Volumen unter Wasser aufbauen?

Question

Volumen unter Wasser aufbauen?

Aufbau:

Ich habe 2 Blasebalg.

Diese sind mit einem starren Schlauch (d = 5 cm), Wasserdicht, miteinander verbunden.

Wenn einer geöffnet ist hat er 4 Liter Luft-Volumen, der andere null, und umgekehrt.

Ich lege nun einen auf den Grund eines Schwimmbeckens, in 2,5 Metern Tiefe.

Der andere steht oben am Beckenrand.

Der Balg am Grunde ist nun natürlich vom Wasserdruck zusammen gedrückt, also auf 0 Volumen.

Der oben am Beckenrand ist geöffnet und hat 4 Liter Luft-Volumen.

Frage:

Wie viel Kg Gewicht muss ich auf den Balg am Beckenrand stellen (mit wie viel Kraft muss ich drücken), damit sich der am Beckengrund, in 2,5 Metern Tiefe öffnet, und ein Volumen von 4 Litern erzeugt?

Es können alle anderen Einflüsse die eine geringe Zusatz-Kraft benötigen würden, wie, Außendruck, Größe des Schwimmbeckens, Luftdurchfluss im Schlauch, Temperatur des Wassers usw, bei Seite gelassen werden.

Bitte nur antworten, wer wirklich eine Ahnung hat und es berechnen kann, Danke!

KS

Gefragt 14 Jan 2019 von Kurt Schuh

Vom Duplikat:

Titel: Volumen unter Wasser erzeugen

Stichworte: volumen,wasser,kraft,energie,druck

Ich versuche es so einfach, einfach, wie Möglich zu machen:

-Ein Wasserbehälter 1 Meter tief.

-Am Grunde des Wasserbehälters ist ein Balg befestigt und mit einem Schlauch zur Wasser-Oberfläche verbunden.

-Der Balg ist in diesem Zustand vom Wasserdruck zusammen gedrückt.

-Der Balg soll, in dem man an der Oberseite zieht, geöffnet werden, bis auf einen Liter Volumen.

Frage:

Wie viel Kraft muss ich aufwenden?

Alle Nebensächlichkeiten wie z.B.: Temperatur, Außendruck, Größe des Wasserbeckens, Durchmesser des Schlauchs, Salzwasser oder Süßwasser, Reibung im Wasser, Luftdurchlass im Schlauch, Material Beschaffenheit, Chlor, Farbe oder Geruch, usw! Ich hoffe nichts vergessen zu haben.

Muss das leider so deutlich beschreiben, da sonst wieder die unmöglichsten Antworten kommen.

Es geht mir nicht um ein 100% Ergebnis sondern um einen ungefähren Wert.

Mein Ergebnis ist 10 Kg.

Kommentiert 15 Jan 2019 von Kurt Schuh

2 Antworten

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Stell deine Frage

abakus · Answer 1 · 2019-01-14T14:53:36+0000

Das ist eine Fangfrage.

1) Oberhalb des Wassers wirkt auf den Blasebalg und alles, was da kreucht und fleucht ein Luftdruck von ca. 100 kPa. In 2,5 m Tiefe wirkt zusätzlich zu den 100 kPa ein Schweredruck von 25 kPa, insgesamt also 125 kPa.

Befördert man 4 Liter Luft von oben nach da unten, werden sie auf 100/125 (also 4/5) ihres ursprünglichen Volumens zusammengepresst und können nicht wieder einen Raum von 4 Litern einnehmen.

2) Die Luft ist ja nicht mal komplett im unteren Blasebalg. Es wurde ausdrücklich angegeben, dass der starre Verbindungsschlauch einen festen Durchmesser hat. Über die Länge kann man nur spekulieren, sie ist mindestens 2,5 m. Die oben rausgedrückte Luft geht nicht nur in den unteren Blasebalg, sie steht teilweise auch im Schlauch (der ein nicht zu vernachlässigendes Volumen besitzt).

