Titel: Ueber den Bau des hydraulischen Widders.
Autor: Boquillon,
Fundstelle: 1829, Band 33, Nr. XCV. (S. 417–425)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj033/ar033095

XCV. Ueber den hydraulischen Widder und über einen neuen Bau desselben. Von Hrn. Boquillon.

Aus dem Industriel. Junius. 1829. S. 57.

Mit Abbildung auf Tab. IX.

Der hydraulische Widder (le belier hydraulique), eine der sinnreichsten Erfindungen der neueren Zeit, ist ein Andenken, das uns der berühmte Montgolfier hinterließ, welchem wir auch den Luftballon und eine Menge nüzlicher Vorrichtungen in Künsten und Gewerben verdanken, namentlich die Verbesserungen in der Fabrikation des Velin-Papieres.

Der Bau des hydraulischen Widders beruht auf dem Grundsaze, daß wenn ein in Bewegung befindlicher Körper auf einen Widerstand trifft, eine Kraft dadurch entsteht, die zugleich auf den Widerstand und auf den bewegten Körper wirkt189). Der Hauptzwek desselben ist, Wasser aus Bächen und Flüssen etc. ohne Anwendung irgend einer anderen Kraft, als derjenigen, die aus den Widerständen hervorgeht, welche abwechselnd dem Laufe des Wassers entgegengesezt werden, in die Höhe zu heben; eine Wirkung, die beim ersten Anblike in Widerspruch mit den Gesezen der Hydrostatik zu seyn scheint, indem eine sehr niedrige Wassersäule mit einer sehr hohen im Gleichgewichte seyn kann.

Diese Thatsachen finden ihre weitere Entwikelung, und werden deutlicher aus nachfolgender Beschreibung.

Fig. 1. stellt einen senkrechten Durchschnitt des Widders nach der Linie AB in Fig. 2. dar, welche denselben im Grundrisse zeigt. Fig. 3. ist der senkrechte Aufriß, nach der Linie AB 190).

|418|

C ist eine Röhre aus Gußeisen, welche frei mit einem Wasserbehälter in Verbindung steht, der sich in einem höheren Niveau befindet, um dadurch eine gewisse Geschwindigkeit für den Ausfluß des Wassers aus dieser Röhre zu erhalten, der man den Namen des Körpers des Widders (corps du bélier) gibt. D ist eine metallne Klappe, die sich von oben nach abwärts in der Röhre C öffnet, und die Oeffnung I hermetisch schließen kann, durch welche ein Theil der Flüssigkeit entweichen muß. Die specifische Schwere dieser Klappe, die man Sperr-Klappe (soupape d'arrêt) nennt, darf nicht mehr als doppelt so groß, als die specifische Schwere des Wassers seyn: wir werden unten die Weise angeben, sie zu reguliren. K ist eine andere vierekige und senkrechte Röhre, die bei L mit der Röhre C in Verbindung steht. Sie hat an der Seite zwei Oeffnungen: eine derselben, M, ist mit einer Klappe N versehen, die man die Aufsteigungs-Klappe (soupape d'ascension) nennt; die andere Oeffnung O steht mittelst der Luft-Klappe P, von welcher weiter unten die Rede seyn wird, mit der äußeren Luft in Verbindung. Q ist eine metallne Gloke, die man den Luftbehälter (réservoir d'air) nennt, deren Rand in allen Punkten mittelst lederner Scheiben in vollkommenster Berührung mit jenen Stüken steht, auf welchen sie ruht. Sie wird auf denselben mittelst des Zaumes R festgehalten, welcher durch die Drukschraube S angezogen wird. T ist die Entladungs-Röhre, (tuyau de décharge), durch welche das Wasser auf jene Höhe geführt wird, auf welche man dasselbe heben will. Der ganze obere Theil des Apparates, mit Einschluß der Röhre K, heißt der Kopf des Widders (tête du bèlier.)

