FLÜSSIGKEITEN In Flüssigkeiten sind die Moleküle frei verschiebbar, aber sie haben keine Volumselastizität (inkompressibel) HYDROSTATIK (ruhende Flüssigkeiten) Die Oberfläche einer Flüssigkeit steht stets normal auf die resultierende Kraft. Die Kraft kann zerlegt werden in eine Komponenete normal auf die Oberfläche (nimmt Flüssigkeit auf da imkompressibel Und eine Komponente prallel zur Oberfläche Kraft parallel zur Oberfläche würde zum Fließen der Flüssigkeit führen. Dann nicht Hydrostatik!!! Kraft kann nur normal zur Oberfläche stehen. Daher sind im Schwerefeld Flüssigkeitsoberflächen parallel zur Erdoberfläche. In einerFlussigkeit ist die Kraft ebenfalls normal zur Wand 1 Die kohärente Einheit Pascal (Pa) ist sehr klein. Oft wird 1 Bar = 100 kPa verwendet DA die FLÜSSIGKEIT INKOMPRESSIBEL ist muß das in ein Gefäß hineingedrückte Volumen gleich dem austretenden Volumen sein Abb. 4.2. Biologische Physik ds1.A1 = ds2.A2 Kontinuitätsbeziehung Arbeit beim Hineindrücken des Kolben links muß gleich der Arbeit des Kolbens rechts sein. Abb. 4.2. Biologische Physik Volumsarbeit: Arbeit um ein Volumen gegen den Druck zu bewegen: W = F . ds = p.A . ds Daher Volumsarbeit ist A . ds ist das Volumen der eintretenden Flüssigkeit : dV p.dV Aus p1.dV1 = p2dV2 und dV1 = dV2 folgt p1=p2 2 Der Druck ist überall derselbe (ohne Einfluß der Schwerkraft) Unter Einwirkung der Schwerkraft: Die Flüssigkeit drückt auf die Unterlage. Der GEWICHTSDRUCK ergibt sich zu p=ρ . g.h ρ ….. Dichte derFlüssigkeit Beispiel Gewichtsdruck von 100 mm QUECKSILBERSÄULE Auftrieb Der Druck ist von der Tiefe abhangig. In gleicher Tiefe ist die Kraft auf einen kleinen Würfel nach allen Richtungen gleich. Abb. 4.3 Biologische Physik x Meter unter der Flüssigkeitsoberfläche Auftrieb ergibt sich durch die Differenz der Druckkraft auf Ober und Unterseite 3 Kraft auf obere Fläche: A. ρ .g.x Kraft auf untere Fläche: A. ρ .g.(x+dx) Differenz: A. ρ .g.(x+dx)- A. ρ .g.x = A. dx . ρ .g AUFTRIEBSKRAFT Fa = VverdrangteF lussigkeit .ρ Flussigkeit . g AUFTRIEBSKRAFT Fa = VKorper ρ Flussigkeit . g SCHWERKRAFT: Fg = VKorper ρ Körper . g Falls Auftriebskraft < Schwerkraft: ρFlüssigkeit < ρKörper : Gegenstand sinkt zu Boden Falls Auftriebskraft > Schwerkraft: ρFlüssigkeit > ρKörper : Gegenstand steigt zur Oberfläche und schwimmt dort Falls Auftriebskraft = Schwerkraft: ρFlüssigkeit <= ρKörper : Gegenstand schwebt in jeder beliebigen Tiefe. 12.10.2004 Schwimmen an der Oberfläche: ρFlüssigkeit .Vverdrängt . g = m. g Steigen oder sinken: Dichteveränderung, z.B. mit Schwimmblase (hydrostatischer Auftrieb) Falls nicht möglich(keine Schwimmblase vorhanden): Hydrodynamischer Auftrieb: Flossen, Flügel oder Wucht 4 Hydrodynamik, strömende Flüssigkeiten vorerst Reibung vernachlässigt Betrachte Strömung durch eine Verengung/Erweiterung Abb 4.4 Biologische Physik Wir betrachten ein Volumen, welches mit der Geschwindigkeit v1 durch die Fläche A1 beim Druck p1 in der Höhe h1 eintritt Und beim Druck p2 aus der Fläche A2 mit der Geschwindigkeit v2 bei der Höhe