Wenn man mal über 1) und 2) großzügig hinwegsieht:

3) Es muss von oben ein Zusatzdruck wirken, der den Schweredruck von 2,5 m Wassertiefe ausgleicht. Die Größe dieses Zusatzdrucks ist zwar klar definiert, aber nicht die KRAFT, denn für die Erzeugung eines bestimmten Drucks muss die Kraft auf eine vorhanden FLÄCHE wirken, deren Größe du uns nicht angegeben hast.

lul · Answer 2 · 2019-01-15T20:52:31+0000

Ich sage erst mal Danke für die klare und kurze Antwort! Ich wusste natürlich, dass das Ergebnis richtig ist, ist ja wirklich auch nicht schwer!

Meine ursprüngliche Frage war: 3,6 Liter Volumen in 2,5 Metern Tiefe, mit einem Zug und Umlenkrollen, mit Gewichten zu öffnen (deshalb Masse bzw Kg). Oberfläche des Balges 6 x 20 x 30 cm. Wichtig dabei aber ist, der Balg soll/muss sich eben nur 6 cm öffnen, so ergeben sich die 3,6 Ltr. V.

Mit dieser Frage habe ich ca. 10 unterschiedliche Antworten bekommen von sog. Prof. und Mathematiker (nicht hier). Alle Ergebnisse unterschieden sich so abartig, dass ich es aufgegeben habe die Frage im Original zu stellen.

Mein Ergebnis ist 90 Kg, oder um es gleich korrekt zu schreiben, 900 N.

Es sind nicht, wie viele annehmen 1500 N bei einer Fläche von 20 x 30 cm (6 dm²), da ich den Balg eben nur um 6 cm anheben möchte (= 3,6 Ltr. V) und nicht 10 cm, das wären logisch dann 6 Ltr. V.

Wenn ich 1500 N Kraft (150 Kg) anbringen würde, dann würde der Balg sich bis auf 10 cm öffnen!

Angenommen der Balg würde stehen, hätte also eine Oberfläche von 6 x 20 cm (1,2 dm²).

Dann wäre das Ergebnis 300 N, er müsste aber auf 30 cm geöffnet werden! Wenn ich hier meine 900 N (90 Kg) anhänge, öffnet er sich bis auf 30 cm, ergibt 3,6 Ltr. V.

So viel zu "Oberfläche".

Ich hatte jedoch noch zwei Fragen angehängt, um die es mir eigentlich immer ging, da ich keine brauchbaren Formeln gefunden habe.

Frage 1) Wie viel Masse (Kg) muss am Zug hängen, um den Balg in 1,5 Sekunden, 6 cm, in einer Tiefe von 2,5 Metern zu öffnen?

Man kann auch sagen, wie viel Arbeit oder wie viel Leistung muss verrichtet werden.

Auch hier habe ich alle Nebensächlichkeiten ausgeschlossen.

Im Übrigen, die Frage wurde nach hier verschoben und ich bin davon ausgegangen, einen zweiten "thread" öffnen zu müssen.

Sorry, dass es so lang wurde aber sonst müsste ich alles noch einmal erklären.

Ehrlich gesagt erwarte ich keine Antwort, aber trotzdem viel Spaß damit.

Kommentiert 16 Jan 2019 von Kurt Schuh

Auftrieb ist der Unterschied zwischen dem -druck unterhalb und oberhalb eines Körpers, er hat also nur wenig mit der oberen Fläche zu tun. bei der Kugeloberfläche kann man den Druck durch die Kraft auf die Querschnittsfläche zurückführen, da dein Balg unten flach ist, ist es schwerer mit einer Kugelform zu rechnen, deshalb bleiben wirklieber bei so was wie einem Quader, von dem ich annehme, dass er völlig luftleer ist? "Oberfläche des Balges 6 x 20 x 30 cm" soll in gefüllten Zustand sein?, d,h, Höhe zusammengedrückt 0cm bzw Dicke von 2 Wänden? also Fläche 6dm^2 daraus 6dm^2*25dm=150kg Wasser, die darauf lastet, also 150kg oben an der Rolle , die man 6cm senken muss (den kleinen Druckverkleinerung lvon 6 cm lasse ich weg. also eine Arbeit von 1500N*0,06m=90J in 1,5s also eine Leistung von 60W.

