Titel: Clerk, über hydraulische Buffer für Eisenbahnzüge und zur Ausgleichung des Rückstoßes bei schweren Geschützen.
Autor: Clerk, H.
Fundstelle: 1870, Band 195, Nr. CVIII. (S. 397–410)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj195/ar195108

CVIII. Ueber hydraulische Buffer für Eisenbahnzüge und zur Ausgleichung des Rückstoßes bei schweren Geschützen, nebst Versuchen über den Ausfluß von Flüssigkeiten durch kleine Oeffnungen mit großen Geschwindigkeiten; vom Oberst H. Clerk.

Nach dem Mechanics' Magazine, November 1868, S. 372 (durch das polytechnische Centralblatt, 1869 S. 96) und dem Engineer, October 1869, S. 257.

Mit Abbildungen auf Tab. VIII.

In Folge einer an den Oberst H. Clerk im October 1867 von C. W. Siemens ergangenen Aufforderung, die Wirkung des Wassers als Mittel zur Ausgleichung des Rückstoßes bei schweren Kanonen zu untersuchen, legte Clerk dem englischen Kriegsminister einen hydraulischen Buffer zu diesem Zwecke vor. Derselbe wurde bei Kanonen von 1 1/2 bis 360 Centner Gewicht geprüft und die Resultate erwiesen sich durchgängig höchst befriedigend. Die Größe des Rückstoßes kann mit großer Genauigkeit regulirt werden, und die Bewegung war sanft und regelmäßig.

Dieser Buffer – Durchschnittsskizze Figur 12 – besteht aus einem eisernen Cylinder, welcher an dem einen Ende geschlossen ist, während am anderen Ende ein mit einer Stopfbüchse versehener Deckel aufgesetzt ist, durch welchen eine Kolbenstange hindurchgeht. Die Länge des Cylinders und der Kolbenstange richtet sich nach dem zulässigen Betrage des Rückstoßes oder der Weglänge, in welcher der in Bewegung gesetzte Körper zur Ruhe kommen soll. Der Kolben paßt dicht in den Cylinder und enthält vier kleine durchgehende Bohrungen. Das Verhältniß zwischen dem Durchmesser dieser Bohrungen und jenem des Kolbens wird durch die Arbeitsgröße bestimmt, welche auf das im Cylinder enthaltene Wasser übertragen werden soll; dabei ist zur Ausgleichung des von der Kolbenstange in Folge des Rückganges allmählich mehr beanspruchten Raumbedarfes im Cylinder ein kleiner Luftraum gelassen. Dieser wirkt zugleich als elastischer Buffer, indem er die Heftigkeit des ersten Anpralles des Kolbens auf das Wasser mildert.

Der Cylinder ist an der Unterlage, auf welcher die Laffette zurückläuft, befestigt und das Ende der Kolbenstange an der Laffette selbst. Beim Abfeuern der Kanone treibt die zurückfahrende Laffette den Kolben mit der Anfangsgeschwindigkeit V durch das Wasser hindurch, während |398| letzteres mit der Anfangsgeschwindigkeit R. V durch die Bohrungen im Kolben hindurchgeht, wenn R das Verhältniß zwischen dem Cylinderquerschnitt und dem Gesammtquerschnitt der Bohrungen bezeichnet.

Dieser Buffer wurde nicht allein auf dem Lande mit Kanonen bis zu 500 Centner Gewicht, sondern auch zur See mit leichten Schiffsgeschützen von 1 1/2 bis 8 Centner und erst kürzlich an Bord des englischen Schiffes „Prinz Albert“ mit 9 zölligen Kanonen von 240 Centnern Gewicht, in allen Fällen aber mit gleich günstigem Erfolg erprobt.95) Anstatt Wasser wurde zur Verminderung der Gefahr des Rostens, wenn der Cylinder längere Zeit gefüllt erhalten, ferner der Gefahr des Einfrierens bei mäßiger Kälte, die Anwendung von Oel empfohlen. Dazu eignet sich Field's Rangoon oil,“ welches sich nur bei erheblicher Kälte verdickt, wo dann Field's non freezing oil gebraucht werden kann. Ein geringer Zusatz von caustischer Soda zum Wasser in dem Cylinder erhält dessen Wand monatelang rein und frei von Rost.