h2austritt. Abb 4.4 Biologische Physik In das System wird Volumsarbeit, kinetische Energie und potetielle Energie mit der eintretenden Flüssigkeit eingebracht Aus dem System treten Volumsarbeit, kinetische Energie und potetielle Energie mit der Flüssigkeit aus Wegen der Energieerhaltung muß die Summe beim Eintritt und Austritt in das System gleich sein, daher 5 Die Bernoullische ist universell anwedbar, sowohl für strömende als auch für ruhene Flüssigkeiten Beispiel: Kraft auf das Fenster (50 cm Durchmesser) einer Tauchkugel in 2000 m Tiefe mit der Bernoullischer Gleichung h1=0m Als Referenzpunkt wird die Meeresoberfläche gewählt. Dort ist h1=0m, p1=po (Luftdruck), v1=0 Das Fenster ist daher bei h2= -2000m h2= -2000m. Dort ist der Druck p2 und v2 ist ebenfalls Null da das Wasser vor dem Fenster ruht p1+ ½ ρv12+ρ.g.h1 = p2+ ½ ρv22+ρ.g.h2 Eingesetzt: 100000Pa + 0 + 0 = p2 + 0 +1030kg.m-3.10 ms-2 (-2000m) p2 = 20,7 . 106Pa Kraft auf das Fenster ist F=p.A =20,7 . 106N/m2.(0,25m)2.π = 4064435N =Schwerkraft von 406443,5 kg !!! Wir betrachten Punkte in gleicher Ausströmung aus einen Behälter: Tiefe h: p, v1 = 0, h p+ ½ ρ02+ρ.g.h = po+ ½ ρv22+ρ.g.h p2=p0, v2,h 6 Beispiel Tauchkugel hat Riß Ausstromungsgeschindigkeit?? Annahme: im Inneren der Kugel herrscht der Luftdruck p-p0 = 20,7 . 106Pa-105Pa= 20,6 . 106Pa v=200m/s Strömung durch eine Verengung v1,p1,h v2,p2,h p1+ ½ ρv12+ρ.g.h = p2+ ½ ρv22+ρ.g.h p1 < p2 Anwendungen: Blumenspritze, Wasserstrahlpumpe, Spritzpistole, Zerstauber WICHTIG: KLEINE GESCHWINDIGKEIT <--> GROSSER DRUCK GROSSE GESCHWINDIGKEIT <--> KLEINER DRUCK WARUM? Beschleunigung der Flüssigkeit erfordert Druckdifferenz Links ist der Druck gross, rechts klein, daher netto Kraft auf das Flüssigkeitsvolumen nach rechts. --> Beschleunigt die Flüssigkeit. 7 REALE FLÜSSIGKEITEN HABEN REIBUNG: INNERE REIBUNG oder ZÄHIGKEIT Das Vorbeibewegen der Moleküle erfordert eine Kraft: Betrachte zwei parallele Flächenstucke einer Flüssigkeit Abb 4.6 Biologische Physik Moleküle in der oberen Fläche bewegen sich etwas schneller Die Kraft, um die Moleküle zu bewegen hängt von der Geschwindigkleitsdifferenz dv, Abstand dz und Fläche ab. Geschwindigkeitsgefälle, -gradient Zähigkeit oder inner Reibung der Flüssigkeit STRÖMUNG durch eine RÖHRE: Es ist eine DRUCKDIFFERENZ NÖTIG um die REIBUNG zu ÜBERWINDEN An der Wand anliegende Moleküle haften. Die daran anliegende Moleküle überwinden aufgrund der Druckdifferenz die Reibung. Bewegen sich langsam. Daran anliegende Molekule sind noch etwas schneller In der Mitte der Röhre ist die Bwegung am schnellsten 8 Es stellt sich ein PARABOLISCHES GESCHWINDIGKEITSPROFIL ein. Endpunkte der Geschwindigkeitsvektoren liegen auf einer Parabel 1 Blutfluß: Das Blut fließt vom Herz (Pumpe) in die Aorta dann Arterien --> Arteriolen --> Kapillaren Das REGULATIV sind die ARTERIOLEN. Können durch Muskeln im Durchmesser verändert werden. LANGSTER AUFENTHALT in denKAPILLAREN. Dort sind die Verbraucher. 