1 Helbring cültz 0312200924092010 Vorwärts in die Vergangeneit: Von der Wasserstralkerze zum Heronsbrunnen Einleitung Eine Wasserstralkerze ist eine patentierte unktionseineit, bei der mittels eigener ystemenergie, oberalb der oberen Potenzialebene potenzielle in kinetisce Energie umgewandelt werden kann. Beispielsweise in der orm, dass eine ontäne oberalb der obersten Wasseroberfläce sictbar nac oben austritt. Vor ca. 2000 Jaren (20 bis ca. 62 n. Cr.) lebte ein in Ägypten geborener Griece namens Heron 1 von lexandria. Er war damals offenbar so etwas wie ein Universalgenie und befasste sic mit Mecanik, Tecnik, Pneumatik, Matematik und Pysik, und ersann u. a. den Heronsbrunnen, bei dem ebenfalls oberalb der obersten Wasseroberfläce ein Wasserstral senkrect nac oben austritt. In diesem rtikel soll u. a. ermittelt werden, ob die beiden ysteme - Wasserstralkerze und Heronsbrunnen etwas Gemeinsames aben, wenn ja: was? Wasserstralkerze Von der Wasserstralkerze deren Patent am 03.01.2008 2 erteilt wurde, gibt es zwei Bauarten: die aufgelöste und die integrierte Bauart. Beide funktionieren nac demselben Prinzip, sind aber verscieden gestaltet. In beiden ällen wird durc das Umwandeln von potenzieller Energie ( PE ) in Bewegungsenergie eine ontäne oberalb der obersten Wasseroberfläce erzeugt. Da der Energievorrat des ystems endlic ist, versiegt die ontäne sobald der Hocbeälter leer gelaufen ist. Beide Bauarten besteen grundsätzlic aus je einem teigleitungstrakt und einem allleitungstrakt. Beide Teilsysteme sind jeweils durc einen Unterdruck Koppelbereic funktional miteinander verbunden. iee Bild 1 und Bild 2. Umwand lung in kinetisce Energie (ontäne) tatisces Potenzial Hoc becken (Hoc Beälter) PE teigleitung allleitung Null Potenzial Basisbecken (Basis Beälter) Bild 1: ufgelöste Baua rt Bild 2: Integrierte Bauart = Unterdruc k Koppelbere ic = Wasseroberfläc e
2 unktionsbescreibung der Wasserstralkerze mit Unterdruck Koppelbereic Die Grundfunktion der Wasserstralkerze mit Unterdruck Koppelbereic berut auf einem Gleicgewictszustand der umme aller Drucksäulen (Wasser- und Luftdrucksäulen) im ystembereic. Matematisc bedeutet dies, dass die umme aller Drücke in der teigleitung, der allleitung, dem Unterdruck- bzw. Restdruckbereic und dem Luftdruck (Umgebungsdruck) gleic null ist. Ein solcer Zustand lässt sic am leictesten an einem statiscen Modell mit ruenden Wassersäulen bescreiben, aber auc die Gleicwertigkeit von dynamiscen und statiscen Wassersäulen demonstrieren. Zu diesem Zwecke wird in Bild 3 die teigleitung L aus zwei Teilstücken gebildet (s. ufsatz in Bild 3). ür die Luftdruckangabe in mm Wassersäule gilt folgende Berecnung: s PE D dyn sta t Bild 3 RD L L Berecnung RD+ -= 0 --> = -RD ) --> = RD+ -= 0 --> = -RD ür = dyn + stat folgt = dyn + sta t Legende RD = Restdruc k (Unterdruck) in mm W = Luftdruck (Um gebungsdruck) in mm W L= teigleitung L = allleitung = Hoc beälter = Basisbeä lter = ufsatz PE = allöe der Potenzialenergie in mm = Wa ssersäule in de r teigleitung in mm = Wassersäule in der allleitung in mm W = Wa ssersäule Die umme aus dyn + stat ergibt die gesamte Wassersäulen Drucköe s der teigleitung. Das gesamte ystem befindet sic so lange statisc im Gleicgewict und im Ruezustand als = bzw. = dyn + stat ist. uf der Düsenöffnung D lastet dabei der statisce Druck dyn. Wird nun der rot eingezeicnete ufsatz von der teigleitung L entfernt, dann entfällt an der Düsenöffnung D der Gegendruck mit der Drucköe dyn weil die Gleicung = dyn + stat überget in > sta t da dyn null wird. Das nun an der Düsenöffnung ansteende freie statisce Potenzial one Gegendruck wird in Bewegungsenergie umgesetzt, so dass eine ontäne nac oben sprüt. Verursact wird dies durc den Energiespeicer und mit der allöe PE. Die durc die ontäne strömende Wassermenge fließt durc die allleitung in den Basisbeälter. Dieser Vorgang ält so lange an, bis alles Wasser aus dem Hocbeälter abgeflossen ist. Die Potenzialenergie PE, die als einzige Energiequelle im ystem wirkt, wird dann null und die ontäne versiegt. iee Bild 1, Bild 2 und Bild 11.