Wir wollen nun sehen, wozu diese Theile dienen. Das Wasser, welches aus dem oberen Behälter entweicht, füllt zuerst einen Theil der senkrechten Röhre, und erhält, indem es durch die Oeffnung I der Röhre C entweicht, eine Geschwindigkeit, welche, nach dem Geseze des Falles schwerer Körper, von dem Augenblike an, wo die Bewegung der Flüssigkeit beginnt, immer zunimmt, bis sie ein Maximum erreicht, welches von der senkrechten Höhe zwischen der Oeffnung des Ausflusses I und der oberen Wasserhöhe im Behälter abhängt. Allein, ehe dieses Maximum erreicht wird, wirkt es auf die Klappe D und bringt diese, durch einen raschen Stoß, gegen die Oeffnung I, durch welche die Flüssigkeit nun nicht mehr entweichen kann. Nun entwikelt sich jene epimenische Kraft, von welcher wir oben gesprochen haben, welche, indem sie nach allen Seiten hin wirkt, auf die Säule der Flüssigkeit K drükt, diese die Klappe N öffnen läßt, und auf diese Weise eine gewisse Menge Flüssigkeit in den Luftbehälter Q führt. Nun hört aber diese Kraft bald nach und nach zu wirken |419| auf, und es kommt der Augenblik, wo die Schwere der Klappe N, mit ihr im Gleichgewichte steht, und sie nicht mehr hinlänglich gegen die Klappe D drükt, um dieselbe gegen die Oeffnung I angedrükt zu erhalten. In diesem Augenblike hat also in dem ganzen unteren Apparate vollkommene Ruhe Statt, die Klappe N schließt sich, und die Klappe D öffnet sich: der Ausfluß durch die Oeffnung I fängt wieder an, und hört alsobald wieder auf, wenn die zunehmende Geschwindigkeit des Wassers in der Röhre C neuerdings auf die Klappe D wirkt. Die oben beschriebene Erscheinung kehrt wieder, es tritt eine neue Menge Wassers in den Luftbehälter, und aus diesem in die Aufsteigungs-Röhre T. Nachdem die epimenische Kraft sich erschöpft hat, schließt sich die Klappe N, die Klappe D öffnet sich, und die vorige Reihe von Erscheinungen erneuert sich wieder und geht so ununterbrochen fort.

Wir wollen nun sehen, was in dem Luftbehälter Q geschieht. In dem Maße, als das Wasser durch die Klappe N in denselben eintritt, wird die in demselben befindliche Luft zusammengedrükt; allein diese wirkt alsogleich in Folge ihrer Elasticität auf die Flüssigkeit zurük, treibt leztere in die Röhre T, und nöthigt sie, in derselben emporzusteigen. Diese Rükwirkung hat in der Zwischenzeit Statt, welche zwischen dem Augenblike, wo die Klappe D sich öffnet, und dem Augenblike, wo sie sich schließt, verstreicht, so daß beinahe keine Unterbrechung in dem Ausflusse des Wassers aus der Röhre T Statt hat, indem dieser abwechselnd durch die Elasticität der Luft in dem Behälter Q und durch den Druk jeder neuen Menge Wassers, die in den Behälter eintritt, erzeugt wird. Allein da das Wasser, während es aus dem Behälter Q austritt, eine gewisse Menge Luft mit sich führt, die sich in demselben auflöst, oder mechanisch zwischen dasselbe eintritt, so würde die Luft bald aus dem Behälter gänzlich verschwinden, wenn man sie nicht in demselben erneuerte. Dieß ist der Zwek der Luftklappe P, wovon die Figuren 9 und 10. die einzelnen Theile darstellen. Sie besteht aus einem hohlen kupfernen Stöpsel a, den man in b von der Endseite dargestellt sieht, und der in die Oeffnung O des Widders eingeschraubt wird, worin ein dreiseitiges metallnes Prisma c spielt, das man in d im Durchschnitte sieht. Der Lauf oder das Spiel dieses Prisma wird auf der einen Seite durch die Form des äußeren Endes des Stöpsels beschränkt, auf der anderen durch einen Stell-Knopf, der in der Höhlung dieses Stöpsels hervorragt. Diese Klappe wirkt auf folgende Weise. In dem Augenblike, wo die epimenische Kraft zu wirken aufhört, wirken alle Theile der Maschine, die sich in Folge des auf dieselben geäußerten Drukes erweiterten, auf die Säule der Flüssigkeit zurük, und machen, daß sie, zwar |420| nur während eines sehr kurzen Augenblikes, jedoch hinlänglich lang um einen unvollkommenen und augenbliklichen leeren Raum in der Röhre K zu bilden, zurüktritt. Dadurch wird der Druk der Atmosphäre auf die Klappe P in diesem Augenblike vorherrschend; der Ueberschuß dieses Drukes öffnet die Klappe, und es tritt eine geringe Menge Luft in die Röhre K, aus welcher sie in den Behälter Q getrieben wird, wo dann ein neuer Stoß der Klappe D Statt hat. Eine gewisse Menge Luft, die auf diese Weise durch die Klappe P eindrang, sezt sich oben in der Röhre K an, und bildet daselbst, so wie in dem Behälter Q, eine Luftschichte (matelas d'air), deren Elasticität die Stärke der Stöße bricht, welche der Widder an dieser Stelle erleiden müßte, vorzüglich dann, wenn man Statt der Klappe N eine ähnliche Klappe, wie jene bei D, anbrächte, deren heftige und häufige Stöße bald alle Theile der Maschine aus dem Gefüge bringen würden, wenn man denselben nicht die höchste Festigkeit ertheilt. Diese Stöße sind es, die diesem Apparate den Namen Widder (bélier) verschafften.

