Laborpraktikum Solitäre Wellen : Versuchsdurchführung und Ergebniserfassung

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1 LEICHTWEIß-INSTITUT FÜR WASSERBAU Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen Professor Dr.-Ing. Hocine Oumeraci Laborpraktikum Solitäre Wellen : Datum: Gruppen-Nr: Studenten/innen: Lfd. Nr. Vorname Name Matrikel - Nr Anerkannt am: Nicht anerkannt am: Unterschrift: Stand:

2 Wichtige Hinweise zur Durchführung der Versuche Für die Versuchsdurchführung ist es sinnvoll jedem Gruppenmitglied eine Teilaufgabe zuzuordnen. Nach einer gewissen Zeit sollten die Aufgaben getauscht werden, damit möglichst jedes Gruppenmitglied alle Teilaufgaben mindestens einmal durchgeführt hat. Nach jeder Störung der Wasseroberfläche durch einen Umbau, eine Welle o. a. muss solange gewartet werden bis sich der Wasserspiegel wieder beruhigt hat und glatt ist. Dies kann bis zu zehn Minuten dauern. Nutzen Sie diese Zeit möglichst sinnvoll. Die Gummidichtungen der Schieber müssen vorsichtig behandelt werden! Sie reißen leicht ab, da sie während der Versuche stark beansprucht werden. Die Gummidichtungen müssen so in die Führungsnuten geschoben werden, dass sich die Dichtungen auf der Seite mit dem höheren Wasserstand befinden, damit sie wirksam sind. Teilen Sie Ihre Zeit gut ein! Die Versuche werden von 1 bis 3 komplexer. Versuch 3 dauert mindestens doppelt so lange wie Versuch 1. Erzeugung einer solitären Welle Grundsätzlich wird der Soliton bei allen drei Versuchen mit dem Schieber auf die gleiche Art erzeugt. Im Folgenden wird dies beschrieben. Stellen Sie den gewünschten Wasserstand im Kanal ein. Führen Sie den Schieber sorgfältig in die Führungsnuten der Plexiglasplatten ein. Danach erhöhen Sie den Wasserspiegel in dem abgetrennten kleinen Raum hinter dem Schieber mit Wasser aus dem Kanal. Es stehen geeignete Messbecher oder kleine Eimer zur Verfügung. Bei den Schiebern ist zu beachten, dass sich die Gummidichtungen an der Seite mit dem höheren Wasserspiegel befinden müssen, um den Schieber abzudichten. Da die Dichtungen das Wasser nicht vollkommen zurückhalten, fließt eine geringe Menge stets wieder zurück. Der Wasserspiegel hinter dem Schieber muss also beim Einfüllen höher sein als der angestrebte Wasserspiegel. Eine schematische Darstellung davon ist in Abbildung 1 zu sehen. Ist die gewünschte Wasserspiegeldifferenz z vor und hinter dem Schieber erreicht, wird dieser zügig hochgezogen. Dadurch entsteht eine ausgeprägte solitäre Welle. Je größer die 2

3 SCHIEBER 1 SCHIEBER 2 h1 z 1 z 2 h2 HINTEN VORNE Abb. 1: Schematische Darstellung der Wasserspiegeldifferenzen für Versuch 1 und 2 Höhendifferenz des Wasserspiegels vor und hinter dem Schieber ist, desto höher und steiler wird die Welle, bis sie eine Höhe erreicht, bei der sie bricht. Dies ist bei der Versuchsdurchführung zu vermeiden, da die Solitone vor dem Brechen untersucht werden sollen. * In der Zeit bis die Wasserspiegeldifferenz soweit gesunken ist, dass sie den gewünschten Wert angenommen hat, kann sich der Wasserspiegel im Kanal beruhigen bis er wieder glatt ist. Probieren Sie das Zusammenspiel der Faktoren gewünschte Höhendifferenz und Wasserspiegelberuhigung aus und optimieren Sie es im weiteren Verlauf des Laborpraktikums. Kontrollieren Sie die Höhendifferenz in kurzen Intervallen mit einem Gliedermaßstab. Kurz bevor die Wasserspiegel vor und hinter dem Schieber die gewünschte Höhendifferenz erreichen, sollte das Messprogramm gestartet werden. Nach Ablauf der vorher eingestellten Zeit zur Bestimmung der Nulllinie, muss der Schieber möglichst zügig, d. h. sehr schnell, hochgezogen werden. Er kann zunächst zur Seite gelegt werden. Bei allen Handlungen mit dem Schieber muss darauf geachtet werden, dass die Dichtungen nicht beschädigt werden. Nach dem Ziehen des Schiebers wird gewartet, bis das Messprogramm die eingestellte Zeitspanne gemessen hat. Ein Versuchsdurchgang ist beendet, und es kann nach Wasserberuhigung ein erneuter Versuchsdurchgang beginnen. Der Wasserstand im Kanal muss ggf. wieder eingestellt werden. Die Räume hinter dem jeweiligen Schieber können * Die horizontale Position des Schiebers im Kanal bestimmt die Größe des vom Schieber abgetrennten Kanalteils. Je größer die Wassermasse hinter dem Schieber ist, desto länger zieht sich die Welle auseinander. Sie bleibt daher relativ flach. Für die Versuche wird eine relativ steile, kurze Welle benötigt. Finden Sie eine geeignete Kombination von Wasserspiegeldifferenz und Wassermasse hinter dem Schieber, um eine solche Welle zu erzeugen! 3

