Lösung zu Abfüllwaage

Aus SystemPhysik
Version vom 23. Februar 2010, 09:32 Uhr von Thomas Rüegg (Diskussion | Beiträge)
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1. ohne Loch im Becherglas

Die Impulsbilanz bezüglich des Systems Becherglas lautet (positive Richtung nach unten)

[math]{-}F_N + F_G + I_{p2} = 0[/math]

Die Stärke des konvektiven Impulsstromes Ip2 ist gleich

[math]I_{p2} = \rho v_2 I_{V1} = \rho v_2 v_1 A_1 [/math]

Die Geschwindigkeiten beim Ausfluss v1 und beim Auftreffen auf die Wasseroberfläche v2 ergeben sich aus der Energiebilanz (Torricelli)

[math] v_1 = \sqrt{2gh_1} = 4.43 m/s, \quad v_2 = \sqrt{2gh_2} = 5.24 m/s[/math]

Bei einer Fläche A1 = 0.000'314 m2 beträgt der Volumenstrom IV1 = v1 * A1 = 0.00139 m3/s:

Also gilt für den konvektiven Impulsstrom

[math]I_{p2} = 2 g \rho A_1 \sqrt{h_1 h_2}[/math] = 7.29 N

Bei einer totalen Masse von 2 kg + 1000 kg/m3 * 0.2 m * π/4 * (0.1 m)2 = 3.57 kg und einer Gewichtskraft von 35.0 N hat die Normalkraft (entspricht der Waagenanzeige) einen momentanen Wert von

[math]F_N = F_G + I_{p2}[/math] = 42.3 N

2. mit Loch im Becherglas

Die Volumenströme IV1 und IV3 durch die beiden Ausflusslöcher sind gleich gross, weil der Wasserspiegel im Becherglas auf konstanter Höhe bleibt. Die Geschwindigkeit v3 im Loch des Becherglases beträgt: [math] v_3 = \sqrt{2gh_3}[/math] = 1.98 m/s. Daraus kann man die Stärke des zweiten konvektiven Impulsstromes im Boden des Becherglases berechnen:

[math]I_{p3} = \rho v_3 I_{V3} = \rho \sqrt{2gh_3} I_{V1} = 2 \rho g \sqrt{h_3 h_1} A_1[/math] = 2.8 N

Aus der Impulsbilanz [math]{-}F_N + F_G + I_{p2} - I_{p3} = 0[/math] erhält man wieder die Festhaltekraft (oder Normalkraft)

[math]F_N = F_G + I_{p2} - I_{p3}[/math] = 39.5 N

Aufgabe