Wenn man den Balg mit den 12mcm^2 nach oben stellt, bleibt der Druck auf die Wände, da nach allen Seiten gleich groß gleich. Wenn du dir die kleine Fläche als Stempel in einem festen Behälter vorstellst ist es leichter ihn nach oben zu ziehen, die Arbeit für die gleiche Menge Wasser bliebe gleich groß. man muss also sagen, wie der Balg gemeint ist, Mehr wie eine Spritze, nur ein bewegliches Teil, oder wie eine feste Plastiktüte, alles beweglich.

Kommentiert 16 Jan 2019 von lul

Hallo,

vorweg eine Frage, denn die Formel für Arbeit habe ich auch angewandt:

W = F*s, mir kam das Ergebnis immer zu klein vor.

Wie kommst du von 90J auf 60W? Müssten es nicht 135W sein?

Oder 360W?

Und jetzt noch einmal kurz zu der Differenz von 900N und 1500N.

-Ich habe jetzt also meinen Körper in einer Wasser-Tiefe von 2,5 Metern, um 6 cm geöffnet, ein Volumen von 3,6 Ltr. erzeugt und somit 3,6 Kg Auftriebskraft. Ich hoffe du stimmst mir zu!?

Diesen Auftrieb halte ich über 2,5 Meter bis nach oben bei. Rückwirkend habe ich so eine Kraft von 3,6*2,5=900N

Das schreibt der Erhaltungssatz vor.

Wo sind den dann bei 1500N der Rest von 600N geblieben?

Und noch eine kleine Anmerkung: Der Behälter würde sich auch schon z.B. bei einem Gewicht am Seil von 45Kg öffnen aber halt nur um 3 cm. Dann wäre sozusagen, der Druck auf den Behälter und das Gewicht im Einklang/Gleichgewicht. Bei 1500N oder 150Kg wäre der Behälter, wenn er denn unendlich geöffnet werden könnte, bis auf 10 cm geöffnet, hätte also ein Volumen von 6 Ltr. und somit eine Auftriebskraft von 6Kg über 2,5 Meter, was wiederum 1500N ergibt. Korrekt?

Wasser ist ein flüssiges Medium und keine starre Waage.

Wandstärke usw, habe ich ja gesagt, alles weg lassen.

Gruß BB

PS: Bei der Kugelform hätten wir noch ein anderes Problem wenn es immer um Oberfläche gehen würde.

Wenn wir das erste Beispiel nehmen: 1 Ltr. V, in einem Meter Tiefe. Die Oberfläche des Würfels wäre ja 1dm² also 100N Wassergewicht, wenn man so sagen will. Die Oberfläche der Kugel, wenn sie flach am Boden zusammen gedrückt ist wäre d = 12,6cm und sie hätte somit eine Fläche von 1,2 dm². Also noch größer als beim Würfel obwohl die Gesamtoberfläche kleiner ist und das Volumen gleich. Das "Wassergewicht" wäre dann also 120N.

Du merkst, das geht nicht!

Kommentiert 16 Jan 2019 von Kurt Schuh

Leistung:Arbeit durch Zeit, du hattest 1,5s

90J/1,5s=60W

Das mit der Kugel ist irgendwie schlecht, wenn sie zusammen gedrückt ist ist es ja keine Kugel, beim Hochziehen eines Teils nimmt sie immer neue Formen an. ich glaube du rechnest lieber mit einem Kolben, bei dem nur das obere Teil beweglich ist.

Was du mit dem Auftrieb meinst verstehe ich nicht ganz.1. den hast du nur, wenn auch unter dem Behälter Wasser ist, er also nicht fest am Boden aufsitzt,

warum würde sich der Behälterdeckel schon bei 45kg um 3cm heben?

richtig , dass du den Behälter der jetzt die Masse und das Volumen des umgebenden Wassers hat ohne Kraft bis unter die Wasseroberfläche heben könntest, (da wir ja Reibung weglassen)

du schreibst : Auftriebskraft von 6Kg über 2,5 Meter, er hat genau die Auftriebskraft seines Gewichts ist also in Wasser "gewichtlos" was das mit 1500N zu tun hat seh ich nicht.