4 wieder aufgefüllt und der Wasserspiegel beruhigt werden. Dies wird mindestens dreimal hintereinander durchgeführt, um eine möglichst sichere Datenlage zu erhalten. Dieser Versuch erfordert die Koordination der Studentinnen/der Studenten, die die Schieber und das Messprogramm bedienen. Nachfolgend wird beispielhaft der Ablauf der einzelnen Tätigkeiten für die Versuchsdurchführung bei Versuch 1 beschrieben. Ergänzen Sie bitte eigenständig die Arbeitsschritte für die Versuche 2 und 3 in den jeweiligen Abschnitten. Vorschlag für den zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte für Versuch 1: 1. Wasser hinter den Schieber füllen. 2. Wasserspiegeldifferenz kontrollieren. 3. Warten bis sich das Wasser im Kanal beruhigt hat. 4. Wasserspiegeldifferenz kontrollieren. 5. Messprogramm starten. 6. Wasserspiegeldifferenz kontrollieren und notieren. 7. Schieber zügig hochziehen. 8. Abwarten, bis die Messung beendet ist. Raum für Notizen, eventuelle Änderungen des Ablaufs: 4

5 Fragen zu Versuch 1: In Versuch 1 wird eine solitäre Welle mit Hilfe des Schiebers 1 erzeugt und untersucht. Die Plexiglasplatten mit den Führungsnuten für die Schieber können, auch wenn der dazugehörige Schieber gerade nicht benutzt wird, im Kanal belassen werden. So können die Schieber nach Versuch 1 ohne Umbau für den nachfolgenden zweiten Versuch benutzt werden. 1.1 Zwischen welchen Wasserspiegeldifferenzen (in Zentimetern) erhalten Sie einen gut ausgeprägten Soliton? Experimentieren Sie! Was ist für die Messung sinnvoll? Wasserspiegeldifferenz [cm]: von bis. Erläutern Sie die Gründe für die von Ihnen gewählten Grenzen: 1.2 Skizzieren Sie die Oberflächenform des von Ihnen erzeugten Solitons im Querschnitt von der Seite! 5

6 1.3 Ab welcher Wasserspiegeldifferenz (in Zentimetern) bricht der Soliton? Welche Wellentheorie liefert das Brechkriterium? Wie lautet es? Experimentieren Sie! Wasserspiegeldifferenz [cm]: 1.4 Warum entstehen weitere Wellen im Kanal, während der Soliton hin und her läuft? 6

7 LEICHTWEIß-INSTITUT FÜR WASSERBAU Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen Professor Dr.-Ing. Hocine Oumeraci 1.5 Bitte füllen Sie die Tabelle mit den von Ihnen gemessenen Werten aus. Welche Geschwindigkeit hatten die Solitone? Erläutern Sie Ihre Ergebnisse separat und grafisch. Versuch 1a - 01 t1 Versuch 1a - 02 Versuch 1a abstand [m]: t2 Δt abstand [m]: abstand [m]: c t3 3-4 abstand [m]: t4 Δt abstand [m]: abstand [m]: c t5 5-6 abstand [m]: t6 Δt abstand [m]: abstand [m]: c 7

8 LEICHTWEIß-INSTITUT FÜR WASSERBAU Abteilung Hydromechanik und Küsteningenieurwesen Professor Dr.-Ing. Hocine Oumeraci 1.6 Welche Wellenhöhen in [cm] haben Sie an den n gemessen? Berechnen Sie die maximalen Höhendifferenzen pro Lauf und pro. Erläutern Sie Ihre Ergebnisse auf einem separaten Blatt. Versuch 1a zu 6 H1 H2 H3 H4 H5 H6 Versuch 1a - 02 Versuch 1a

9 1.7 Was können Sie aus Ihren Ergebnissen schließen? Gehen Sie auf die Eigenschaften Wellengeschwindigkeit und Wellenhöhe ein. 9

