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, erleichtert aber die blasenfreie Befüllung mit Wasser vor der Inbetriebnahme. Erreicht das Wasser den Siedepunkt, kommt zu einer schlagartigen Verdampfung und das Wasser in den Röhren wird ausgestossen. Nach dem Ausstossen des Wassers und des überschüssigen Dampfes kühlt das eindringende, kalte Wasser den restlichen Dampf ab. Der dadurch erzeugte Unterdruck saugt weiteres Wasser in den Verdampfer. 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]