9 Herz stößt das Blut in kurzer Zeit aus. Druckstöße. Ineinem starren System müßte dann das Blut ruckweise durch die Adern fließen. Würde den 5 fachen Druck erfordern. Aorta speichert das Blut und Energie durch elastische Dehnung Form der Aorta Bei Flüssigkeitsströmungen wird eine die Strömung durch Stromlinien veranschaulicht. Sind die (gedachten) Bahnen der Flüssigkeitsmoleküle. Bobachtbar z.B. durch Schwebeteilchen, Tintentropfen etc. Geschwindigkeitsrichtung ist Tangente an die Stromlinien, Sromlininedichte gibt den Betrag der Geschwindigkeit. 10 Laminare Strömung: Stromlinien sind verfolgbar Turbulente Strömung: Stromlininen sind nicht verfolgbar Turbulente Strömung: Eruption Mt. St. Helens Ausströmung von CO2 aus einer Düse Schlierenaufnahme Bergmann Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik I ,Abb. 19.26 11 Turbulenter Freistrahl. Van Dyke, 1982 an Album of fluid motion. Parabolic Press Stanford California Wenn sich ein OBJEKT in einem ZAHEN MEDIUM bewegt oder Medium am Objekt vorbeibewegt wird ist eine Kraft für die Bewegung nötig (wegen der Reibung) z.B. Pollen, Sporen in Luft Sandkörner in Wasser, Bakterien Wegen der Reibung ist eine Kraft Fr notwendig um eine gleichförmige Bewegung aufrecht zu erhalten. Abb. 4.9 Biologische Physik Stromlinienbild bei laminarer Umströmung einer Kugel 12 Bei langsamer Bewegung einer Kugel ist Stimmt dimensionsmäßig. Falls nicht kugelförmige Körper Kein wesentlicher Unterschied zur Kugel Fallen im zähen Medium: Schwerkraft - Auftriebskraft führt kurze Zeit zu einer beschleunigten Bewegung bis Schwerkraft -Auftriebskraft durch die Reibungskraft kompensiert wird. Ab dann gleichförmige Bewegung 13 Abhängigkeit von r2 --> geringe Geschwindigkeit kleiner Teilchen Beispiel: Samen besteht aus einem Korn mit 0,1 mm Durchmesser und 100 Fäden die 5µm Durchmesser haben, 5 mm lang sind die eine Kugel mit 1 cm Durchmesser bilden Die Dichte der organischen Materials ist 1000 kgm-3 . Die Zähigkeit derLuft ist 1,7 . 10-5 kg m-1 s-1. Wie weit kommt er aus 20 m Höhe bei einer Windgeschwindigkeit von 30 km/h Zähigkeit von Wasser ist von der Geschwindigkeit unabhängig. Biologische Flussigkeiten enthalten Makromoleküle, und/oder suspendierte Teilchen. Die Zähigkeit ist dann von der Geschwindigkeit und/oder Scherkraft abhängig. Makromoleküle verformen sich oder rotieren: Dadurch tritt zusätzliche Reibung auf. Die Zähigkeit steigt mit zunehmender Geschwindigkeit: Dilatanz 14 Falls lange Teilchenvorhanden sind sie in der ruhenden Flüssigkeit verzahnt. Bei Bewegung orientieren sie sich parallel zur Strömung. Dadurch sinkt die Zähigkeit: Tixotropie Beispiel: Yoghurt Rote Blutkörperchen (Blättchen) verformen sich bei größerer Geschwindigkeit in eine strömungsgünstigere Form. Gehärtete Erytrozyten (Formaldehyd) tun dies nicht. STROMLINIEN sind die Bahnen einiger herausgegriffener Flussigkeits oder Gas Moleküle LAMINAR <--> TURBULENT geringe Geschwindigkeit <---------------->grosse Geschwindigkeit Reibungskräfte wichtig <----------------> Trägheitskräfte wichtig Beim Umströmen eines Hindernisses: Flüssigkeit wird abgebremst und abgelenkt. Kinetische