Die befriedigende Art, in welcher ein solcher Buffer zur Ausgleichung des Rückstoßes einer Kanone von 300 Ctrn. Gewicht diente, führte Clerk auf den Gedanken, daß dieser Buffer sich auch zur Verhinderung, wenigstens erheblichen Milderung der verheerenden Wirkung eines Zusammenstoßes von Eisenbahnzügen verwenden ließe.96)

Beim Abfeuern von Geschützen überschreitet beim Rückprall die Anfangsgeschwindigkeit der in Bewegung gesetzten Masse selten 10 bis 12 Fuß pro Secunde; aber beträchtlich größer sind die Anfangsgeschwindigkeiten im Falle eines Zusammenstoßes zweier Eisenbahnzüge. Es war daher nothwendig, den hydraulischen Buffer unter ähnlichen Umständen zu prüfen. Clerk hat zu diesem Zwecke eine große Zahl von Experimenten durchgeführt und bis zu Geschwindigkeiten von 44 Fuß pro Secunde (entsprechend 30 engt. Meilen pro Secunde) ausgedehnt; die Resultate derselben wurden von ihm der British Association vorgelegt.

Zwei Versuchsreihen wurden angestellt; die eine mit vier-, die zweite mit achtzölligen Buffercylindern.

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Mit dem vierzölligen Cylinder wurden abwechselnd genommen: Geschwindigkeiten von 10, 15, 20 und 25 Fuß pro Secunde; bewegte Lasten von 581, 1162 und 2324 engl. Pfunden; endlich Querschnittsverhältnisse R = 15, 21 und 27 (Tabelle I, Versuchsreihe Nr. 1–36 und Nr. 104–137).

In ähnlicher Weise beim achtzölligen Cylinder:

Geschwindigkeiten von 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 und 44 Fuß pro Secunde;

bewegte Lasten von 1162, 2324 und 4648 Pfunden und mit Querschnittsverhältnissen R = 15, 12, 9, 7 und 6 (Tabelle I, Versuchsreihe Nr. 37–103 und Nr. 138–181).

|400|

Die Geschwindigkeiten wurden erreicht, indem der belastete Wagen auf einer schiefen Ebene von 47° Neigung von der entsprechend berechneten Höhe plötzlich losgelassen, bei der Berechnung der Fallhöhe natürlich auch auf die Reibungsverluste Rücksicht genommen wurde.

|401|

Die Anlage der Versuchsvorrichtung ist in Figur 13 skizzirt.

Der Wagen G lief auf der schiefen Ebene abwärts, fließ auf das Ende der Kolbenstange k und trieb sie so lange in den Cylinder des Buffers B hinein, bis die gesammte lebendige Kraft des Wagens aufgezehrt war. Der Cylinder mit herausgezogener Kolbenstange war am unteren Ende der schiefen Ebene in einem Abstand von dieser von circa zwei Wagenlängen auf einer Holzunterlage H befestigt, welche durch Verstrebungen gegen jede Verschiebung gesichert war.

Ueber der vorstehenden Kolbenstange war eine mit Zeichenpapier überzogene Schreibtrommel S von 6 Fuß Länge und 12 Zoll Durchmesser angebracht, welche pro Secunde eine Umdrehung machte. Am Kolbenstangenende war ein Schreibstift t₁ befestigt, den eine schwache Spiralfeder in Berührung mit der rotirenden Trommel 8 erhielt, wodurch die Curve des Kolbenweges (der Zeit und Länge nach) verzeichnet wurde.

Ein zweiter Schreibstift t war vorn am Wagen in ähnlicher Weise und zu gleichem Zwecke wie oben vorhanden, demnach die zwei erhaltenen Curven die Bewegung des Kolbens durch das Wasser und jene des Wagens nach dem Anprall gegen die Kolbenstange versinnlichten (Curven 1, 2, 3, Figur 15).

