Impulserhaltung und die Übertragung oder: Wie man das Auto von innen anschiebt. Der dargestellte einfache Versuchsaufbau demonstriert die Funktionsweise. Die schwingende Masse bzw. der Fahrer erzeugt die hin- und hergehende Bewegung des Systems. Der Trick zum Vorwärtskommen: Nutzung des nach vorne gerichteten Impulses und „Vernichtung“ des rückwärts-gerichteten Impulses.
Impulserhaltung oder wie man das Auto von innen anschiebt. Man kann das Auto nicht von innen anschieben, das behauptet zumindest Jobst Fiedler, ein Unternehmensberater. Von wegen!
Das Auto von innen anschieben geht rein physikalisch nicht, genauso wenig wie sich Herr Baron von Münchhausen am eigenen Schopf aus dem Sumpf ziehen konnte. Hier gelten natürlich die Gesetze der Physik und der Mechanik, genauer der Impulserhaltungssatz. Nimmt man jedoch noch die Dynamik zu Hilfe gelingt es eben doch sich selbst auf einer freischwingenden Schaukel anzuschucken oder eben auch das Auto von innen anzuschieben.
Wetten, es geht doch!
Diese Aussage erinnerte mich an eine Wette, die ich vor einigen Jahren gesehen habe. Bei dieser Wette behauptete ein Team, einen Bus von innen heraus bewegen zu können. Dazu bewegte sich das Team im Bus im Gleichschritt vor und zurück und schaffte es tatsächlich, den Bus über die Ziellinie zu bewegen und gewann damit die Wette.
Warum hat das nun in der Praxis funktioniert? Der Trick: Der rückwärtsgerichtete Impuls wird an die Umwelt/auf die Straße übertragen, aus dem System Fahrzeug an die Umgebung abgeleitet. Einer vom Team war doch draußen und hat immer einen Unterlegkeil unter das Rad geschoben, nach jeder Vorwärtsbewegung den Unterlegkeil nachgerückt. So konnte das Fahrzeug durch den Impuls der Mannschaft zwar vorwärts in Richtung Ziellinie aber nicht wieder zurückrollen. Der gleiche Effekt kann auch mit der Bremse erzielt werden. Die Bremse wird einfach nur während des Rückwärtsimpulses gedrückt und danach wieder gelöst. Diese Funktion wird zudem auch durch ein Freilaufgetriebe erzielt, eine nur in einer Drehrichtung wirkende Kupplung.
Der Impulserhaltungssatz
Der Impulserhaltungssatz besagt (vereinfacht): Solange ich keine Kraft nach außen ableiten kann, also keine Energie auf den Boden bekomme, solange komme ich nicht von der Stelle. Wenn ich z.B. durch mein schwingendes Körpergewicht einen Impuls erzeuge, muss dieser Impuls auch wieder ausgeglichen werden, ich muss auch wieder einen Gegenimpuls erzeugen (wenn ich nicht gegen die Windschutzscheibe knallen möchte). Und damit bewegt sich das Fahrzeug durch den erzeugten Impuls kurz, bewegt sich aber genauso schnell wieder in die Ausgangslage zurück. Beispiele sind das Lenkrad vor- und zurück reißen oder das Auf- und Abgehen in einem leichten Boot, das frei im Wasser schwimmt .
Impulserhaltung zusammengefasst: Das Fahrzeug kann von innen angeschoben werden durch
- den rückwärtsgerichteten Impuls durch Bremsen, Freilaufgetriebe oder einen Unterlegkeil an die äußere Umgebung ableiten
- abspringen (Raketenantrieb),
natürlich ist das nicht im Sinn des Erfinders, wenn man während der Fahrt die Insassen verliert, aber es funktioniert 😉 - die Reibung, insbesondere den Unterschied zwischen Haftreibung und Gleitreibung oder zwischen Rollreibung und Gleitreibung
Ähnliche Themen sind rückstoßfreier Pendel-Antrieb, Massen Pendel auf Fahrzeug, Foucaultsches Pendel als Antrieb, Impulserhaltungssatz und Antrieb/Raketenantrieb, Impulserhaltungssatz und Analogie.
Mit Hilfe der Impulserhaltung wurde gezeigt, dass die Aussage „Man kann ein Auto nicht von innen anschieben“ sehr kurz gesprungen ist.
