1 zeigt, daß drei Federn als Energiespeicher benutzt wurden. Die Summe von h₁ + h₂ + h₃ = 0,847 m, und die ursprüngliche Höhe H war nur 0,619 m.

Der dritte Versuch wurde mit vier Federn durchgeführt. Die experimentellen Beispiele in Tabelle 1 sowie andere Daten zeigen, daß die Summe von h₁ + h₂ . . . + h _n gegenüber der ursprünglichen Höhe H um steigt, worin n für die Anzahl von Federn steht, die am Halter 5 angebracht sind. Gleichung III zeigt diese Beziehung quantitativ:

Die Anfangsenergiesumme E _p₁ in Tabelle 1 ist die potentielle Energie, welche die Masse 1 zu Beginn des ersten Umwandlungszyklus durch die hochgehobene Masse erhalten hat. Diese Energie wurde mittels der bekannten Gleichung IV berechnet:

E _p₁ = M g H (IV)

Die potentielle Energie E _p₂, die am Ende des ersten Umwandlungszyklus vorhanden ist, ergibt sich nach folgender Gleichung:

E _p₂ = M g (h₁ + h₂ . . . + h _n ) (V)

die in allgemeiner Form wie folgt lautet:

Ein solcher Energieumwandlungszyklus ist selbständig und man kann ihn bis zur Unendlichkeit wiederholen. Daß dieser Energieumwandlungszyklus irreversibel ist, demonstrieren quantitativ die mathematischen Gleichungen III, V und VI.

Die Daten in Tabelle 1 zeigen, daß die Energie E _p₂ größer ist als die Anfangsenergie E _p₁ und es scheint, als ob die Vorrichtung gemäß Fig. 1 selbst ein Energieerzeuger wäre, d. h., ein Perpetuum Mobile. Aus den Daten in Tabelle 2 wird jedoch deutlich, daß dies nicht der Fall ist. Tabelle 2 zeigt die experimentellen Daten, die beim zweiten Energieumwandlungszyklus gemessen wurden. Der zweite Zyklus verläuft in entgegengesetzter Richtung zum ersten Zyklus. Beim zweiten Umwandlungszyklus wurde zu Beginn in jeder Stahlfeder getrennt ein bestimmter Energiebetrag gespeichert. Dies geschieht, wenn Masse 1 in Fig. 1 aus der ausgewählten Höhe h₁ gegen die Feder 3 stößt und der Schließungsmechanismus 6, 7 die Feder 3 verrastet. Vorher wird jedoch die Feder 4 so zusammengedrückt, daß der Pendelarm L mit der Masse 1 nicht gleichzeitig auf die Feder 4 stoßen kann. Danach wird die Masse 1 auf die ausgewählte Höhe h₂ gehoben, wobei die Feder 4 wieder freigegeben ist. Anschließend stößt die Masse 1 aus der Höhe h₂ gegen die Feder 4, die vom Schließungsmechanismus 6′, 7′ verrastet wird. Bei diesen zwei unabhängigen Stößen wird in den Federn 3, 4 eine bestimmte Menge an potentieller Energie gespeichert, die mittels Gleichung IV berechnet wird. Die Pendelmasse 1 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in der Ruhelage 2. Wenn die Verrastungssperren 6, 6′ an beiden Federn 3, 4 gleichzeitig gelöst werden, entspannen sich beide Federn gleichzeitig gegen die Pendelmasse 1, und der Pendelarm L mit der Masse 1 bewegt sich aus der Ruhelage 2 bis zum Umkehrpunkt in Höhe H. Die Höhe H wird wieder mittels Gleichung II berechnet.

Tabelle 2 zeigt drei Beispiele der auf diese Weise gemessenen Daten. Die Summe von h₁ + h₂ beim Versuch mit zwei Federn betrug 0,646 m, wobei jedoch die errechnete Höhe H nach Ausdehnung beider Federn 3, 4 nur 0,496 m betrug. Dies bedeutet, die Höhe H ist kleiner als die Summe von h₁ + h₂. Dieser Versuch zeigt, daß der kleinere Energiebetrag bei niedriger Geschwindigkeit der Masse an die Stelle des größeren Energiebetrages bei höherer Geschwindigkeit der Masse tritt. Die weiteren zwei Versuche in Tabelle 2 zeigen ähnliche quantitative Beziehungen.