Damit dieser Anprall gemildert werde, wurde sowohl das Kolbenstangenende als die Stoßfläche des Wagens mit Scheiben von Clarkson's Material (ein Gemisch aus Kork und Leder) verkleidet; ebenso wurden zwei Kautschukscheiben K an der hölzernen Unterlage H des Buffers angebracht, gegen welche der Wagen anstieß, wenn die Kolbenstange vollends in den Cylinder eingetrieben war. Die Größe der Zusammendrückung dieser Kautschukscheiben wurde selbstthätig verzeichnet, daraus die dazu nöthige Arbeitsgröße, resp. die dem Wagen beim Zusammenstoßen mit dem Gestelle H noch innewohnende lebendige Kraft berechnet (Tabelle I, Columne 8 und 9).

Durch Veränderung des Wassergehaltes im Cylinder konnte es dahin gebracht werden, daß der Wagen zwei auf den Kautschukkissen angebrachte Zündhütchen gerade berührte, ohne dieselben zur Explosion zu bringen, wozu doch nur die Arbeitsgröße von etwa 1 Fußpfund gehört.

Zur Ermittelung der Wirkung des Zusammenstoßes auf den Wagen oder vielmehr jener, welche ein Passagier in einem Eisenbahnzug unter ähnlichen Umständen erleiden würde, wurde ein Gewicht von 6 Pfund an ein Stück Draht (um das Gewicht auf der schiefen Ebene zu erhalten) an dem von der Kolbenstange abgewendeten Wagenende befestigt. Sobald der Zusammenstoß stattfand, riß der Draht und das Gewicht fließ nach Zurücklegung eines Weges von 12 Zoll gegen eine stählerne Spiralfeder, |402| welche entsprechend der Größe des Stoßes zusammengedrückt wurde. Der Betrag dieser Zusammendrückung wurde schließlich auch verzeichnet und zur Bestimmung der dem Gewichte innewohnenden lebendigen Kraft benutzt. (Tabelle I, Columne 10 und 11.)

Ebenso wie Wasser wurden auch Oel, Glycerin und Holzgeist zur Füllung des Buffercylinders verwendet und entsprechende Versuche angestellt. (Versuchsreihe Nr. 104–124 und Nr. 138–156.)

Der Widerstand des Wassers im Cylinder ist bei einem Kolben mit cylindrischen Bohrungen nicht gleichförmig, er ist am größten im Beginne oder vielmehr in jenem Moment, in welchem die Luft im Cylinder die stärkste Zusammenpressung erleidet. Es wurde aber wünschenswert!), einen möglichst gleichbleibenden Widerstand zu erproben und dieß nach Butter's Vorschlag auf folgende einfache Weise erreicht.

Man befestigte im Cylinder der Länge nach parallel zur Achse nach vorn zu verjüngte Stangen C, C (Fig. 14), welche durch die entsprechend erweiterten Bohrungen des Kolbens hindurchgingen. Die Durchgangsgeschwindigkeit des Wassers durch diese allmählich mit dem Kolbenrückgang verengten Oeffnungen wurde bei gehöriger Form der Stangen C nahezu gleichförmig. (Tabelle I, Versuchsreihe Nr. 157–178.)

Um schließlich die Wirkung eines Luftbuffers in ähnlicher Weise vergleichshalber zu untersuchen, wurde ein massiver Kolben im Cylinder eingepaßt und die Ergebnisse einiger Experimente in Tabelle I, Versuche Nr. 179–181 aufgenommen.

Die Aufnahme aller Tabellen und Bewegungscurven in dieser Abhandlung würde zu viel Raum erfordern; die angeführten dürften aber zur Beleuchtung und Beurtheilung der vorausgegangenen Darstellung genügen.

In Tabelle I sind die gefundenen Versuchsresultate zusammengestellt, dabei auch die beobachtete, resp. umgerechnete Zusammendrückung der Spiralfeder durch das 6 Pfund-Gewicht, sowie jene der Kautschukscheiben seitens des Wagens aufgenommen. (Tabelle I, Columne 8 bis 11.)

Tabelle II zeigt vergleichsweise einige der Versuchsresultate neben jenen, welche mit Hülfe der folgenden Formel berechnet sind.

Bezeichnet nämlich L den Kolbenhub,
V die Geschwindigkeit beim Zusammenstoß,
W das Wagengewicht,
A den Cylinderquerschnitt,
R das Verhältniß des Cylinder- oder Kolbenquerschnittes
zum Gesammtquerschnitt der Bohrungen,
|403|
w = 62,5 (Gewicht eines Kubikfußes Wasser),
y den Reibungscoefficienten,
e den Ausflußcoefficienten, so findet die Relation statt:
L = We²/AwR² log (AwR²V²/2gWye² + 1).