3 Gleicwertigkeit dynamiscer und ruender Wassersäulen Wird der ufsatz, wie scon gesagt, von der teigleitung L entfernt, so brict die mit dyn bezeicnete statisce Höe der Drucksäule zusammen. tattdessen erebt sic dann an selber telle eine ontäne, eine dynamisce Wassersäule, deren Höe teoretisc maximal den Betrag von PE annemen kann. In der Praxis wird die Höe der ontäne, d.. die Höe der dynamiscen Wassersäule geringer sein, als die Höe der äquivalenten statiscen Wassersäule, weil bei der Betractung von dynamiscen Vorgängen deren Gegenwirkungen wie Reibungskräfte und Massenträgeit der bewegten Wassersäulen berücksictigt werden müssen. Herleitung der Wasserstralkerze (WK) mit Luftdruck Koppelbereic Die derzeit bekannte Wasserstralkerze mit Unterdruck Koppelbereic at zwei grundlegende unktionsbereice: den Unterdruck Koppelbereic und den Luftdruck beaufsclagten Energiespeicer. Dieser bestet aus, und der allöe PE gemäß Bild 3, sowie Bild 1 und Bild 2. Die allöe PE wird durc die Höendifferenz zwiscen der Wasseroberfläce im Hocbeälter und der Wasseroberfläce im Basisbeälter gebildet. Es andelt sic also um Lageenergie, deren Energiepotenzial dadurc abgearbeitet wird, dass der Wasser Vorrat aus dem Hocbeälter in den Basisbeälter abfließt. Dieser Vorgang findet in dem öer gelegenen Unterdruck Koppelbereic statt, in welcem das bfließen des Wassers mittels der ontäne sictbar wird. iee scematisce Darstellung in Bild 1 und Bild 2, sowie das Poto eines unktionsmodells in Bild 11. In diesem Zusammenang stellt sic aber die rage, ob die WK auc mit einem Luftdruck Koppelbereic realisierbar ist? Dazu wird Bild 3 in der orm modifiziert, dass: 1. der Luftdruck beaufsclagte Energiespeicerbereic (, und PE ) in Bild 4 von einem gedacten und stric-punktiert dargestellten, ermetisc abgesclossenen Beälter, der einen Überdruck aufweist, umsclossen wird; und, dass 2. der obere Teil, die Kuppel, der allleitung L abgetrennt und die allleitung nac oben geöffnet wird. Dadurc kann auf die freien Wassersäulenoberfläcen in der mit verlängerten teigleitung und auf die der Wassersäule in der allleitung L, der Luftdruck wirken. iee Bild 4. In diesem wird nur eine qualitative, keine quantitative, Darstellung gezeigt. PE L L Legende = Überdruck in mm W = Luftd ruck in mm W L= te igleitung L= allleitung = Hoc beälter = Basisb eälter = ufsatz = allö e der Potenzialenergie PE = gedac ter Überdruc kbeälter Bild 4
4 Das so entstandene Modell nac Bild 4 kann folgendermaßen umgestaltet werden: 1. Der teigleitungstrakt wird von Bild 5a übergefürt in Bild 5c. 2. Der allleitungstrakt wird von Bild 5b in Bild 5d übergefürt und am oberen Ende durc eine uffangscale ergänzt. a L L Luftdruck b eaufscla gter Koppe lbereic L b Legende = Überdruck = Luftdruck L = teigleitung L = allleitung = Hoc beälter = Basisbeälter = ufsatz = uffangscale = gedac ter Überdruckbeälter = Bereicsabg renzung L Üb erdruc k b eaufsclagter Energiespe ic er c Bild 5 d Die zwei Überdruck / Luftdruck äquivalenten Eineiten nac Bild 5c und Bild 5d werden in Bild 6 zu einer WK mit Energiespeicer mit Überdruck zusammengefügt. us den Berecnungen ist zu erseen, dass die WK mit Unterdruck