Die experimentellen Daten in den Tabellen sowie andere Daten zeigen, daß die folgende Gleichung VII die Höhe H der Pendelmasse 1 nach Beendigung dieses zweiten Energieumwandlungszyklus definiert:

Die potentielle Energie E _p₃ ist von h₁ + h₂ . . . h _n nach Gleichung V und die potentielle Energie E _p₄ nach Gleichung IV errechnet. Die Resultate in Tabelle 2 zeigen, daß die potentielle Energie E _p₄ kleiner ist als die potentielle Energie E _p₃. Auf dem ersten Blick hat es infolge der ermittelten Daten in Tabelle 2 den Anschein, als wenn die Vorrichtung in Fig. 1 ein Energieverbraucher ist, also das Gegenteil eines Perpetuum Mobiles. Es entspricht jedoch nicht den Tatsachen, daß die Daten in Tabelle 1 den Nachweis für einen Energieerzeuger und die Daten in Tabelle 2 den Nachweis für einen Energieverzehrer erbringen. Wenn man nämlich die Energien in Tabelle 1 mit denen in Tabelle 2 vergleicht, dann ist die Energiebilanz zwischen den zwei Zyklen absolut ausgeglichen: E _p₁ + E _p₃ = E _p₂ + E _p₄. Warum ist dann aber am Ende des ersten Zyklus die Summe von E _p₂ größer als die Energiesumme von E _p₁? Diese Tatsache ist bereits durch Gleichung I von Helmholtz geklärt, welche die Energie der Bewegung definiert. Gleichung I zeigt deutlich, daß pro ausgewählter Einheit der Geschwindigkeit bei größerer Geschwindigkeit der Masse der Energiebetrag größer ist als bei kleinerer Geschwindigkeit der Masse. Also: Der größere Energiebetrag wird von der größeren Geschwindigkeit der Masse erzeugt und wird nicht aus nichts erzielt. Beim Perpetuum Mobile soll hingegen Energie aus nichts erzeugt werden. Der zweite Zyklus läßt erkennen, daß E _p₄ kleiner ist als E _p₃. E _p₄ ist der Energiebetrag, der sich für die Masse bei kleinerer Geschwindigkeit ergibt und E _p₃ ist der Energiebetrag der Masse bei größerer Geschwindigkeit. Wenn diese zwei ungleichen Energiebeträge durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ausgetauscht werden, dann heißt das auf keinen Fall, daß ein Perpetuum Mobile vorliegt, sondern die Vorrichtung bietet die Möglichkeit, jene zwei ungleichen Energiebeträge auszutauschen, wodurch der Energieumwandlungsvorgang irreversibel wird. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist also imstande, den größeren Energiebetrag sozusagen anstelle des kleineren Energiebetrages zu bringen. Ein Äquivalent zwischen jenen beiden Energiebeträgen ist selbstverständlich weder bei dem ersten noch bei dem zweiten Umwandlungszyklus vorhanden. Obwohl diese Tatsache aus der Leipniz- Huygens-Helmholtz-Gleichung der kinetischen Energie klar hervorgeht, ist bis heute keine ähnliche Vorrichtung vorgeschlagen und bis jetzt ist ein solches Energieumwandlungsverfahren nirgendwo in der Literatur beschrieben worden.

Die in Fig. 2 als Fallgerät dargestellte Vorrichtung stellt eine andere Alternative der irreversiblen Umwandlung von kinetischer Energie bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Masse dar und läßt erkennen, daß am Gestell 11 zwei vertikale Führungsstangen 12 angeordnet und mit einer Traverse 13 verbunden sind. An einer Schiebestange 14 sind Federn 15 horizontal verschieblich angeordnet und eine Masse 16 ist an einem Querarm 17 befestigt, der an beiden Enden Führungen 18 aufweist, die an den Stangen 12 geführt sind. Eine Stoßstange 19 sitzt mit einer Achse 20 mittig an der Masse 16, d. h., vertikal unter dem Schwerpunkt der Masse 16.