Dabei ist vorausgesetzt, daß der Buffercylinder mit Wasser voll gefüllt ist, weßhalb eine Correction wegen des Luftraumes gelegentlich anzubringen ist.

Es folgt aus Versuchen (Tabelle I, Nr. 179–181 und Curve 3 Fig. 15, d.h. die Versuche mit dem Luftbuffer), daß die Luft auf circa 3/4 des Volumes verdichtet wurde, bevor ein erheblicher Widerstand dem Kolben sich entgegenstellte. Aus diesem Grunde ist in der Tabelle II zu den nach obiger Formel berechneten Kolbenschüben (fünfte Columne) beim vierzölligen Cylinder die Correctur von + 6 Zoll, beim achtzölligen Cylinder eine solche von + 6,4 Zoll angebracht worden.

Der Reibungscoefficient y des Wagens und des Kolbens wurde durch Versuche mit 0,05 für den achtzölligen, und mit 0,046 für den vierzölligen Cylinder gefunden.

Der Contractions- oder Reibungscoefficient e der Durchflußöffnungen wurde durchaus mit 0,58 angenommen; doch erscheint diese Annahme nicht für alle Geschwindigkeiten und Gewichte vollkommen richtig, weßhalb Clerk weitere Untersuchungen in dieser Richtung anstellen wird zur Bestimmung dieses Factors, sowie auch des Einflusses der Zusammenpressung der Korkscheiben. Von diesen Mängeln abgesehen, schließen sich die berechneten Resultate den direct gefundenen nahe genug an.

Was noch die in Figur 15 dargestellten Diagramme betrifft, so sind daselbst drei Curvenpaare von verschiedenen Versuchen (in 1/20 wirklicher Größe) dargestellt, welche von den in der Beschreibung erwähnten Schreibstiften t und t₁ verzeichnet und in der Beschreibung oben mitgetheilt wurden.

W = 2324; V = 20 Fuß pro Secunde.

Curve 1: Bufferconstruction wie in Figur 12; R = 7 (Versuch Nr. 78).

Curve 2: Bufferconstruction wie in Figur 13 (Versuch Nr. 167).

Curve 3: Luftbuffer; Kolben massiv (Versuch Nr. 181).

Die voll ausgezogenen Curven sind vom Stift t₁ an der Kolbenstange, die punktirt gezogenen dagegen vom Stift t am Wagen beschrieben. Der Berührungsmoment mit dem Kautschukkissen ist mit – angezeigt.

|404|

Dimensionen der Buffer.

4zölliger Buffer 8zölliger Buffer
Cylinderweite 4,017 Zoll 8,150 Zoll
Wasserinhalt Q 380,6 Kubikzoll 2794 Kubikzoll
Luftinhalt q 97,8 „ 424 „
Kolbendurchmesser 4,014 Zoll 8,145 Zoll
Kolbendicke 1,25 „ 2,50 „
Dicke der Kolbenstange 1,50 „ 2,375 „

Die Bohrungen im Kolben waren cylindrisch und scharfkantig; der Kolben im Luftbuffer (Versuch 179 bis 181) war möglichst luftdicht verpackt.

Tabelle I.

R Verhältniß des Cylinderquerschnittes zum Gesammtquerschnitt der Kolbenbohrungen;

W Gewicht des Wagens in Pfund;

V₁ theoretische, V wirkliche Geschwindigkeit des Wagens im Momente des Anpralles.

Die Länge des Kolbenweges und die erforderliche Zeit sind aus den Curven (Fig. 15) bestimmt.

Die Größe der Zusammenpressung der Kautschukbuffer K am Cylindergestelle H seitens des Wagens, sowie jene der stählernen Spiralfeder seitens des 6 Pfund-Gewichtes wurde notirt und die hierzu erforderliche Arbeitsgröße in Fußpfund berechnet.