Energie geht in Wirbelbewegungen Geschwindigkeitsänderung bedeutet Kraft: STAUDRUCK Bergmann Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik I ,Abb. 19.z 15.10.2004 15 Staudruck kann aus der Bernoullischen Gleichung ermittelt werden. v,p0 v=0, p p0+ ½ ρv2+ρ.g.h p - p0 = ½ ρv2 = p+ ½ ρ02+ρ.g.h Falls das Hindernis die Fläche A hat ergibt sich die Kraft aufgrund des Staudrucks zu F = (p-p0) . A = ½ ρv2.A Die Kraft aufgrund des Staudrucks hängt auch von der Form des Hindernisses ab, u.A. wie sich die Wirbel bilden, wie groß sie sind etc. Hier spielt besonders die Form des Gegenstands eine Rolle und dies wird durch den Widerstandsbeiwert cw berüchsichtigt. Die Kraft aufgrund der Umlenkung der Strömung um ein Hindernis wird mit Widerstandskraft FW bezeichnet, sie zeigt in Richtung der Strömung Der Widerstansbeiwert hängt stark von der Form des Körpers ab. Einige Werte für cW Halbkugel 1,4 (Vorne offen), 0.35 (hinten offen) Vollkugel …... 0,4 Platte…..1,1 Zylinder (l : d= 1 : 1)…0,8 Stromlinienkörper …. 0.05 16 Stromlineinkörper hat deshalb so geringen cW Wert, weil Turbulenzen vermieden werden Abb.4.13 Biologische Physik Platte und Stromlinienkörper in Strömung. Stronlinien durch Aluminiumpulver visualisiert Pohl, Physik IAbb. 279b Pohl, Physik 1 Abb 280 Beispiel:. Beispiel. Berechne die Kraft auf einen Baum, der 50000 elliptische Blätter hat. Die Blätter sind 10 cm x 5 cm groß, die Windgeschwindigkeit ist 108 km/h 5 cm Die Fläche des Blatts ist 0,025m ·0,05m·π = 3.93 ·10-3 m2. Der gesamte Baum hat 196,3 m2 10 cm Die Kraft auf den gesamten Baum ist daher ½· ρ · A· v2 ·cW = ½·1.3 kgm-3 196,3 m2 ·(30ms-1)2 ·1,1 = 126319N Diese Kraft ist ziemlich groß. Die Blätter sind sehr flexibel befestigt und drehen sich in den Wind 17 85° Blatt normal zur Windrichtung 85° Blatt gedreht 85° gegen die ursprüngliche Lage gedreht Die Fläche die dem Wind ausgesetzt ist ergibt sich durch Projektion auf die Normale zum Wind Fläche muß mit cos 85° multipliziert werden. Die Kraft auf den gesamten Baum bei gedrehten Blättern ist daher ½· ρ · A·cos 85° · v2 ·cW = ½·1.3 kgm-3 196,3 m2 · cos 85° ·(30ms-1)2 ·1,1 = 11009N Vergleich: Blätter normal zum Wind 126319N gedreht 11009N Alle Pflanzen verformen sich bei Sturm in eine stömungsgünstigere Form. Dadurch wenig bis keine Beschädigung. Im Gegensatz dazu sind technische Strukturen steif und daher viel windanfälliger 18 Montheit: Umweltphysik, Abb 47 Douglas fir bei Windstille Bei 26 m/s Eine dünne turbulente Grenzschichte verringert die Reibungskraft Abb. 4.13 Biologische Physik Turbulenzgeneratoren: Schuppen Federkiele, Fell Golfball 19 Delphinhaut: reduziert ebenfalls den Strömungswiderstand. Da Säugetiere spätere Entwicklung: andere Lösung: Epidermis schwammartig mit extrazellulären Wasser, gegen außen abgeschlossen mit nicht dehnbarer dünner Haut. Turbulenzen beginnen als kleine Druckschwankungen die sich aufschaukeln: Das bedeutet, daß das extrazelluläre Wasser durch die vielen Poren gedrückt wird. Dämpft die Druckschwingungen ----> etwa 1/7 des Strömungswiderstand