Wir wollen nun die Mittel angeben, wie das Spiel der Klappe D regulirt werden muß. Man gibt ihr zuvörderst ein geringeres Gewicht, als sie zulezt erlangen muß. Man beschwert sie nach und nach auf ihrem Kopfe mit Bleiplatten, bis sie gehörig arbeitet. Nun muß die Länge ihres Laufes bestimmt werden, von welcher die mehr oder minder schnelle Aufeinanderfolge der Stöße des Widders abhängt. Es läßt sich begreifen, daß, je tiefer die Klappe eindringen kann, desto weniger häufig die Stöße seyn werden; daß folglich desto mehr Wasser bei der Oeffnung I zwischen zwei auf einander folgenden Stößen ausfließen wird; daß aber, da der Ausfluß dann eine größere Geschwindigkeit erreicht hat, die epimenische Kraft verhältnißmäßig stärker wird, und eine größere Menge Flüssigkeit sich bei jedem Stoße in den Luftbehälter Q eindrängt. Erfahrung muß hier die vortheilhafteste Gränze in dieser Hinsicht bestimmen: läßt man sie zu groß, zu weit, so würde das Spiel der Klappe die Flüssigkeit ihr Maximum der Geschwindigkeit früher erreichen lassen, als diese Klappe gehoben werden konnte, und folglich würde sie die Oeffnung I nicht schließen; läßt man sie zu klein und zu eng, so würde diesem Ausflusse nicht Zeit genug gegönnt, um der epimenischen Kraft ihre gehörige Entwikelung zu gewähren. Uebrigens läßt sich die Länge dieses Laufes leicht mittelst kleiner Bolzen reguliren, welche man in die Löcher stekt, die zu diesem Ende am Stiele der Klappe angebracht sind, oder mittelst eines Schraubennietes, das man auf diesen Stiel aufschraubt.

Wir wollen nun noch die Nebensachen an diesem Apparate beschreiben, und dann mit einigen Betrachtungen über die vortheilhaftesten |421| Größen-Verhältnisse und über die nüzliche Wirkung, die man von dieser Maschine erwarten kann, schließen.

Fig. 4. zeigt den Durchschnitt der metallnen Gloke oder des Luftbehälters nach der Linie EF in Fig. 5.

Fig. 5. ist der horizontale Durchschnitt dieser Gloke nach der Linie GH in Fig. 4.

Fig. 6. zeigt an RR den Zaum, mittelst dessen diese Gloke befestigt wird, und in U einen Theil dieses Zaumes von der Seite gesehen, um die Art und Weise darzustellen, wie er sich auf zwei Bolzen drehen kann, die an dem Kopfe des Widders angeschraubt sind. Auf diese Weise kann man die Gloke, im Falle daß einige Verbesserungen in ihrem Inneren nothwendig wären, leicht abheben.