Textabbildung Bd. 195, S. 404
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Textabbildung Bd. 195, S. 405
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Textabbildung Bd. 195, S. 406
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Textabbildung Bd. 195, S. 407
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Textabbildung Bd. 195, S. 408
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Tabelle II.

Die nach der Formel (S. 403) berechneten Werthe von L sind mit jenen aus den Experimenten erhaltenen in Vergleich gesetzt, doch wurden hier nur einige der Versuche herausgenommen.

Textabbildung Bd. 195, S. 409
|410|
Textabbildung Bd. 195, S. 410

J. Z.

|398|

Auf Schiffen hat der Buffer eine etwas abgeänderte Einrichtung. Der Kolben ist nicht durchbohrt; dagegen führt ein kleines Verbindungsrohr von dem einen Ende des Cylinders zu dem anderen und durch dieses wird das Wasser Hindurchgetrieben. In diesem Rohr befindet sich ein Regulirungshahn zur Vergrößerung des Querschnittes, durch welchen das Wasser strömt, daher das oben bezeichnete Verhältniß R leicht verändert werden kann.

|398|

Nach Clerk's Idee wird jede Locomotive vorn mit zwei solchen hydraulischen Buffern versehen, deren Kolbenstangen in vollständig herausgezogenem Zustande 6 bis 7 Fuß vor der Maschine hervorragen. Bei einem Zusammenstoß würde der |399| erste Angriff gegen die Enden der Kolbenstangen gerichtet seyn und diese, sowie die durchbohrten Kolben würden durch das Wasser hindurch zurückgedrängt werden. Das Verhältniß R des Cylinderquerschnittes zum Gesammtquerschnitt der Bohrungen müßte so gewählt seyn, daß die in 6 Fuß Länge auf das Wasser übertragene Arbeit gleich ist der lebendigen Kraft der zusammenstoßenden Massen, diese somit nach Zurücklegung eines Weges von 6 Fuß vollständig aufgehoben wird. Außerdem sind noch hinter dem Tender sowie an den letzten Bremswagen solche Buffer anzubringen, die letzteren ebenfalls von 6 Fuß Länge, während die ersteren nur 4 Fuß Länge zu erhalten brauchen. Endlich würde es sehr zweckmäßig seyn, jeden Wagen vorn und hinten mit ein Paar Buffern zu versehen, für welche jedoch ein Kolbenhub von 18 Zoll genügt.

Die nachstehend entwickelte Formel, welche zur Berechnung der Dimensionen hydraulischer Buffer für die Ausgleichung des Rückstoßes bei den oben erwähnten Versuchen gedient hat, ist von H. Butter, Constructeur des Royal Carriage Departement, aufgestellt und hat sich durchgängig bewährt.

Beim Abfeuern der Kanone oder bei dem Anstoß irgend eines bewegten Körpers wird der Kolben gegen das Wasser getrieben. Der auf diese Weise ausgeübte Druck veranlaßt das Wasser, in der Richtung des kleinsten Widerstandes abzufließen, also in den Lustraum a (Fig. 12) und durch die Bohrungen des Kolbens. In dem Maaße als der Druck zunimmt, wird die Luft mehr und mehr comprimirt. Die Compression übt eine Rückwirkung auf das Wasser aus und vergrößert die Geschwindigkeit, mit welcher es durch die Bohrungen geht.

Wenn die Luft bis auf ihr Minimalvolum comprimirt ist, hat die Wassergeschwindigkeit allmählich ihr Maximum erreicht und von diesem Punkte an nimmt die Geschwindigkeit nach und nach wieder ab, bis der in Bewegung gesetzte Körper zur Ruhe kommt.

Die Luftschicht dient also als elastische Unterlage und regulirt die Uebertragung des Druckes auf das Wasser. Außerdem ist aber der Luftraum auch deßhalb nothwendig, weil der Raum, welchen die Kolbenstange im Cylinder einnimmt, nach und nach größer wird. Durch die Erfahrung wurde gefunden, daß der Luftraum 1/7 größer zu machen ist, als der Inhalt der im Cylinder befindlichen Kolbenstange, wenn diese am Ende ihres Hubes angekommen ist.