eines Modells mit starrer Außenseite Fischleim hat ähnliche Funktion; Flossenbewegungen “saugen” die die Grenzschichte ab, dadurch keine Ablösung und daher keine Turbulenz WANN TURBULENT WANN LAMINAR?? langsam Bermann Schäfer, Abb18.3 Etwas schneller Bermann Schäfer, Abb 18.3 20 schneller Bermann Schäfer, Abb 18.3 Bermann Schäfer, Abb 18.3 Noch etwas schneller Sehr schnell Bermann Schäfer, Abb 18.3 21 Analog bei Strömung durch eine Röhre: Abb. 254 Pohl, Einführung in die Physik 1 Für das Auftreten von Turbulenzen ist das Verhältnis von Trägkeits- zu Reibungskräften wichtig Trägheitskraft :½ρv2.A.cW= ½ρv2. ¼ πd2.cW Reibungskraft FW = 3πd η.v Verhältnis ½ρv2. ¼ πd2.cW 3πd η.v Konstante Faktoren werden eliminiert Und gekürzt ist das Verhältnis von Trägkeits- zu Reibungskräften und charakterisiert die Strömung bezüglich laminar/turbulent. Re klein …. laminar, Re groß …. turbulent 22 Re klein: Laminare Strömung: Wimperntierchen (Re ungefähr 0,1), Mücke (Re ca.ٛ100), ----> Die aerodynamische Form ist unwichtig Re groß: Turbulente Strömung Vögel: Re = 104 … 105 Fische: Re = 104….107 Wale: Re = 107….108 Schiffe, Flugzeug: Re = 107 ...108 FLIEGEN (Luft, Wasser) Gleichförmige Bewegung bzw. Ruhe tritt auf, wenn AUFTRIEB = SCHWERKRAFT Dann Schwimmen oder Fliegen in gleicher Höhe FA A) Objekt leichter als Luft/Wasser z.B. Ballon FA = m.g Fische: Die mittlere Dichte ist an das Wasser angepaßt. Biologisches Material ohne Lunge hat ρ = 1080 kgm-3. Sinkt im Meerwasser zu Boden daher zusatzliches Element mit geringerer Dichte Schwimmblase. Sehr instabil! m.g 23 Spermaceti Organ beim Wal: 2,5 to Öl im Kopfbereich, kann mehr oder weniger durchblutet werden. Die Temperatur von 29 bis 33°C variierbar. Je nach Durchblutung verschiedenes Volumen. Da Öl inkompresibel, kein Problem beim Tauchen. B. Objekt schwerer als Luft/Wasser: Aero/hydrodynamischer Auftrieb durch Bewegung nach dem Prinzip des Rückstosses Prinzipiell wirken auf jedes bewegte Objekt die Schwerkraft m.g und die Widerstandkraft FW (in Richtung der Fluggeschwindigkeit) Damit ein Flug in konstanter Höhe mit konstanter Geschwindigkeit möglich ist, muß es zu m.g als Gegenkraft den Auftrieb FA und entgegengesetzt zum Widerstand die Vortriebskraft FV geben Auftriebskraft FA Vortriebskraft FV Widerstandskraft FW Schwerkraft m.g B1: Insekten: Haben Hautflügel, wegen der kleinen Re keine Aerodynamische Form, kaum Abreißen der Strömung Durch geeignete Bewegung der Flügel wirdAuftrieb und Vortrieb erzeugt. Der Hub (Auftriebskraft) und Schub (Vortriebskraft) entsteht in verschiedenen Phasen der Flügelbewegung 24 Flügelbewegungen der Biene während des Fliegens Position des Flügelendes relativ zum Körper während eines Ab- und Aufschlages. Vorderseite des Flügels durch Punkt markiert. Hoppel et. Al. Biophysik, Abb14.37 Hoppel et. Al. Biophysik, Abb14.37 Bewegung des Flügelendes relativ zur Luft Hier Auftrieb da Luft nach unten beschleunigt wird Hier Vortrieb, da Luft nach hinten beschleunigt wird 25 b2 Vögel: Flügelquerschnitt ist ein “verbogener” Stromlinienkörper