Kommentiert 16 Jan 2019 von lul

Ja, ich meinte wenn der Behälter jetzt mit den 3,6Ltr. V vom Boden gelöst wäre. Dann hätte er eine Auftriebskraft von exakt 353,16N (wie gesagt, wir lassen alle Nebensächlichkeiten bei Seite).

Und würde beim Aufsteigen über die Höhe von 2,5 Metern eine Leistung von 882,9N ~ 900N abgeben.

Bei 6Ltr. V =1500N

Man kann das ganze ja auch umkehren:

Wenn man den Behälter mit 3,6Ltr. V, in einem Wasserbecken, von oben nach unten, in eine Tiefe von 2,5 Metern bringen würde, wie sähe den dann die Rechnung aus?

Energie = m*g*h

36N*9,81*2,5=882,9N~900N

Bei 45Kg öffnet sich der Behälter um 3cm weil er damit 1,8Ltr Wasser verdrängen kann und verdrängt. D.h., 1,8Ltr. V*9,81*2,5=450N

Das würde auch noch mit weniger Kraft funktionieren, nur ganz am Anfang, wenn die beiden Seiten des Behälters, sozusagen noch ganz aneinander liegen und zusammen gedrückt sind, müsste man eine gewisse Grundkraft anwenden um die Kohäsionskräfte zu überwinden aber danach könnte man auch nur ein weiteres Kg anhängen und der Behälter würde sich ein wenig weiter öffnen. Bei 90Kg 6cm, bei 150Kg 10cm usw.
Wie gesagt, Wasser ist ein flüssiges Medium und eben nicht wie ein Aufzug. Wenn dort 100Kg Gewicht lasten muss ich mind. 100Kg Kraft aufwenden um in die Wage zu kommen, 99Kg reichen nicht. Bei Wasser ist das nicht der Fall.

Kommentiert 17 Jan 2019 von Kurt Schuh

" aber danach könnte man auch nur ein weiteres Kg anhängen und der Behälter würde sich ein wenig weiter öffnen. Bei 90Kg 6cm, bei 150Kg 10cm usw."

Das ist völliger Unfug.

Auf die Oberfläche des Balgs wirkt eine durch den Schweredruck des Wassers hervorgerufene Kraft. Nehmen wir mal an, diese Kraft ist 1000 N.

Wenn jetzt dein Seil nur mit 998 N nach oben zieht, bewegt sich immer noch nichts, weil eine resultierende Kraft von 2 N nach unten wirkt.

Wenn das Seil aber mit 1001 N nach oben zieht, bewegt sich der Balg nach oben, weil das eine resultierende Kraft von 1 N bewirkt.

Warum sollte dieses Öffnen nach einigen Millimetern oder Zentimetern zum Erliegen kommen (und deiner Meinung nach erst durch eine Erhöhung der Zugkraft nach oben für ein weiteres wiederum begrenztes Stück in Gang kommen)?

1001-1000 ist immer noch 1, also hat die nach oben ziehende Kraft weiterhin das Übergewicht und wird den Balg ohne Krafterhöhung weiter öffnen.

Im Gegenteil: Sobald der Balg ein wenig nach oben gezogen wurde, befindet sich seine obere Fläche in einer geringeren Wassertiefe mit geringerem Schweredruck, womit die nach unten drückende Kraft geringer wird, während die nach oben ziehende Kraft unverändert ist. Damit beschleunigt sich das Öffnen sogar, ohne dass die Zugkraft erhöht werden muss.

Kommentiert 17 Jan 2019 von abakus

Aber anscheinend kannst du außer zu sagen "das ist Unfug" mit der Formel für Energie nix anfangen!?

m*g*h

Woher die Differenz kommt? 4Ltr. Volumen in eine Tiefe von 2,5 Metern zu bringen?