Fig. 7. stellt den Leiter der Sperr-Klappe D im Durchschnitte und im Grundrisse dar.

Fig. 8. zeigt endlich den Grundriß eines Zaumes in f, der die Röhre K umgibt; in g ist dieser Zaum von der Seite dargestellt. An ihm ist die Klappe N angebracht, mittelst der Gewinde, deren Lage man in h sieht. (Wir vermissen h in der Fig. Ue.)

Hier nun einige Betrachtungen über die Größe dieser verschiedenen Stüke und über die nüzliche Wirkung.

Aus Brunaci's Versuchen erhellt:

1) Wenn die Entladungs-Röhre eine bestimmte Höhe, z.B. drei Meter hat, und das Wasser kommt auf zwei Stöße des Widders bis zur oberen Oeffnung desselben; so braucht man acht Stöße, wenn das Wasser noch ein Mal so hoch hinaufsteigen soll, und siebzehn, wenn es drei Mal so hoch hinaufsteigen soll.

2) Die Menge Wassers, welche durch dieselbe Anzahl von Stößen zur Entladungs-Mündung gebracht wird, ist, unter übrigens gleichen Umständen desto größer, als diese Mündung weniger hoch steht, so daß die nüzliche Wirkung (l'effet utile) in umgekehrtem Verhältnisse zur Höhe steht, auf welche das Wasser gehoben wird.

3) Je länger der Körper des Widders ist, desto größer ist die Dauer eines jeden Stoßes. Wenn z.B. der Widder in zwanzig Secunden zehn Mal stößt, wo diese Röhre zwölf Meter lang ist, so wird er dieselbe Zahl von Stößen in 14 Secunden thun, wenn die Röhre 8 Meter, und in 10 Secunden, wenn sie nur 4 Meter lang ist. Es ist hier, wie bei der Sperr-Klappe; je länger der Zwischenraum zwischen jedem Stoße, desto mehr wird jeder Stoß auf ein Mal Wasser geben. Auf diese Weise wird also eine Verkürzung der Röhre auf 4 Meter bei jedem Stoße nur mehr den dritten Theil des Wassers liefern, das bei einer Höhe der Röhre von 12 Meter gehoben wurde: Es muß also eine Länge geben, die ein Maximum von |422| Product gewährt: diese Länge hat aber Hr. Brunaci in seinen Versuchen nicht bestimmt.

4) Die Größe des Hohlraumes des Luftbehälters kann auf die Größe der erzeugten Wirkung Einfluß haben, und diese Wirkung wird dann größer, wenn der Durchmesser der Entladungs-Röhre kleiner ist, als jener des Körpers des Widders. Wenn die Durchmesser gleich sind, hat der Luftbehälter keinen Einfluß auf die Menge Wassers, welche gehoben wird. Dieser Einfluß ist desto größer, je größer der innere Hohlraum des Behälters ist. Es gibt aber auch hier eine Gränze, über welche hinaus diese größere Weite mehr schadet, als nüzt, denn es wird dadurch zulezt die Zahl der Stöße in einer gegebenen Zeit vermindert.

Andere Versuche des Hrn. Brunaci hatten zum Zweke, die Unterschiede zu bestimmen, welche dann an der erzeugten Wirkung Statt haben, wenn man zugleich die Länge der Aufsteigungs-Röhre und die Länge des Körpers des Widders verändert. Er zeichnete die Zahl der Stöße, die Menge des gehobenen Wassers, und die Menge des bei der Sperr-Klappe verwendeten Wassers auf.

Folgende Tabelle zeigt das Resultat dieses Versuches während Einer Stunde.

Bei allen Versuchen war der angewendete Fall des Wassers 1,172 Meter; der Durchmesser des Körpers des Widders war 0,1 Meter; jener der Aufsteigungs-Röhre, 0,0028 Meter; der Behälter hatte 1,02 Meter Höhe, und 0,29 Meter Durchmesser.