10 Fragen zu Versuch 2 Überholvorgang zweier solitärer Wellen Beim zweiten Laborversuch werden kurz nacheinander zwei unterschiedliche Solitone am hinteren Ende des Kanals erzeugt, die sich gegenseitig überholen. 2.1 Beschreiben Sie bitte kurz (in Stichworten) die von Ihnen durchgeführten Arbeitsschritte bei diesem Versuch. Ergänzen Sie die fortlaufende Nummerierung der Arbeitsschritte, falls erforderlich Überholen sich die beiden Wellen vor, bei oder hinter den n 3 und 4? Markieren Sie bitte in der Übersicht über die Zeitreihen jeweils die Wasserspiegelauslenkungen η, die zu Welle C (die erste) und Welle D (die zweite) gehören! 10

11 2.3 Wie groß ist die Geschwindigkeit c von Welle C und D vor und nach dem Überholvorgang? Nutzen Sie die unten stehende Tabelle zur Berechnung der Wellengeschwindigkeit c während des ersten Laufs. Erläutern Sie Ihre Ergebnisse auf einem separaten Blatt. Gibt es Auffälligkeiten? Was haben Sie erwartet? Welle C (erste Welle) Welle D (zweite Welle) t [s] Δt [s] c [m/s] t [s] Δt [s] c [m/s] abstand [m]: abstand [m]: Versuch Versuch Versuch

12 2.4 Welche Wellenhöhen in [cm] haben Sie an den n gemessen? Berechnen Sie die maximalen Höhendifferenzen pro Lauf und pro. Erläutern Sie Ihre Ergebnisse auf einem separaten Blatt, gerne auch mit grafischer Auswertung. Wie verändert sich die Wellenhöhe vor und nach dem Überholvorgang? Welle C Versuch zu 6 H1 H2 H3 H4 H5 H6 Versuch 2-02 Versuch

13 Welle D Versuch zu 6 H1 H2 H3 H4 H5 H6 Versuch 2-02 Versuch

14 2.5 Was können Sie aus Ihren Ergebnissen schließen? Gehen Sie auf die Eigenschaften Wellengeschwindigkeit und Wellenhöhe ein. 2.6 Welche Fehlerquellen können bei der Versuchsdurchführung auftreten? Führen Sie eine kurze Fehlerdiskussion für alle Versuche durch. 14

15 Fragen zu Versuch 3 Kollision zweier solitärer Wellen Der dritte Laborversuch besteht aus der Kollision zweier solitärer Wellen aus entgegengesetzten Richtungen. Die beiden Wellen werden mit beiden Schiebern (Schieber 1 und 2) zeitlich ausgelöst, so dass sie sich annähernd in der Mitte des Kanals treffen.beschreiben Sie bitte kurz (in Stichworten) die von Ihnen durchgeführten Arbeitsschritte bei diesem Versuch. Ergänzen Sie die fortlaufende Nummerierung der Arbeitsschritte, falls erforderlich Treffen sich die beiden Wellen vor oder hinter den n 3 und 4? Markieren Sie bitte in der Übersicht über die Zeitreihen jeweils die Wasserspiegelauslenkungen η, die zu Welle A (von vorne) und Welle B (von hinten) gehören! 15

16 3.3 Wie groß sind die Geschwindigkeiten c von Welle A und B vor und nach der Kollision? Nutzen Sie unten stehende Tabelle zur Berechnung der Wellengeschwindigkeit c während des ersten Laufs. Erläutern Sie Ihre Ergebnisse auf einem separaten Blatt. Gibt es Auffälligkeiten? Was haben Sie erwartet? Welle A (Lauf von vorne) Welle B (Lauf von hinten) t [s] Δt [s] c [m/s] t [s] Δt [s] c [m/s] abstand [m]: abstand [m]: Versuch Versuch Versuch

17 3.4 Welche Wellenhöhen in [cm] haben Sie an den n gemessen? Berechnen Sie die maximalen Höhendifferenzen pro Lauf und pro. Erläutern Sie Ihre Ergebnisse auf einem separaten Blatt. Wie verändert sich die Wellenhöhe vor und nach der Kollision? Welle A Versuch zu 6 H1 H2 H3 H4 H5 H6 Versuch 3-02 Versuch

18 Welle B Versuch zu 6 H1 H2 H3 H4 H5 H6 Versuch 3-02 Versuch

19 3.5 Was können Sie aus Ihren Ergebnissen schließen? Gehen Sie auf die Eigenschaften Wellengeschwindigkeit und Wellenhöhe ein. 19

20 Verbesserungsvorschläge, Anmerkungen, Kritik Zum Schluss möchten wir Sie um Rückmeldung zu dem Laborpraktikum bitten, um die Lehre an der TU Braunschweig noch weiter zu verbessern. Haben Sie Kommentare, Anmerkungen oder Verbesserungsvorschläge für künftige Laborpraktika? Unten haben Sie Gelegenheit dies aufzuschreiben. 20