900N oder 1500N? Erkläre das doch einmal bitte bevor du einfach etwas behauptest!

Du gehst immer davon aus, auf deiner Terrasse stünde ein Pflog, 20 x 30 cm und 2,5 Meter hoch, Gewicht 150Kg, und den musst du jetzt anheben.

Das stimmt so auf deiner Terrasse aber eben nicht im Wasser. Kann mich nur wiederholen, Wasser ist ein flüssiges Medium.

Ich weiß nicht ob ich in allem hier Recht habe, das war ja der Grund, dass ich meine Zahlen überprüfen wollte. Im Gegensatz zu den meisten anderen Menschen, kann ich jedoch zugeben, wenn ich von etwas gar keine Ahnung habe. Habe ja früher schon erwähnt, hatte 10 unterschiedliche Ergebnisse sog. Studierter Experten, und alle Ergebnisse waren so exorbitant unterschiedlich, es war klar, da wird entweder ins Blaue geraten oder falsch gedacht.

Kommentiert 18 Jan 2019 von Kurt Schuh

Hallo

Das mit der Auftriebskraft kriegst du irgendwie durcheinander, der mit 3,6 ltr Wasser gefüllte Behälter hat ein Gewicht von 3,6kg also 36 N und 36N Auftriebskraft. Von der Reibung abgesehen, musst du also in Wasser weder Kraft noch Energie aufbringen, um ihn nach unten zu befördern, noch gewinnst du Energie, wenn du ihn nach oben beförderst.

"Wenn man den Behälter mit 3,6Ltr. V, in einem Wasserbecken, von oben nach unten, in eine Tiefe von 2,5 Metern bringen würde, wie sähe den dann die Rechnung aus? "

2 mögliche Rechnungen: a) der Behälter ist leer, und praktisch gewichtslos, dann ist deine Rechnung nur um den Faktor 10 falsch m*g*h=3,6*10*2,5=90J, b)Wenn er mit Wasser gefüllt ist und schon unter der Oberfläche keine Arbeit da Auftriebskraft= Gewichtskraft.

Auch dass du die ersten cm einen Kolben unter Wasser hochzuziehen weniger Kraft brauchst , als für die nächsten cm ist ein Irrtum, du musst immer gegen den Druck auf dem Kolben arbeiten, und kannst ihn keine mm mit weniger Kraft heben.

Vielleicht gehst du ja mal auf mein Argument gegen deine "Auftriebsenergie" ein, statt die Kompetenz etwa von Abakus anzuzweifeln, nur weil er nicht Selbstverständlichkeiten wie ich ausführlich erläutert.

Kommentiert 18 Jan 2019 von lul

Da haben wir wohl aneinander vorbei gedacht! Der Behälter unter Wasser wird, wenn er auseinander gezogen wird, natürlich mit Luft befüllt. Habe ja beschrieben, er ist mit einem Schlauch bis zur Wasser-Oberfläche verbunden. Also ist er nicht Schwerelos, was der Fall wäre, wenn er mit Wasser befüllt ist, sondern hat eine Auftriebskraft von 36N.

Soweit klar?

Ich habe jedoch einen Denk-Fehler begangen, indem ich annahm, ich müsste über die 1500N gehen, also noch mehr Gewichte, wenn man so will, ans andere Ende des Seils hängen, um ihn ganz zu öffnen, sprich, wenn man ihn bis zur Oberfläche öffnen könnte. Das stimmt natürlich nicht! Wenn diese Kraft 1500N) erreicht ist, öffnet er sich auch ganz, wenn das möglich wäre, mit abnehmender Kraft.

Was jedoch meiner Meinung nach stimmt, wenn ich eben nur 900N, ich sage einfach, wenn ich nur 90Kg anhänge, dann öffnet sich der Behälter schon früher ein Stück, und zwar um die genannten 6cm. Pro cm sind es 15Kg mehr. Bei 150Kg oder 1500N habe ich den max. Schweredruck erreicht und muss nicht mehr Kraft, sondern weniger Kraft aufwenden.