Der hauptsächlichste Widerstand, welcher dem in Bewegung gesetzten Körper – also beim Abfeuern einer Kanone der rückstoßenden Laffette, bei einem Zusammenstoß dem bewegten Zuge – entgegengestellt wird, besteht darin, daß einem gewissen Gewichte Wasser eine sehr bedeutende Geschwindigkeit mitzutheilen ist. Der Widerstand, welchen die Compression der verhältnißmäßig kleinen Luftmenge entgegenstellt, ist im Vergleich mit dem vorigen so unbedeutend, daß er nicht in Rechnung gezogen zu werden braucht.

Die Anfangsgeschwindigkeit des in Bewegung gesetzten Wasser ist xRV, wenn V die Anfangsgeschwindigkeit des Kolbens, R das Verhältniß |400| des Cylinderquerschnittes zum Gesammtquerschnitt der Bohrungen des Kolbens und x einen Correctionscoefficient bezeichnet, dessen Werth durch unmittelbare Versuche zu bestimmen ist.

Das Gewicht des in Bewegung gesetzten Wassers ist in Flγ, wenn mit F der Cylinderquerschnitt, mit l der wirksame Theil der Cylinderlänge und mit γ die Dichtigkeit des Wassers bezeichnet wird.

Daher die auf das Wasser übertragene Arbeit:

U = Flγ/2 . (xRV)²/2g.

Ist W das Gewicht des in Bewegung befindlichen Körpers, dessen Geschwindigkeit V – gleich jener der Kolbenstange im Anfange –, so ist die bei der Bewegung entwickelte Arbeit: (W . V²)/2g.

Diese Arbeit muß durch die Arbeit der Reibung, der Schwere und die auf das Wasser übertragene Arbeit ausgeglichen werden. Die beiden ersten Größen (Arbeit der Reibung und der Schwere) üben bei Kanonen einen sehr bedeutenden Einfluß aus, einen weit geringeren dagegen bei einem Zusammenstoß von Eisenbahnzügen. Ihr Werth wird ausgedrückt durch WLcos ϑ ± sin ϑ), wenn L die Länge des nach dem Anstoß zurückgelegten Weges, φ den Reibungscoefficient und ϑ den Neigungswinkel der Bahn bezeichnet.

Die übrigbleibende, durch das Wasser zu überwindende Arbeit ist daher

U = WV²/2gWLcos ϑ ± sin ϑ).

Nach Obigem war U = Flγ/2 . (xRV)²/2g; da durch Versuche x = 16/√RV (V in Fußen ausgedrückt) gesunden wurde, so ist U = Flγ/2 . 16²/RV = R² V²/2 g = 64 Flγ . Rv/g oder für englisches Maaß und Gewicht U = 124 Fl RV.

Aus dieser Relation kann l oder R berechnet werden, je nachdem das eine oder das andere im voraus angenommen wird. Der ganze Weg, welchen der in Bewegung gesetzte Körper zurücklegt, ist L = l + s, wenn s die dem Luftraume entsprechende Hubhöhe bezeichnet.

Das folgende Beispiel zeigt die praktische Anwendung der entwickelten Formel.

Eine Locomotive mit Tender im Gesammtgewicht von 1000 Ctr., welche sich mit 44 Fuß Geschwindigkeit pro Secunde bewegt, soll nach Zurücklegung eines Weges von 6 Fuß in Stillstand gesetzt werden.

Hier ist U = WV²/2g = 3'366'956 Fußpfund. Ohne Rücksicht auf Reibung ist daher in jedem Buffercylinder eine Arbeit von 1'683'478 Fußpfund zu absorbiren. Bei einer 4zölligen Kolbenstange ist die dem Luftraume entsprechende Hublänge s = 9 Zoll = 0,75 Fuß; daher bleibt als wirksamer Theil (l) der Cylinderlänge (L) übrig 5,25 Fuß. Ist noch der Durchmesser jedes Cylinders 1 Fuß, so wird Fl = 0,7854 × 5,25. Setzt man diese Werthe in die Gleichung von U ein, so erhält man R = U/(124FlV) = 74,8.

Nennt man D den Cylinderdurchmesser, d den Durchmesser einer der Bohrungen, deren vier im Kolben vorhanden seyn sollen, so ist R = (D² – 4d²)/(4d²), daraus d = D/(2√R + 1) oder endlich = 0,7 Zoll.

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