Venturi-Effekt: Geschwindigkeit erhöhen, Druck verringern
1 · Vorhersagen
Wasser fließt durch ein Rohr, das sich teilweise verengt, wie bei einem Gartenschlauch, dessen Ende mit dem Daumen bedeckt ist. Was passiert mit dem Wasserdruck in der Engstelle?
- In der Engstelle steigt der Druck, da das Wasser stärker komprimiert wird.
- Der Druck nimmt in der Engstelle ab, weil das Wasser schneller wird.
- Der Druck bleibt durchgehend gleich – nur die Geschwindigkeit ändert sich.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Fluid-Venturi-Preset und drücken Sie „Zurücksetzen“. Wasser fließt gleichmäßig durch ein Rohr mit einem breiten Querschnitt (A₁) und einer schmalen Kehle (A₂).
- Aktivieren Sie die Messwerte für Halsgeschwindigkeit und Druckabfall.
- Stellen Sie für jeden Versuch die Breitquerschnittsfläche, die Halsfläche und die Einlassgeschwindigkeit ein und notieren Sie die Werte für die Halsgeschwindigkeit und den Druckabfall.
3 · Daten sammeln
| Querschnittsfläche des weiten Abschnitts A₁ (m²) | Halsbereich A₂ (m²) | Einlaufgeschwindigkeit v₁ (m/s) | Schlundgeschwindigkeit v₂ (m/s) | Druckänderung ΔP = P₂ − P₁ (kPa) |
|---|---|---|---|---|
| 4.00e-4 | 1.00e-4 | 2.00 | ||
| 4.00e-4 | 1.00e-4 | 3.00 | ||
| 4.00e-4 | 2.00e-4 | 4.00 |
Tragen Sie die Druckänderung ΔP (y-Achse) gegen die Halsgeschwindigkeit v₂ (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf.
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch v₂ = A₁v₁/A₂ aus der Kontinuität und dann ΔP = P₂ − P₁ = ½ρ(v₁² − v₂²) aus der Bernoulli-Gleichung. Vergleichen Sie beide mit den Messwerten – ΔP fällt negativ aus; das ist die vorzeichenbehaftete Form der Aussage „der Druck ist an der Engstelle gesunken“.
- Erklären Sie mit der Energieerhaltung, warum der Druck einer Flüssigkeit dort sinken muss, wo ihre Geschwindigkeit in einem horizontalen Rohr zunimmt.
5 · Vertiefen
- Vergaser und Parfümzerstäuber nutzen den Venturi-Effekt, um eine zweite Flüssigkeit an der Engstelle anzusaugen. Erklären Sie anhand Ihrer Druckänderungsdaten, warum ein Tiefdruckbereich dort Flüssigkeit durch ein Seitenrohr nach oben ziehen kann.
- Das Fluid-Wing-Experiment verwendet dasselbe Kontinuitäts- und Bernoulli-Modell mit Luft anstelle von Wasser. Würden Sie erwarten, dass der Druckunterschied bei gleichen Geschwindigkeiten und Flächen größer oder kleiner ist? Warum?
Die Physik hinter diesem Experiment
Kontinuitätsgleichung
Für eine inkompressible Flüssigkeit in einem Rohr muss der Volumenstrom (Fläche × Geschwindigkeit) überall entlang des Rohrs gleich sein: A₁v₁ = A₂v₂. Durch die Verengung des Rohrs wird die Flüssigkeit beschleunigt.
Bernoulli-Gleichung
Entlang einer horizontalen Stromlinie bleibt der Druck einer Flüssigkeit plus ihre kinetische Energie pro Volumen konstant: P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂². Bei steigender Geschwindigkeit muss zum Ausgleich der Druck sinken.