Strömung wird umgelenkt , mehr Stromlinien überhalb als unterhalb, daher oben Unterdruck, unten Überdruck --> Kraft FA nach oben Gleichzeitig auch Widerstandskraft FW FA und FW von der Form des Flügels, seiner Fläche und der Geschwindigkeit abhängig cA .. Auftriebsbeiwert cW…Widerstandsbeiwert cA und cW vom Anstellwinkel α abhängig. Darstellung im Polardiagramm Bei sehr steilem Anstellwinkel: Abreißen der Strömung, kein Auftrieb mehr. --> Absturz Abb 4.15, Biologische Physik Bergmann Schäfer Abb 18.19 26 Sperlingsflügel gesattet viel steileres Anstellen. Hoppel et. Al. Bbiophysik, Abb 14.42b Vortrieb und Auftrieb bei Vögeln: Aerodynamische Auftrieb durch Flügelprofil, Vortrieb durch Verdrehen der Flugel Flügelbewegung ist von hinten oben nach vorne unten Die Bewegung an der Flügelspitze (Handschwinge) ist rascher als nahe dem Rumpf (Handschwinge) 27 Vogel fliegt mit bestimmter Geschwindigkeit Flügel bewegt sich relativ zum (bewegten) Körper Daher hat der Flügel relativ zur Luft eine Geschwindigkeit, die sich durch Addition der Vektoren ergibt. Anströmung des Flügels daher in Gegenrichtung Dabei entstehen Auftrieb und Widerstandskraft, jeweils normal und parallel zur Richtung der anströmenden Luft. Die Gesamtkraft durch vektorielle Addition Diese Gesamtkraft kann zerlegt werden in eine nach vorne gerichtet Vortriebskraft und eine nach oben gerichtete Hubkraft Abb 4.17 Biologische Physik Analog bei der Handschwinge Sie bewegt sich schneller, daher größere Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung Außenseite des Flügels wird daher steiler gestellt und es ergibt sich eine mehr nach vorne gerichtete Gesamtkraft Diese kann in eine Hub- und Vorttriebskraft zerlegt werden Die Hubkraft ist geringer, die Vortriebskraft ist größer als bei der Armschwinge 28 Flügelaufschlag: Kleine Vögel ziehen die Flügel ein große Vögel drehen Flügel so daß wenig Widerstand auftritt. Details siehe Buch Wirbelzopf. Tragflügel haben an der Oberseite Unterdruck, an der Unterseite Überdruck. Am Rand Druckausgleich Dadurch bilden sich Wirbel entlang der Flugbahn --> Wirbelzopf Abb. 4.19 Biologische Physik Diese bleiben lange erhalten und beinhalten Rotationsenergie. Je mehr Wirbel, desto mehr Arbeit, desto größerer Strömungswiderstand. Wirbelzopf durch Farbstoff sichtbar gemacht aus Scientific American 29 Verringerung durch lange dünne spitz auslaufende Flügel, Auffächern der Flügel am Ende, Vertikal gestellter Abschluß des Flügels Wanderfalke Seeadler Ausnützung der Wirbelzöpfe beim Formationsflug Wirbelzopf des Vorausfliegenden gibt einen zusätzlicheen Auftrieb. Abb. 4.20 Biologische Physik 30 Landung: Geringe Geschwindigkeit und wenig Auftrieb erwünscht. Daher sollte cA klein cW groß Das ist genau das Gegenteil der erwünschten Eigenschaften eines Tragflügels beim normalen Fliegen: Vorflügel, Landeklappen, Daumenfittich (Reiher) Vögel können die Geschwindigkeit durch unterfliegen reduzieren Abb. 4.20 Biologische Physik Kineteisch Energie wird z.T. in potetielle Energie umgewandelt, dadurch langsamer. 31