Zu Beginn des ersten Umwandlungszyklus wird der gesamte Fallkörper 16, 17, 18, 19, 20 bis zur Höhe H angehoben, die an der Skala 22 ablesbar ist. Die Stoßstange 19 befindet sich beim Stoß, wie in Fig. 2 dargestellt, in Parallellage mit der Schiebestange 14. Aus der Höhe H fällt der gesamte Fallkörper 16-20 vertikal nach unten und stößt mit der Stange 19 auf die fünf nebeneinander angeordneten Federn 15. Wenn die gesamte kinetische Energie des Fallkörpers 16-20 in potentielle Energie umgesetzt ist, dann blockieren die Schließungsmechanismen 6, 7, die an jeder Feder 15 vorgesehen sind, jede Feder im zusammengedrückten Zustand. Die Anfangsenergie des gesamten Fallkörpers 16-20 wird nach einem solchen Stoß in fünf Teile geteilt und als potentielle Energie in den Federn gespeichert. Bis dahin ist die Energieumwandlung absolut reversibel. Im Nachfolgenden wird der irreversible Umwandlungsvorgang beschrieben:

Der Fallkörper 16-20 wird nur etwas hochgehoben, und die Stoßstange 19 wird um 90° um die Achse 20 gemäß Pfeil 21 gedreht. In dieser Position wird die Stoßstange mit geeigneten, hier nicht dargestellten Mitteln fixiert. Danach wird die Feder 15′ an den Schiebestangen 14 so verschoben, daß nur sie allein direkt unter der Achse 20 steht. Die anderen Federn 15 werden, wie durch Pfeile 23 angedeutet, beiseitegeschoben. Anschließend wird Fallkörper 16-20 behutsam auf die Feder 15′ gelegt, und die Verrastungssperre 6 an dieser Feder wird gelöst, wobei die Feder 15′ den Fallkörper 16-20 nach oben stößt. Durch die entsprechende Beschleunigung erreicht der Fallkörper 16-20 die Höhe h₁, die an der Skala 22 abgelesen wird. Danach fällt der Fallkörper 16-20 zurück, stößt gegen die ausgedehnte Feder 15′ und der Schließungsmechanismus 6, 7 blockiert die Feder wieder in der Position, die der in ihr gespeicherten potentiellen Energie entspricht. Danach wechselt man wieder die Position der Federn 15, d. h., beispielsweise wird die Feder 15″ in gleicher Weise in die zentrale Position gebracht, in der vorher die Feder 15′ war. Danach wird der Blockierungsmechanismus 6, 7 der Feder 15″ gelöst und die Feder 15″ beschleunigt den Fallkörper 16-20 bis zur Höhe h₂. Nach diesem Vorgang wechselt man die dritte, dann die vierte und schließlich die fünfte Feder in die zentrale Position und nach Messung der Höhen h₃, h₄, h₅ ist der gesamte Umwandlungszyklus beendet.

Nach diesen Messungen errechnet man mittels Gleichung IV die Anfangsenergie E _p₁ des gesamten Fallkörpers 16- 20, der zu Beginn des Zyklus auf die Höhe H gehoben wurde. Die potentielle Energie, die am Ende des ersten Zyklus vorhanden ist, wird mittels Gleichung V oder mittels Gleichung VI berechnet.

Die mit dem Fallgerät in Fig. 2 erzielten Ergebnisse weisen den irreversiblen Energieumwandlungsvorgang genauso präzise nach wie die mit dem Viertelperiode-Pendel in Fig. 1 gemessenen Daten. Dies gilt gleichfalls für Messungen beim zweiten Energieumwandlungszyklus, den man genauso durchführt wie mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Man erhält dann selbstverständlich ähnliche Daten wie in Tabelle 2. Die Geräte gemäß Fig. 1, 2 sind dem physikalischen Prinzip nach ähnlich und beide Geräte bestätigen die allgemeine Gültigkeit der Gleichungen III, V und VI.

Eine weitere Ausführungsform, die eine andere Alternative zeigt, um die irreversible Energieumwandlung quantitativ zu messen, ist in Fig. 3 verdeutlicht, die in horizontaler Richtung die kinetische Energie eines Körpers in potentielle Energie umwandelt. Die potentielle Energie wird auch hier in mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Federn gespeichert. Bei dieser Ausführungsform ist an zwei parallelen Führungsstangen 24 des Gestelles 32 ein Schieber angeordnet. An der Querstange 26 ist eine kugelförmige Masse 25 befestigt. Führungen 27 halten die Querstange 26 an den Führungsstangen 24. Eine Achse 28 an der Masse 25 hält die Stoßstange 29. In der Feder 33 wird am Anfang des Umwandlungszyklus eine bestimmte Menge an potentieller Energie gespeichert. Danach und wenn die Verrastungssperre 34 gelöst wird, setzt die Feder 33 den Schiebekörper (25-30) in Pfeilrichtung 38 in horizontale Bewegung. Die Geschwindigkeit V des Körpers (25-30) wird mittels optischer Sensoren 36, 37 in bekannter Weise gemessen. Die Sensoren 36, 37 registrieren die Zeit, die benötigt wird, um den Weg zwischen den Sensoren 36, 37 zurückzulegen. Dafür ist am Schiebekörper ein Geber 30 befestigt, der sich an den Sensoren 36, 37 vorbeibewegt. Wenn die Stoßstange 29 auf beide Federn 39, 40 stößt, beginnt die Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie und die Federn 39, 40 schließen den Blockierungsmechanismus 6, 7 gerade dann, wenn die Geschwindigkeit V Null ist. Der Schließungsmechanismus 6, 7 an den Federn 39, 40 ist von gleicher Art wie an den Vorrichtungen gemäß Fig. 1, 2. Nach einem solchen Stoß ist in jeder Feder 39, 40 ca. 50% der ursprünglichen Energie des Schiebekörpers 25-30 gespeichert.

