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Sehen wir uns so ein Kerzenboot einmal genauer an. Die Abdeckung wird entfernt
(Vorsicht: teilweise scharfe Kanten).
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Der Tank.
Oben am Tank ist eine dünne Blechmembrane aus Messing eingelötet.
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Eine Kerze.
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Die Rohre am Heck sind offen.
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Schematische Darstellung eines Kerzenboots.
Zwei Rohre sind mit einem Tank verbunden.
Hinweis: Das Kerzenboot funktioniert genau so gut mit nur einem Rohr.
Mit einem Rohr könnte aber das Wasser nur schlecht eingefüllt werden.
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Die Rohre und der Tank werden mit Wasser gefüllt und das Kerzenboot wird
ins Wasser gelegt.
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Mit einer Flamme wird der Tank erwärmt. Es bildet sich Wasserdampf.
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Der Wasserdampf stösst das Wasser in beiden Rohren nach hinten. Das
ausströmende Wasser gibt dem Kerzenboot einen Impuls in Fahrtrichtung.
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Der Wasserdampf kondensiert an der kalten Rohrwand. Es strömt Wasser
zurück in den Tank. Das an den Rohrenden eingezogene Wasser zieht das
Kerzenboot ein bisschen zurück.
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Das Spiel beginnt von vorne.
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Im Mittelwert wird das Boot durch den starken Impuls, welcher durch das
Ausströmen des Wassers aus den Rohren entseht, in Fahrtrichtung bewegt.
Der Impuls in Rückwärts-Richtung beim Einsaugen des Wassers ist viel
kleiner.
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Das Kerzenboot tuckert sehr regelmässig. Verdampfungsprozesse sind aber
chaotisch. Die Regelmässigkeit entsteht wegen dem Schwingkreis
Dampf-Wassersäule.
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Der Dampf ist im Vergleich zu Wasser leicht kompressibel. Er verhält sich
wie eine Feder. Das Wasser in den Rohren verhält sich wie eine Masse.
Im
Bild rechts ist dieser Vergleich schematisch dargestellt.
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Natürlich ist der Schwingkreis wegen der Reibung stark gedämpft, aber die Güte reicht
trotzdem aus um den Verdampfungsprozess zu modulieren.
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Viele Leute vermuten, der Tank müsse nach einer gewissen Betriebszeit
wieder nachgefüllt werden. Dem ist nicht so. Die Wassersäule in den
Rohren wird nur etwas hin und her bewegt. Dampf gelangt nicht ins Wasser
und Luft wird nicht eingesogen. Das Boot fährt solange die Kerze brennt
und kein Kind das Boot kentern lässt.
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Kurzfilm: Das Kerzenboot wird festgehalten, Wasser wird aus den offenen
Rohren am Heck ausgestossen und wieder eingesogen.
Kurzfilm, Format avi, 400 kB.
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Die dünne Membrane oberhalb des Tanks verursacht das typische
Knattergeräusch. Die Membrane ist so geformt, dass sie
"springen" kann ähnlich wie bei einem Knackfrosch. Wegen den
Druckschwankungen im Tank springt die Membrane lautstark hin und her.
Die Membrane ist aus Messing hergestellt. Bei Eigenbaubooten wird die
Membrane häufig aus Edelstahl hergestellt, weil Edelstahl langlebiger ist.
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Kurzfilm der sich bewegenden Membrane. Zum Bewegen wird in diesem Film langsam Luft in
den Tank geblasen und wieder abgelassen. Es ist somit gut sichtbar was
sonst sehr schnell passiert und von Auge nicht mehr richtig erkannt werden
kann.
Kurzfilm, Format avi, 650
kB.
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Das Dampfboot ist ein ideales Studienobjekt für den
Physikunterricht. Je nach Anspruchsniveau kann verschieden tief auf
die Effekte eingegangen werden.
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Hier noch ein Fachartikel über Kerzenboote:
Physikalische Phänomene am Dampf-Jet-Boot H. Joachim Schlichting und
B. Rodewald, File pdf, 78 kB.
Es gibt noch viele weitere im Internet verfügbare Arbeiten und Seiten.
Suchen Sie z.B. in Google nach "Kerzenboot, Puttputtboat, Paff
paff Boot, Wasserkolbenboot".
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