Frage:
Ist es möglich, einen Wasserball abzufeuern, der seine Form behält?
Vladimir Cravero
2015-03-23 14:39:23 UTC
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Hintergrund

Ich nehme jedes Jahr an einer riesigen Wasserballonschlacht teil. Der Konflikt findet zwischen zwei Universitäten statt, sodass Sie sich vorstellen können, dass das Engagement zumindest für einige Menschen recht hoch ist. Um Ihnen eine Idee zu geben, wurden letztes Jahr etwa 40000 (das sind 40e3) Wasserballons geworfen, und es gab einige hausgemachte Kriegsmaschinen, nämlich ein Katapult, ein Trebuchet, einige Arquebusse, die mit Druckluft betrieben wurden, und so weiter. Sicherheit ist natürlich das Hauptanliegen und es wurde nie mehr als Wasser / Wasserballons geworfen.

Aktuelle Frage

Ich möchte einen Wasserwerfer bauen und würde gerne einen Rat geben. Ideen. Was meine ich mit Wasserwerfer? Ich meine eine Maschine, die in der Lage ist, viel Wasser von 1 bis 3 Litern auf mindestens 20 Meter in einer Form wie eine Kanonenkugel anstatt eines Baches zu werfen.

Ist es möglich, dass ein "Klumpen" Wasser seine Form beibehält, nachdem er mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Luft geschossen wurde, zumindest für eine begrenzte Reichweite? Ich sehe zwei Herausforderungen: das Wasser beschleunigen und "halten" zusammen "in der Luft. Letzteres kann mit einem Kunststoffbehälter (z. B. einem Ballon) erreicht werden, während der erste Teil schwieriger sein kann. Ballons neigen dazu zu reißen und zu explodieren, wenn sie zu stark beschleunigt werden, während das Weglassen des Ballons die zweite Herausforderung unmöglich machen kann.

Das Design, das ich in Betracht ziehe, könnte einen riesigen Tank haben, der mit einem kleineren verbunden ist, der als " Brennkammer. " Sie füllen die Brennkammer, schließen die Leitung zwischen Tank und Brennkammer und öffnen eine weitere Leitung, die das Wasser durch ein Fass herausleitet. Die Idee ist, Druckluft zu verwenden, aber mein Hauptanliegen ist, dass das Wasser in der Luft keine "Kugel" -Form beibehält.

Einschränkungen

Die beste Lösung für mich wäre eine, die innerhalb der Einschränkungen für die Wasserballonschlacht funktioniert.

  • Ungefähr 100 € Materialkosten.
  • Im Antriebssystem ist kein Feuer erlaubt, Druckluft ist in Ordnung, aber kein elektrischer Kompressor ist erlaubt, daher ist Effizienz ein Muss. Unser Arquebus könnte einen zitronengroßen Ballon in etwa 50 m Entfernung bei etwa 2 atm abfeuern.
  • Sicherheit ist absolut das Hauptanliegen. Ohne Grund können Risiken für die Betreiber oder die Gegner bestehen. Wir haben mit unserem Arquebus mit einer Schusspatrone experimentiert, da die Reibung mit dem Lauf den Ballon zerstören würde, und die Granate wurde mit vielen redundanten Drähten am Lauf befestigt, um sicherzustellen, dass sie nicht auch abgefeuert wird.

Arbeitskräfte und Zeit sind ziemlich unbegrenzt, wenn das Projekt cool ist. Wir haben einige sehr hohe manuelle Fähigkeiten und eine Menge gängiger und weniger gebräuchlicher Werkzeuge.

Vier antworten:
#1
+4
Olin Lathrop
2015-03-23 18:56:42 UTC
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Sie brauchen nichts Aufwändiges, um Wasserballons ganz gut zu starten. Ich wurde tatsächlich wegen eines "Wasserballonvorfalls" aus einem Studentenwohnheim geworfen.

Es stellt sich heraus, dass chirurgische Schläuche ein großartiges Gummiband sind. Es kann sich bis zum 4-fachen seiner Ruhelänge dehnen und ist sehr effizient bei der Rückgabe der gespeicherten Energie. Wir verwendeten auf jeder Seite eines Korbs etwa 2,5 Fuß doppelte Schläuche. Das heißt, wenn der Schlauch ganz nach hinten gespannt war, war er auf jeder Seite 10 Fuß lang. Das sind ziemlich viele Pfund Zugkraft.

Für den Korb haben wir den größten Kunststofftrichter verwendet, der im örtlichen Lebensmittelgeschäft erhältlich ist. Schneiden Sie für jede der chirurgischen Schlauchschnüre Löcher auf den gegenüberliegenden Seiten des breiten Teils. Der Trichter bildet eine schöne Form zum Halten des Wasserballons, und das Loch im kleinen Ende lässt Luft herein, so dass der Ballon aus dem Korb austreten kann, ohne durch Luftansaugung hängen zu bleiben.