Es stimmt also, dass die Fläche in soweit eine Rolle spielt, wenn ich den Behälter ganz öffnen möchte, was aber nie meine Frage war, es ging immer nur um die 6cm. So macht auch jede Rechnung sinn (Erhaltungssatz usw).

Was die Seite "Schweredruck in Flüssigkeiten" betrifft, dort geht es um etwas ganz anderes und hat mit dieser Frage nicht viel zu tun.

Ich erkläre es noch einmal, ganz in Ruhe und wenn du es nicht verstehst, noch einmal ganz in Ruhe.

Um den Behälter mit 6dm² Oberfläche nur ein wenig zu öffnen, brauche ich keine 1500N Kraft, er öffnet sich schon vorher. Wenn ich jedoch die Kraft von 1500N anwende, bzw überschreite, dann öffnet er sich bis oben hin. Vorher öffnet er sich sozusagen, um den Faktor, des Wassers, den das angehängte Gewicht in 2,5 Metern verdrängt. Bei 90Kg sind das eben die 6cm, 3,6Ltr.V.

Beispiel:

Ich nehme in einem Metern Tiefe ein Behälter mit 1dm² Oberfläche. Nach deiner Aussage müsste man jetzt 100N Kraft (10Kg) aufbringen, bevor er auch nur zuckt! Das ist lächerlich!

Kommentiert 18 Jan 2019 von Kurt Schuh

Es ist immer wieder schön, wenn Meinungsäußerungen von keinerlei Sachkenntnis getrübt werden.

Die zitierte Auftriebskraft kommt nicht automatisch durch Verdrängung von Wasser zustande.Wenn ein Quader mitten im Wasser ist, befindet sich seine Grundfläche in größerer Tiefe als seine Deckfläche. Deshalb wirkt auf die Deckfläche ein geringerer hydrostatischer Druck und damit eine geringere Kraft als unten auf die Grundfläche.

Weil von unten eine stärkere Druckkraft drückt als von oben, entsteht der Auftrieb als Differenz dieser Kräfte (und entspricht von seinem Betrag her tatsächlich der Gewichtskraft des verdrängten Wassers).

Befindet sich der Quader aber so am Boden des Gefäßes (z.B. weil er dort angeklebt wird), dass kein Wasser von unten ran kann, dann entfällt die von unten nach oben wirkende Druckkraft, und des Quader hat trotz Wasserverdrängung Null Auftrieb.

Dieser Fakt wurde auch schon in Posts zu deinem ersten Beitrag bei onlinemathe erwähnt (du erinnerst dich vielleicht noch: es geht um den Beitrag, den die Moderatoren dort wegen deiner fortgesetzten Pöbeleien entfernt haben).

Kommentiert 18 Jan 2019 von abakus

"Ich nehme in einem Metern Tiefe ein Behälter mit 1dm² Oberfläche. Nach deiner Aussage müsste man jetzt 100N Kraft (10Kg) aufbringen, bevor er auch nur zuckt! Das ist lächerlich!.

Für mich ist diese Ansicht lächerlich! du gibst keine Erklärung dafür, warum man für den ersten mm weniger Kraft braucht? kennst du das Experiment mit den Magdeburger Halbkugeln? könnte man die mit kleinerer Kraft als der gegen den äußeren Luftdruck öffnen, wäre das Experiment mit den Pferdegespannen misslungen, und dabei ist Luft sogar gasförmig, und nicht nur flüssig.

Richtig ist, dass der luftgefüllte Körper aufsteigen würde, und man dabei Energie gewinnen könnte, ich dachte du füllst ihn mit Wasser , Schlauch bis an die Oberfläche hatte ich mit mm unterhalb, du offensichtlich oberhalb betrachtet.

Und bitte mäßige dich mit Ausdrücken wie "lächerlich!

Kommentiert 18 Jan 2019 von lul

Volumen unter Wasser aufbauen?

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