Impulse und die Anwendung in der Praxis
Wofür werden die Impulse nun in der Praxis eingesetzt?
Zunächst helfen die Erhaltungssätze zur Berechnung von Systemen, von Geschwindigkeiten in Strömungen oder bei der Ermittlung von Geschwindigkeiten bei Stößen. Hierfür gibt es unzählige Beispiele.
Die Impulse werden auch als Antrieb verwendet. Klassisches Beispiel sind Raketenantriebe oder allgemeiner, Antriebe im Medium Luft oder im Medium Wasser. Hier werden durch Düsen oder Propeller Impulse übertragen und so Antriebe realisiert. Die sogenannten Strahlantriebe, berechnet mit Hilfe der Strahltheorie oder Impulse Theory.
Gerade bei Sport und Spiel nutzen wir Impulse oft intuitiv, zum Beispiel beim Laufen, Springen oder Schaukeln. Durch geschickte Bewegungen und Gewichtsverlagerungen gelingt es uns sogar, uns selbst auf der Schaukel anzutreiben.
Eine schöne technische Umsetzung ist das mechanische Laufpony, ein Ride-on-Toy-Pony. Der Reiter erzeugt eine Hin- und Herbewegung, wobei Freilaufräder (One-Way-Wheels) an den Beinen eine Rückwärtsdrehung verhindern. Das Schaukelpferd bewegt sich so in kleinen Schritten vorwärts. Durch eine ausgeklügelte Mechanik kann der Reiter die Beine des Pferdes spreizen und zusammenziehen. Durch die nach hinten blockierenden Räder, bewegt sich dadurch das Pferd in kleinen Schritten vorwärts.
Ein einfaches Beispiel ist der Antrieb des sogenannten Knatterboots. Ein Spielzeugboot mit Wasserimpulsantrieb. Das Wasser in einer Röhre wird durch eine Flamme erhitzt. Durch dieses Heizen entsteht Wasserdampf. Der Dampf benötigt ein größeres Volumen, presst das Wasser im Rohr nach hinten und erzeugt dadurch den Antrieb. Gleichzeitig fällt im beheizten Bereich des Rohres der Dampfdruck zusammen, dadurch fließt kaltes Wasser aus der Umgebung zurück in das Rohr. Dieses zugeführte Wasser wird wieder durch die Flamme erhitzt. Es entsteht ein weiterer Dampfstoß, gefolgt von einem erneuten ansaugen von kaltem Wasser. Also eine dauerhafte periodische Antriebsbewegung, ähnlich wie in einem Verbrennungsmotor. Auch diese Vorgänge lassen sich mithilfe der Energiebilanzen und Impulserhaltung beschreiben.
Zur Anregung von Strukturen werden Impulshämmer verwendet. Damit werden Strukturen angeregt und die erzeugten Kräfte durch Sensoren gemessen. Ebenso werden auch die Schwingungen, also die Reaktion oder Antwort der Struktur gemessen. So werden beispielsweise die Eigenfrequenzen von Strukturen ermittelt. Damit lassen sich Designoptimierungen durchführen. Im Betrieb können kritische Betriebsbedingungen, Schwingungen oder eine Geräuschentwicklung vermieden werden.
Schlagimpulse werden bei Schlagbohrmaschinen und Verdichtern verwendet. Diese Impulse erzeugen sehr hohe dynamische Kräfte, die genutzt werden. Gleichzeitig entstehen durch diese hohen Kräfte oft Kontaktprobleme und Verschleiß in den Antrieben. Das Engineering und die Verifizierung dieser Antriebe und Kontakte ist unser Spezialgebiet.
Impulse wie oben dargestellt werden auch bei Schwingförderern oder Vibrationswendelförderern eingesetzt. Diese Antriebskonzepte werden einsetzt, um überlagerte Bewegungen oder Transportbewegungen z.B. bei Verarbeitungsmaschinen zu erzeugen. So werden Bewegungen für die Zuführung oft mit einer Sortierung und Lageorientierung der Produkte erzeugt. Durch diese überlagerte Chargierbewegungen oder Schwingungen wird ein Verklemmen vermieden und die Reibung minimiert.
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