Dieses einfache und billige Gerät funktionierte sehr gut. Wir haben ungefähr 1 Pfund Wasserballons geschossen, was ungefähr so ​​massiv ist, wie man es sich vorstellen sollte, wenn etwas so schnell läuft. Wir konnten leicht über einen Flügel des Wohnheims schießen, der 4 Stockwerke über dem Ort lag, von dem aus wir schossen. Wir hatten die beiden Leute, die die losen Enden des Operationsschlauchs auf einer Betonwand hielten, mit der dritten Person unten auf dem Boden. Der Startwinkel war ziemlich nahe am Optimum, und ich würde sagen, wir könnten ungefähr 75 Meter schießen, vielleicht sogar ein bisschen mehr.

Ein anderes Mal schossen wir wahrscheinlich vom Balkon eines Wohnheims auf einem Hügel ca. 20 m von der Straße entfernt. Obwohl der Startwinkel nur mäßig hoch war, konnten wir in den Innenhof hinter einem Gebäude auf der anderen Straßenseite ein wenig schießen, wahrscheinlich in einer horizontalen Gesamtentfernung von etwa 100 m.

Wenn zwei Personen die Enden auf ebenem Boden halten, erreichen Sie keinen Startwinkel für die maximale Entfernung, aber Sie möchten wahrscheinlich sowieso nicht dafür optimieren. Sie können jederzeit ein Rig herstellen, um die Enden des Schlauchs zu halten und die Drehung des gesamten Mechanismus zum Zielen und dergleichen zu ermöglichen. Es hängt davon ab, wie ausgefallen Sie werden möchten. Drei Personen sind sehr billig, mobil, einfach einzurichten und können problemlos feuern und rennen.

Vielen Dank für Ihre Eingabe Olin, wir haben normalerweise zwei oder drei Gruppen von Menschen, die mit ähnlichen Geräten schießen. Was Sie vorschlagen, ist vergleichbar mit einem Mörser. Ich möchte einen Panzer bauen.
#2
+4
Ben Trettel
2015-03-31 03:02:43 UTC
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Diese genaue Frage wurde eingehend untersucht. Wie Olin Lathrop vorgeschlagen hat, gibt es eine maximale Tropfengröße. "Wasserbälle" neigen also dazu, in kleinere Tröpfchen aufzubrechen. Wie groß wird das größte stabile Tröpfchen sein? Die Antwort ist, dass es von der Oberflächenspannung des Wassers, der Geschwindigkeit, mit der das Tröpfchen abgegeben wird, dem Luftwiderstandsbeiwert und der atmosphärischen Luftdichte abhängt. Die meisten davon haben Sie nur wenig unter Kontrolle, obwohl Sie durch die Verwendung von fast gefrierendem Wasser einen bescheidenen Anstieg (~ 6%) der Oberflächenspannung erzielen können (was in dieser Situation auch aus anderen Gründen vorteilhaft sein kann). Verwenden Sie nur kein tatsächlich gefrorenes Wasser, da dies zwar das Trennungsproblem lösen würde, aber äußerst gefährlich wäre.

Hier ist eine Gleichung, die Ihnen eine Vorstellung davon gibt, wie sich die Dinge unterscheiden (aus dem Buch ) Atomisierung und Sprays von A. Lefebvre):

$$ D_ \ text {max} = \ frac {8 \ sigma} {C_ \ text {D} \ rho_ \ text {a} U ^ 2} $$

wobei $ D_ \ text {max} $ der maximale Durchmesser ist, $ \ sigma $ die Oberflächenspannung des Wassers ist, $ C_ \ text {D} $ der Luftwiderstand ist Der Koeffizient des Tröpfchens, $ \ rho_ \ text {a} $, ist die atmosphärische Luftdichte und $ U $ ist die Geschwindigkeit, mit der das Tröpfchen gestartet wird.

Aus dieser Gleichung können Sie die höhere Oberflächenspannung erkennen ist besser und schnellere Starts beeinträchtigen die Tropfengröße. Wenn ich einige plausible Zahlen einstecke, erhalte ich eine maximale Tröpfchengröße in der Größenordnung von einem Zentimeter, vorausgesetzt, die Startgeschwindigkeit beträgt 10 m / s. Diese Tröpfchen sind nicht sehr groß, können aber für Ihre Anwendung in Ordnung sein.

In einem verwandten Punkt, wie Sie in dem Buch sehen können, mit dem ich verlinkt habe, nein, der "Ball" behält seine Form nicht bei. Das Buch enthält eine Reihe von Abbildungen, um mögliche Verzerrungen zu zeigen, die der Tropfen vor dem Aufbrechen durchläuft ( z. B.).

Der Wasserballon verhält sich ähnlich wie eine Flüssigkeit mit extrem (unmöglich) hoher Oberflächenspannung. Die Spannung im Ballon selbst ist der Oberflächenspannung ziemlich ähnlich. Ich denke, es ist in Ihrem besten Interesse, weiterhin Luftballons zu verwenden. Sie können vermeiden, mit einem Sabot nach einer Druckluftkanone zu suchen.

#3
+3
Olin Lathrop
2015-03-24 00:30:26 UTC
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Sie haben die Frage durch Bearbeiten vollständig geändert. Jetzt gebe ich eine andere Antwort als zuvor. Ich werde die ursprüngliche Antwort beibehalten, da das, was darin steht, immer noch gültig ist, obwohl es nicht mehr so ​​relevant ist.