Länge
des Körpers
des Widders.
Höhe der
Aufsteigungs-
Röhre.
Zahl der Stöße
des Widders.
Menge des
gehobenen
Wassers
.
Menge des
verlornen
Wassers
.
Meter. Meter. Kubik-Meter. Kubik-Meter.
11,614 13,430 1384 0,7461000 15,1697355
10,956 1636 1,0959627 15,1884344
7,860 1756 1,6172552 15,4981545
4,678 1894 2,5329846 14,9908627
7,936 13,430 2057 0,4824576 12,9902010
10,956 2117 0,7907379 13,5333762
7,860 2250 1,2243690 13,6944900
4,678 2571 2,1749888 13,6044900
4,218 13,430 3130 0,2911148 14,3724240
10,956 3428 0,5216948 23,0857189
7,860 3428 0,7767670 14,0857189
4,678 3600 1,4877324 14,2422696

Eytelwein's Versuche hatten zum Zweke die Resultate zu bestimmen, welche aus dem Unterschiede zwischen der Höhe des Falles und der Höhe der Aufsteigungs-Röhre unter übrigens gleichen Umständen entstehen. Er fand, daß die nüzliche Wirkung in dem Verhältnisse |423| kleiner wird, als der Unterschied groß wird: folgende Tabelle gibt die Uebersicht der von ihm erhaltenen Resultate. Die erste Columne zeigt das Verhältniß zwischen den beiden Höhen, den Fall als Einheit angenommen; die zweite das Verhältniß zwischen der Menge des an der Sperr-Klappe verbrauchten Wassers, gleichfalls als Einheit betrachtet, und der Menge des auf eine gewisse Höhe gehobenen Wassers.

1) oder relative Gleichheit zwischen
zwei Höhen 0,920
2) 0,837
3) 0,774
4) 0,720
5) 0,673
6) 0,630
7) 0,591
8) 0,555
9) 0,520
10) 0,488
11) 0,457
12) 0,427
13) 0,399
14) 0,372
15) 0,345
16) 0,320
17) 0,295
18) 0,272
19) 0,248
20) 0,226

Die schnelle Verminderung der nüzlichen Wirkung unter obigen Verhältnissen führte Hrn. Eytelwein auf den Schluß, daß, in jenem Falle, wo es sich darum handelt, das Wasser mittelst eines kleinen Falles auf eine bedeutende Höhe zu heben, es besser ist, mehrere kleine hydraulische Widder in verschiedenen Höhen anzubringen, wo jeder derselben das Wasser aufnehmen könnte, welches ihm von dem unteren zugeführt wurde.

Aus anderen Erfahrungen desselben Gelehrten ergeben sich noch folgende Bemerkungen:

1) Der Durchmesser der Sperr-Klappe muß wenigstens dem Körper des Widders gleich seyn. Die Maschine ist desto besser, wenn der Durchmesser der ersteren noch größer ist.

2) Je kürzer der Körper des Widders, desto längeren Lauf muß man der Sperr-Klappe geben. Diese darf nie schwerer seyn, als ihre Festigkeit es fordert; sie muß jedoch specifisch schwerer seyn als Wasser.

3) Die vortheilhafteste Lage dieser Klappe ist unmittelbar neben dem Luftbehälter.

4) Die Aufsteigungs-Röhre muß so wenig Krümmungen machen, als möglich, vorzüglich dort, wo sie in den Luftbehälter einmündet, damit die Erschütterung, die durch den Stoß des Wassers an den Biegungen entsteht, und der Verlust eines Theiles der Kraft vermieden wird. Die vortheilhafteste Lage wäre diese, wenn diese Röhre senkrecht durch den Scheitel der Gloke niederstiege, wodurch aber der Nachtheil entsteht, daß man sie nicht so leicht abnehmen kann, wenn Ausbesserungen nothwendig sind.

|424|

5) Der bequemste Durchmesser für die Aufsteigungs-Röhre ist die Hälfte des Durchmessers des Körpers des Widders.

6) Es ist eben so vortheilhaft, als ökonomisch, den Körper des Widders und der Aufsteigungs-Röhre aus Gußeisen verfertigen zu lassen, den Luftbehälter aber aus Kupfer, und die Klappen aus Messing. Sie müssen in Leder gefaßt seyn, um die Oeffnung genau zu schließen.