Koppelbereic funktional völlig identisc ist mit der WK mit Luftdruck Koppelbereic. iee Bild 3 und Bild 6. Ü D dyn Berec nung - -= 0 --> = - ) - -= 0 --> = - --> = ür = dyn + sta t folgt = + dyn stat stat PE L L Legende = Üb erdruck in mm W = Luftdruck (Um geb ungsdr.) in mm W L = teigleitung L = allleitung = Hoc beälter = Ba sisbeälter = ufsatz = uffangscale = allöe der Potenzialenergie PE = Wassersäule in der teigleitung = Wassersäule in der allleitung Ü = Überstand W = Wassersäule Bild 6
5 omit ist bewiesen, dass es möglic ist eine WK mit Luftdruck Koppelbereic zu realisieren. ußerdem stet fest, dass es eine WK mit Luftdruck Koppelbereic geben muss, wenn es eine WK mit Unterdruck Koppelbereic gibt. Carakterisierung der Wasserstralkerze (WK) - owol die WK mit Unterdruck Koppelbereic als auc die WK mit Luftdruck Koppelbereic besteen gegenständlic jeweils aus einem teigleitungstrakt und einem allleitungstrakt. unktional besteen beide ysteme jeweils aus einem Energiespeicer und einem Koppelbereic. Der Koppelbereic ist aber weder der Energiespeicer, noc ein Teil davon! Dem widersprict der Energieeraltungssatz. - Im Energiespeicer ( und, mit der gespeicerten potenziellen Energie PE ) erfolgt der bbau des Energievorrates durc das bfließen der bevorrateten Wassermenge aus dem Hocbeälter in den Basisbeälter. Dies wird verursact durc das Energiegefälle im Energiespeicer. Die allenergie PE ist ierbei die einzige vorandene Energiequelle. - Im Koppelbereic erfolgt die Umwandlung von potenzieller in kinetisce Energie. Dieser Vorgang wird mittels einer ontäne sictbar und ist jeweils die olge der Energiewirkung aus dem Energiespeicer ( und mit der allenergie PE )! Dies ist sowol im Luftdruck beaufsclagten Energiespeicer bei der WK mit Unterdruck Koppelbereic, als auc beim Überdruck beaufsclagten Energiespeicer bei der WK mit Luftdruck Koppelbereic der all. - In den Energiespeicer Beältern errsct jeweils ein öeres pneumatisces Druckpotenzial als in den Koppelbereicen, weil >RD und > ist. - Der Betrag der teoretiscen ontänenöe dyn kann maximal so oc wie der Betrag von PE werden. Unter Berücksictigung vorweg genannter Prinzipien können beispielsweise folgende Kontrollgrößen berecnet werden: usflusszeit aus dem Hocbeälter: t in sec PE 2 1 t= y + C g f 1 1/ 2 2 µ PE 2 oder Mündungsgescwindigkeit der ontäne: s in m/sec s= ϕ 2 g PE Darin bedeuten: t = usflusszeit in ekunden; = läce des Hocbeälters ; s = Mündungsgescwindigkeit; PE = allöe der Potenzialenergie (= Lageenergie); PE1 und PE2 = oberer bzw. unterer Wasserstand im Energiespeicer; g = 9,81 m/sec 2 (Erdbescleunigung); f = läce der Düse in der teigleitung; φ = Düsenformzal; µ = usflussziffer;
6 Die auf eite eins bekundete bsict, möglice gemeinsame Merkmale zwiscen der Wasserstralkerze und dem Heronsbrunnen zu finden, ist insofern gelungen, als festgestellt werden kann, dass die cemadarstellung der Wasserstralkerze mit Luftdruck Koppelbereic (Bild 6) deckungsgleic ist mit einem Teil der cemadarstellungen für den Heronsbrunnen, wie sie im Internet 3 und in der Literatur 4 zu finden sind. Übersict In folgender Übersict werden die Wasserstralkerzen mit Unterdruck Koppelbereic (Energiespeicer: Luftdruck beaufsclagt) und Luftdruck Koppelbereic (Energiespeicer: Überdruck beaufsclagt) in aufgelöster und integrierter Bauart scematisc gegenübergestellt. Üb ersict der Wasserstralkerzen mit Unter- und Luftdruc k Ko ppelbereic Unterd ruck Kop p elbereic Bild 7: ufgelöste Baua rt mit Unterdruck Kopp elbereic Bild 8: Integrierte Bauart mit Unterdruc k Koppelbereic Luftdruc k Koppelbereic Bild 9: ufgelöste Baua rt mit Luftdruck Koppelbereic Bild 10: Integrierte Bauart mit Luftdruck Kopp elbereic
7 Bild 11 Bild 11 zeigt das Poto einer in Glas gefertigten Wasserstralkerze mit Unterdruck Koppelbereic. Gut zu erkennen ist jeweils der Wasserstand im Hoc und Basisbeälter sowie in der allleitung. us dem voll gefüllten Hocbeälter läuft eine Wassermenge von ca. 320 cm 3 in ungefär 1,4 Minuten in den Basisbeälter. Der in die Kuppel des Unterdruckraumes (Restdruckraumes) strömende ontänenstral at eine max. Mündungsgescwindigkeit von etwa 1,7 m/sek. Das mittels ontäne ausströmende Wasser fällt auf die Oberfläce der Wassersäule in der allleitung zurück. In dieser fließt es nac unten und durc die Durcflussöffnungen im uße der allleitung in den Basisbeälter. Die ontäne ört auf zu sprüen, sobald der Hocbeälter leer gelaufen ist.
8 Vergleic mit dem Heronsbrunnen Im Internet und in der Literatur sind versciedene Bescreibungen, Darstellungen und Interpretationen über die unktion des Heronsbrunnen aus dem englisc- und deutscspracigen Raum zu finden. Einige verwenden eine scematisce Darstellung für den Heronsbrunnen, welce identisc ist mit dem Wirkscema der WK mit Luftdruck Koppelbereic nac Bild 6. ollte die in Wikipedia, der freien Enzyklopädie, prinzipielle Darstellung und die Darstellungen der anderen Interpreten im Internet und in der Literatur, tatsäclic den mit Bild 6 übereinstimmenden Heronsbrunnen wiedergeben, so sind folgend Überlegungen von Interesse: 1. In Bild 6 ist die unktion der WK mit Luftdruck Koppelbereic bescrieben. Da vom scematiscen ufbau er die WK mit Luftdruck Koppelbereic und der Heronsbrunnen identisc sind, gilt diese Bescreibung von der WK vollumfänglic auc für den Heronsbrunnen. 2. Bei der WK mit Unterdruck Koppelbereic erfolgt die Umwandlung von potenzieller in kinetisce Energie in einem gesclossenen Bereic des gegenständlicen ufbaues. 3. owol bei der WK mit Luftdruck Koppelbereic, als auc beim Heronsbrunnen findet die Umwandlung von potenzieller in kinetisce Energie in einem offenen Bereic des gegenständlicen ufbaues statt. omit ist es möglic an der offenen telle Energie, aus dem in sic gesclossenen Energiekreislauf abzuzweigen und zur Betätigung von externen unktionssystemen zu verwenden. Zusammenfassung Bei den besprocenen unktionssystemen WK und Heronsbrunnen erfolgt die Umsetzung von potenzieller in kinetisce Energie jeweils oberalb der obersten Wasseroberfläce. Dies ist zunäcst ein Widerspruc zur Pysik, weil nac dem ersten Energieeraltungssatz weder Energie aus dem Nicts gewonnen noc zu Nicts vernictet werden kann. Die Erklärung ierzu liefert der zweite Energieeraltungssatz, wonac Energie in einem abgesclossenen ystem weder zu- noc abnemen, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werde