Der irreversible Energieumwandlungsvorgang beginnt, wenn die potentielle Energie der Feder 39 in kinetische Energie des Schiebekörpers (25-30) umgesetzt wird. Dies erfolgt, wenn die Feder 39 an der Schiebestange 41 genau gegen die Achse 28 plaziert ist. Die Feder 40 wird zunächst, wie durch Pfeil 42 angedeutet, nach oben geschoben und die Stoßstange 29 wird 90° um die Achse 28 in Pfeilrichtung 31 gedreht. In dieser Position wird die Stoßstange 29 fixiert, was in Fig. 3 nicht dargestellt ist. Nach dieser Vorbereitung ist die Feder 39 zentral gegen die gesamte Masse des Schiebekörpers (25-30) gerichtet. Der Schließungsmechanismus 6, 7 an der Feder 39 wird geöffnet und die gespannte Feder 39 entspannt sich, wodurch der Schiebekörper 25-30 bis zu der Geschwindigkeit v₁ beschleunigt wird, die abermals von den optischen Sensoren 36, 37 registriert wird. Am linken Ende der Vorrichtung stößt der Schiebekörper (25-30) auf die Feder 33 und verbleibt nach Schluß der Verrastung 34, 35 im Stillstand, d. h., die erste Hälfte der potentiellen Energie ist in kinetische Energie umgesetzt.

Nach diesem Vorgang wird die Feder 39 in Pfeilrichtung 42 an der Schiebestange 41 nach oben geschoben und die Feder 40 wird zentral zur Achse 28 in Stellung gebracht. Jetzt ist die Feder vorbereitet, ihre potentielle Energie an den Schiebekörper (25-30) zu übertragen. Dies geschieht, wenn Schiebekörper (25-30) von Hand von links nach rechts bis zum Kontakt mit der Feder 40 verschoben wird. Anschließend läßt man die Feder 33 sich vorsichtig ausdehnen. Nun ist das Gerät in Fig. 3 vorbereitet, die anderen 50% der potentiellen Energie in kinetische Energie des Schiebekörpers (25-30) umzusetzen. Dieser Vorgang verläuft genau wie der für die Feder 39 beschriebene. Bei diesem zweiten Vorgang wird mit den optischen Sensoren 36, 37 die Geschwindigkeit v₂ des Schiebekörpers (25-30) registriert. Nach dem Stoß des Schiebekörpers (25-30) auf die Feder 33 endet der irreversible Energieumwandlungszyklus. Nach Beendigung des ersten Umwandlungszyklus mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 3 folgt zunächst die Berechnung der kinetischen Energie E _k₁ des Schiebekörpers (25-30) zu Beginn des Umwandlungszyklus gemäß Gleichung I.

Die gesamte kinetische Energie E _k₂ des Schiebekörpers (25-30) nach Beendigung des ersten Umwandlungszyklus wird mittels Gleichung VIII errechnet:

worin
v₁, v₂ . . . v _n = die Geschwindigkeit des Körpers 25-30 gemessen nach der Ausdehnung der Federn 39 und 40 und weiterer Federn bis zur Zahl n.
n = Anzahl der Federn an den Schiebestangen 41.

Die kinetische Energie E _k₂ nach Beendigung des ersten Umwandlungszyklus wird mit der allgemeinen Gleichung IX berechnet:

worin
V = Geschwindigkeit des Körpers (25-30) in m/s zu Beginn des Energieumwandlungszyklus.

