Knatterboot

Knatterboot

Das Knatter-, Tuk-Tuk, Putt-Putt- oder Puff-Paff-Boot ist ein Spielzeugboot mit Rückstossantrieb. Der einfache Motor kommt ohne bewegte Teile wie Kolben, Ventile oder Räder aus. Als Energiequelle dient eine Kerze oder eine andere Wärmequelle. Am Heck des Bootes ragen unterhalb der Wasserlinie zwei parallel ausgerichtete Rohre heraus. Durch die Rohre wird Wasser angesaugt und wieder ausgestossen. Aus der Impulsbilanz folgt, dass sowohl das ausströmende wie auch das einströmende Wasser das Boot vorwärts treibt.

Funktionsprinzip des Motors

Flachverdampfer

Tuk-Tuk-Boot mit Flachverdamper

Ein flacher Verdampfer ist horizontal über der Flamme positioniert. Von beiden Seiten des Verdampfers laufen zwei kleine Röhren zum Heck des Bootes, wo sie unterhalb der Wasserlinie münden. Zwei Röhren sind für die Funktion des Antriebes nicht erforderlich, erleichtern aber die blasenfreie Befüllung mit Wasser vor der Inbetriebnahme. Der sich bildende Dampf drückt das Wasser in den beiden Röhrchen weg. Sobald das Wasser weit genug ausgeflossen ist, kommt ein Teil des Wasserdampfes in Berührung mit den von aussen gekühlten Rohrstücken. Mit der durch das Kühlen verursachten Kondensation des Dampfs sinkt der Druck im Verdampfer unter den Umgebungsdruck, womit das Wasser wieder angesaugt wird und der Dampf von der kühlenden Zone weggedrückt wird. Danach beginnt ein neuer Zyklus, der die Wassersäulen in den Röhrchen in einer permanenten Schwingung hält.

Das knatternde Geräusch des Bootes entsteht nicht direkt durch den Verdampfungsvorgang, sondern durch eine spezielle Konstruktion des Verdampfers. Die aus Federstahlblech gefertigte Oberseite ist als Knackfrosch]] ausgeformt, der durch den schnellen Druckwechseln hin- und her springt und dabei jeweils ein knackendes Geräusch erzeugt.

Spiralverdampfer

Tuk-Tuk-Boot mit Spiralverdampfer

Eine einfachere aber genauso effiziente Konstruktion des Knatterboots basiert auf einer einzigen dünnen Kupfer- oder Aluminiumröhre von etwa drei bis vier Millimeter Innendurchmesser. Die Röhre wird im Mittelteil so zu einer Spirale gewunden, dass die beiden Enden parallel und gleich lang abgehen. Die Spirale dient als Verdampfer. Ein Spiralverdampfer arbeitet geräuschlos und kann ein Boot bei entsprechender Energiezufuhr mit einer Geschwindigkeiten von 10 bis 20 Zentimeter pro Sekunde vorwärts treiben.

Impulsbilanz

In Bewegungsrichtung wirkt nur eine resultierende Druckkraft auf das Boot ein. Daneben tauscht das Boot durch die beiden Rohre konvektiv Impuls mit der Umgebung aus. Legt man die Systemgrenze unmittelbar über die Metalloberfläche und den Abschlussquerschnitt der beiden Rohre, lautet die Impulsbilanz

[math]F_D+I_{px}=\dot p_x[/math]

Die resultierende Druckkraft kann in guter Näherung als Strömungswiderstand modelliert werden

[math]F_D=-k|v_x|v_x[/math]

Die Stärke des konvektiven Impulsstromes bezüglich des Bootes kann mit Hilfe der Strömungsgeschwindigkeit im Rohr v_s und des Querschnitts beider Rohre A beschrieben werden

[math]I_{px}=(v_x+v_s)I_m=(v_x v_s+v_s^2)\rho A[/math]

Steht das Schiff im Moment still oder fährt es vorwärts, transportiert der Massenstrom sowohl beim Aus- als auch beim Einströmen Impuls ins Schiff hinein.

Vernachlässigt man den Umstand, dass sich das Wasser im Rohr ein wenig anders bewegt als das Boot, darf der Impuls durch Masse mal Geschwindigkeit ersetzt werden. Die Impulsbilanz lautet dann

[math]{-}k|v_x|v_x+(v_x+v_s)I_m=\dot mv_x+m\dot v_x[/math]

Wie bei der Rakete lässt sich die Impulsbilanz mit Hilfe der Massenbilanz

[math]I_m=\dot m[/math]

vereinfachen

[math]{-}k |v_x|v_x + v_s I_m = m \dot v_x[/math]

Die Beschleunigung des Schiffes ist damit gleich

[math]\dot v_x=\frac{1}{m}\left(\rho A v_s^2-k|v_x|v_x\right)[/math]

Beim Ansaugen des Wassers könnte im Bereich der Rohrenden der Druck leicht absinken und eine kleine Sogwirkung entfalten. Dank der scharfkantigen Geometrie der Rohrenden dürfte die damit verbundene Kraft klein sein. Die Aussage, dass sowohl der ausströmende wie auch der danach wieder zurück fliessende Massenstrom Impuls ins Boot hinein bringt, erscheint irgendwie paradox. Die Aussage gilt auch nur, falls die Bezugsrichtung in Fahrtrichtung zeigt. Wählt man die Bezugsrichtung nach hinten, wird in beiden Phasen Impuls aus dem Boot abtransportiert. Aber dann bewegt sich das Boot auch in negative Richtung und weist somit einen Impulsmangel auf. Wer nach einer anschauliche Erklärung sucht, lese einmal die Geschichte des schweizerischen Nationalhelden und seines unterbelichteten Bruders.