7) Um den vortheilhaftesten Durchmesser für den Körper des Widders zu finden, gibt er folgende praktische Regel. Man ziehe aus der Menge des angewendeten Wassers, in Kubik-Zollen ausgedrükt, die Quadrat-Wurzel aus, und theile den Quotienten durch 25.“ Zur Bestimmung der Länge soll man die Länge der Aufsteigungs-Röhre mehr dem doppelten Werthe des Verhältnisses des Falles zur Höhe der Aufsteigung nehmen.“

Wenn man nun die nüzliche Wirkung des Widders mit jener der Pumpen vergleicht, die durch Eimer-Räder getrieben werden, so fand Eytelwein daß, wenn das Wasser vier Mal so hoch gehoben werden soll, als es fällt, der hydraulische Widder um den siebenten Theil mehr Wasser hebt, als jene. Die Wirkung ist bei beiden gleich, wenn das Wasser sechs Mal so hoch gehoben werden soll, als der Fall beträgt. Ueber diese Gränze hinaus ist der Widder weniger vortheilhaft.

Wenn man Statt der Eimer-Räder sich der Räder des Hrn. Poncelet mit gekrümmten Schaufeln191) bedienen würde, wäre schon bei einer vierfachen Höhe des Falles gleiche Wirkung vorhanden. Der Widder wäre aber dann in jenem Falle vortheilhafter, wo man das Wasser nur auf eine geringere Höhe heben dürfte, und im entgegengesezten Falle nachtheilig.

Wir glauben die Theorie der Wirkungen und des Baues des hydraulischen Widders hinlänglich entwikelt zu haben, um unsere Leser in den Stand zu sezen, denselben überall anzuwenden, wo die Orts-Verhältnisse es erlauben. Wir glauben aber hier noch ein Verzeichniß von Werken beifügen zu müssen, aus welchen wir schöpften, und zu welchen auch der Leser im Nothfalle seine Zuflucht nehmen kann.

Die erste Abhandlung Montgolfier's über den hydraulischen Widder befindet sich im Journal des Mines, T. 13. Erläuternde Bemerkungen über denselben im 15ten u. 18ten Bande. In den Atti della Societa italiana delle Scienze T. 10. ist eine Abhandlung von den HHrn. Pino und Racagni. Man vergleiche ferner: Trattato |425| dell' ariete idraulico del Caval. Brunaci; Eytelwein übersezt von Girard; Borgnis traité des machines hydrauliques, p. 64; Mécanique usuelle p. 229; Christian, Mécanique industrielle t. 3. p. 394; Dupin, Cours de Géometrie et de Méchanique etc. T. 3. p. 258 etc. 292; Dictionn. technol. t. 3. p. 3. (ein sehr guter Artikel von Hrn. Francoeur) und Dictionn. de physique de l'Encyclopédie méthodique t. 2. p. 93. 192).

|417|

Der gehörigen Würdigung dieser Kraft verdankt Montgolfier die Idee des hydraulischen Widders, die nicht, wie die meisten Schriftsteller behaupten, die denselben beschrieben haben, eine Anwendung der Trägheits-Kraft ist, einer Kraft, die gar nicht existirt, und die man gewöhnlich mit derjenigen Kraft verwechselt, welche sich in den Körpern in jenem Augenblike entwikelt, wo irgend eine Ursache sie hindert in demselben Zustande zu bleiben, in welchem sie vorher waren. Die Trägheit ist nichts anderes, als das Verharren der Körper in dem Zustande in welchem sie sich befinden, während die Kraft, von welcher die Rede ist, und die Hr. Ampère die epimenische nennt (force épiménique), sich nie zeigt und niemals wirklich vorhanden ist, außer in dem Augenblike, wo was immer für eine Ursache den Zustand des Körpers zu verändern trachtet. A. d. O. Damit ist nicht mehr gesagt, als was wir bisher hierüber wußten: nichts.

A. d. Ue.

|417|

Dieselben Buchstaben bezeichnen dieselben Gegenstände.

A. d. O.

|424|

Polyt. Journal Bd. XIX. S. 417.

|425|

Auch das Polyt. Journ. führt einige hierher gehörige Schriften an.

A. d. R.

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