Die in diesem ersten Umwandlungszyklus gemessenen Daten zeigen dieselbe quantitative Beziehung zwischen V und v₁, v₂ . . . v _n, wie die Beziehung zwischen H und h₁, h₂ . . . h _n, die im ersten Umwandlungszyklus mittels der Vorrichtung in Fig. 1 gemessen wurden.

Der zweite Energieumwandlungszyklus verläuft auch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 entgegengesetzt zum ersten Zyklus. Die gesamte Energie E _k₃ zu Beginn des zweiten Zyklus ist mittels Gleichung I berechnet worden. Die gesamte Energie E _k₄ nach Beendigung des zweiten Zyklus wird mit folgender Gleichung X errechnet:

Die im zweiten Umwandlungszyklus gemessenen Daten zeigen dieselbe quantitative Beziehung zwischen der kinetischen Energie E _k₃ am Anfang und der kinetischen Energie E _k₄ am Ende des Zyklus wie die Beziehung zwischen E _p₃ und E _p₄ in Tabelle 2, deren Daten mittels der Vorrichtung in Fig. 1 gemessen wurden.

Die drei in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen machen deutlich, daß der erste und der zweite Energieumwandlungszyklus irreversibel sind. Mit diesen Vorrichtungen kann man also einfach experimentell nachweisen, daß beim ersten Umwandlungszyklus keine Energie aus nichts erzeugt wird. Man überträgt lediglich den real existierenden größeren kinetischen Energiebetrag der Masse bei größerer Geschwindigkeit zur gleichen Masse bei niedrigerer Geschwindigkeit. Beim zweiten Energieumwandlungszyklus erfolgt das Gegenteil. In beiden Energieumwandlungszyklen wird weder Energie erzeugt noch verzehrt. Dafür liefern die bekannte Hemholtz- Gleichung I und die mittels der Vorrichtung in Fig. 1, 2 und 3 gemessenen experimentellen Daten den Beweis.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung der Umwandlung kinetischer in potentielle Energie und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet,
daß die kinetische Energie einer Masse bei größerer Geschwindigkeit in mindestens zwei nebeneinander angeordneten Speichern als potentielle Energie, in mindestens zwei Beträge geteilt, gespeichert wird und
die so getrennt gespeicherten Beträge potentieller Energie danach in mindestens zwei getrennten Energieumwandlungsvorgängen in kinetische Energie der gleichen Masse umgesetzt und die Bewegungsausgangs- und -endwerte der Bewegungsvorgänge gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse nach Art eines Viertelperioden-Pendels bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse nach Art eines Fallkörpers bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse nach Art eines Horizontalschiebers bewegt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Gestell im Stellweg der Masse mindestens zwei wechselweise in bezug auf die Masse in Stellung bringbare kompressible Energiespeicher angeordnet und diese mit lösbaren Verrastungssperren ausgestattet und daß am Gestell Meßelemente angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (1) am Gestell (9) mit einem Pendelarm (L) auslenkbar angeordnet ist und
daß am Gestell (9) ein Halter (5) unter dem Pendelarmgelenk (8) vorgesehen ist und an diesem die mindestens zwei kompressiblen Energiespeicher in Form von Federn (3, 4) im Stellweg des Pendelarmes (L) angeordnet sind, wobei jede Feder (3, 4) mit einer lösbaren Verrastungssperre (6, 7) versehen und längs des Pendelarmstellweges eine Ableseskala (10) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (16) am Gestell (11) als vertikal geführter Fallkörper angeordnet ist und daß am Gestell (11) unter dem Fallkörper horizontal stellungsverschieblich mindestens zwei kompressible Energiespeicher in Form von Federn (15) im Fallweg des Fallkörpers angeordnet sind, wobei jede Feder (15) mit einer lösbaren Verrastungssperre (6, 7) versehen und längs des Fallweges am Gestell eine Ableseskala (22) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (25) am Gestell (32) als horizontal geführter Schieber ausgebildet ist, und daß an einer Seite des Gestelles ein auslösbarer Energiegeber und auf der anderen Seite, ebenfalls im Stellweg des Schiebers angeordnet und vertikal stellungsverschieblich mindestens zwei kompressible Energiespeicher in Form von Federn (39, 40) angeordnet sind, wobei jede Feder (39, 40) mit einer lösbaren Verrastungssperre (6, 7) versehen ist und längs des Schieberstellweges, beabstandet voneinander, Sensoren (36, 37) angeordnet sind.