Water in a Branched Pipe — Nothing Piles Up at the Junction

Elektrizität und Magnetismus Einsteiger Kostenlos VR · AR
Water in a Branched Pipe — Nothing Piles Up at the Junction – Elektrizität und Magnetismus
Water in a Branched Pipe — Nothing Piles Up at the Junction – Elektrizität und Magnetismus

Ein Tank aus klarem Acryl auf einem verschiebbaren Schlitten wird von einem Wasserhahn und einem Überlaufrohr auf konstantem Füllstand gehalten. Das Wasser verlässt ihn durch einen Schlauch und eine Wasseruhr aus Messing und erreicht dann einen Verteilerblock aus klarem Acryl, der es auf zwei Zweige, A und B, aufteilt. Jeder Zweig hat einen Kugelhahn aus Messing und füllt einen eigenen 1-L-Messzylinder. Drei Schieberegler stellen die Wasserhöhe h und die Öffnung der beiden Ventile ein. Starte die Wiedergabe für 30 s Strömung und vergleiche den Zählerstand der Wasseruhr mit dem Wasser in den beiden Zylindern; ziehe die Zeitleiste zu einem beliebigen Moment. Winzige Bläschen reisen in jedem Rohr mit der wahren Geschwindigkeit des Wassers.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Die Strömung ist langsam und gleichmäßig (laminar), deshalb führt jeder Zweig einen Volumenstrom proportional zum Antrieb, so wie das ohmsche Gesetz den Strom proportional zur Potentialdifferenz macht: Q = ρgh·f / R₀, wobei f die Öffnung des Ventils ist und R₀ = 3,92 × 10⁸ Pa·s/m³ einen voll geöffneten Zweig bei 0,40 m Wasserhöhe 10,0 mL/s durchlassen lässt. Ein halb geschlossenes Ventil verdoppelt den Widerstand seines Zweigs und halbiert dessen Volumenstrom. Die Verzweigung kann kein Wasser speichern — die Rohre sind voll und Wasser ist inkompressibel —, also muss alles, was in jeder Sekunde ankommt, sie auch wieder verlassen: Q_in = Q_A + Q_B. Bei den Startwerten gilt 10,0 + 5,0 = 15,0 mL/s, und nach 30 s hat die Wasseruhr 450 mL gezählt, während die Zylinder 300 mL und 150 mL enthalten. Ladung in einem Stromkreis verhält sich genauso: Ein Knoten kann keine Ladung speichern, also ist der gesamte zufließende Strom gleich dem gesamten abfließenden, ΣI_in = ΣI_out — das erste kirchhoffsche Gesetz, also die Ladungserhaltung. Die Analogie gilt für die Knotenregel; sie macht einen Stromkreis nicht in jeder Einzelheit zu einer Wasserleitung.

Kirchhoff's first lawjunction ruleconservation of chargeΣI in = ΣI outwater analogyflow rate3D