kann. Genau das findet bei der WK, bzw. beim Heronsbrunnen in der orm statt, dass potenzielle in kinetisce Energie, unter voller Beibealtung der Energiekapazität des ystems, umgewandelt wird. Das in diesem rtikel besprocene Wirkprinzip ist auc mit anderen Energiearten, und nict nur mit von der Erdanzieung beaufsclagten Wasser- und Luft-äulen denkbar. Offen bleibt aber die rage mit welcen Energiearten, bzw. in welcer Kombination von anderen Energiearten, so etwas erfolgen kann. uf dem ektor Mecanik existiert beispielsweise ein unktionsmodell 5 mit äquivalenten Effekten. Dessen systemeigener Energiespeicer bestet aus einem estkörper, der vom Gravitationsfeld der Erde angezogen wird. clussbemerkung Unvollständige Recercen im Internet und in der Literatur, zum Heronsbrunnen, ermöglicen keine endgültige Bewertung, lassen aber den cluss zu, dass dieses Wirkprinzip längere Zeit unbeactet oder unbekannt war, und jetzt nur unzulänglic verstanden wird. Das ist aus den bekannten Veröffentlicungen im Internet und in der Literatur eindeutig zu
9 erkennen. Dennoc könnte dieses ystem für zukünftige Tecnologien von Bedeutung sein, denn in der vorweg erfolgten teoretiscen bandlung sind diesbezüglice Deutungen möglic. Das wieder entdeckte Energiewirkprinzip kann mit dem eutigen Wissensspektrum nict one weiteres mit beliebigen Energiearten tecnisc realisiert werden. Eine solce ufgabenstellung ist möglicerweise erst im Verlauf des dritten Jartausend lösbar. usblick Grundsätzlic sceinen alle Energiearten wie mecanisce, ydropneumatisce, elektromagnetisce, elektrisce, magnetisce, sowie Wärme- und Druckenergie für dieses Wirkprinzip tecnisc anwendbar zu sein. Möglicerweise können künftig mit diesem Wirkprinzip auc das Gravitations- und Erdmagnetfeld der Erde als Energiequellen angezapft werden. Dann wären mit diesem Wirkprinzip zukünftig nwendungen denkbar, die für tecnisce Nutzungen biser unerkannt blieben. Vielleict verwendeten die Pyramidenbauer in Ägypten dieses Wirkprinzip - nict den Heronsbrunnen als solcen, sondern das dem Heronsbrunnen zu Grunde liegende Energiewandlungsprinzip - von dem Heron von lexandria wegen seiner relativen zeitlicen Näe zu dieser Epoce ggf. noc Kunde atte. Es kann nict ausgesclossen werden, dass zukünftige orscungsaktivitäten auf diesem Gebiet zu erfolgreicen tecniscen Entwicklungen füren können. Quellennacweis: 1 Google, Heron von lexandria: ttp://www.google.de/imgres?imgurl=ttp//www.erft.de./sculen/gymlec/2004/uto/... 2 Deutsces Patentamt: Patent Nr. 102 58 912; Wasserstralkerze als Luftbefeucter; Patentinaber und Erfinder cültz, Helbring; Tag der nmeldung 17.02.2002. 3 Wikipedia: ttp://de.wikipedia.org/wiki/heronsbrunnen und andere wie Roman Kezerasvili, and lex apoznikov, ttp://webpysics.tec.n.us/nesaapt/meetings/milton/te_program.tml, ttp://www.rose-ulman.edu/~moloney/ppcomp/2001entries/ac2001.tm 4 Leictfaßlice Elementar-Naturlere für den cul- und elbstunterrict von Heinric Ricter; Zweite umgearbeitete und vermerte uflage. Mit 5 litograpierten Tafeln. Nördlingen. Druck und Verlag der E. H. Beck scen Bucandlung. 1852. Digitized by Google. 5 Eigenbau des Verfassers.