Nein, Sie können keine "Wasserbälle" abfeuern. Flüssigkeit, die sich durch Luft bewegt, funktioniert nicht so. Jeder Ball mit mehr als einer Tropfengröße würde sich auflösen, und Tropfen haben zu wenig Masse, als dass ihr Luftwiderstand in der gewünschten Entfernung geschossen werden könnte.

Ein Wasserball wird durch seine Oberflächenspannung zusammengehalten. In einer schwerelosen Umgebung können Sie Wasserbälle haben, die zusammen bleiben. Dies funktioniert jedoch nicht mehr, da sich der Ball durch die Luft bewegt. Wenn die Größe einer Kugel zunimmt, nehmen auch die Luftdruckkräfte auf sie zu, aber die Oberflächenspannungskraft bleibt gleich. Dann gibt es noch die Geschwindigkeit des Balls. Wenn die Kugelgröße größer wird, wird auch die Endgeschwindigkeit größer und die Luftkräfte auf den Ball gehen mit dem Quadrat der Geschwindigkeit einher.

All dies bedeutet, dass Flüssigkeitskugeln, die sich durch Luft bewegen, von Natur aus begrenzt sind Größe. Das ist was ein "Tropfen" ist. Es gibt einen Grund, warum Regentropfen nur eine bestimmte Größe erreichen. Ein Regentropfen maximaler Größe in einer Wolke wächst, wenn er auf dem Weg nach unten auf andere Mikrotropfen der Wolke trifft. Wenn es zu groß wird, werden die Luftkräfte allein aufgrund seiner Größe größer. Gleichzeitig steigt die Geschwindigkeit und die Luftwaffe steigt mit dem Quadrat dieser Geschwindigkeit. Alle diese Faktoren zusammen begrenzen Wasser bei 1 atm Luft auf etwa 50 & mgr; l Größe

Verwandte: https://what-if.xkcd.com/12/
Wenn ich also einen Ball machen kann, der groß genug ist, hat er keine Zeit, sich zu zerstreuen ... Es wäre schön, einige Zahlen darüber herausfinden zu können, wie groß der Ball sein sollte, um zu sehen, ob er machbar ist (wahrscheinlich nicht).
@Vlad: Selbst wenn Sie einen perfekt geformten Wasserball aus Ihrem Gerät herausschießen könnten, würde er sehr schnell aufbrechen. Für einen ballistischen Flug in 20 m Entfernung beträgt die Mindestgeschwindigkeit 10 m / s.
Ja, das vermute ich. Ich dachte darüber nach, eine Frage zu stellen, wie man einen Ballon startet, ohne ihn zu zerbrechen. Das könnte mir bei meinem Projekt helfen und auf einer SE-Site beantwortet werden.
@Vlad: In meiner anderen Antwort erfahren Sie, wie Sie einen Ballon starten, ohne ihn zu beschädigen. Diese Methode konnte dem Ballon viel mehr Kraft verleihen, als Sie verlangen. Sie müssen nicht mehr hinzufügen. Selbst mit dem, was wir getan haben, möchte ich nicht vom Ballon getroffen werden. Es kommt zu einem Punkt, an dem Menschen verletzt werden könnten. Wir haben versehentlich ein Fenster mit einem Wasserballon zerbrochen, der von unserem Gerät aus gestartet wurde, und das war 3 Stockwerke höher als dort, wo es gestartet wurde.
@OlinLathrop Ja, ich habe es gelesen, wir verwenden bereits ein solches System. Die Trichteridee ist großartig, ich möchte nur noch ein paar Ideen sammeln, um zu sehen, ob wir eine größere Sache machen können. Ich bin mir nicht sicher, ob das Schleudergerät gut auf 1 Liter oder mehr skaliert. Der übliche Ballon ist etwa 200 ~ 300 ml.
@Vlad: Ich würde mich an 500 ml (ungefähr 1 Pfund) oder weniger halten. Alles andere und Menschen könnten verletzt werden.
@OlinLathrop yep wir würden das nicht gegen Menschen verwenden, es gibt auch eine Art Barrikaden und solche, die einigermaßen sicher angegriffen werden können (und die ich nicht erwähnt habe - ich bin dafür schuldig). Wenn Sie sich Sorgen um die Sicherheit machen, kann ich Ihnen versichern, dass dies das Hauptanliegen beider Parteien ist.
#4
  0
hazzey
2015-03-23 22:33:07 UTC
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Optionen

Es ist wahrscheinlich möglich, etwas Ähnliches wie das zu tun, was Sie wollen. Es hängt wirklich von der Reichweite ab, nach der Sie suchen, und davon, wie besorgt Sie darüber sind, dass es sich um einen "Ball" handelt.

Feuerwehrschlauch

Wenn ein Feuerwehrschlauch einen Wasserstrahl abschießen kann Dann brauchen Sie nur noch einen kurzen Wasserstrahl. Es ist vielleicht kein "Ball", wie Sie es wollen, aber es würde Wasser über das Feld bringen. Um die Reichweite zu erreichen, muss es sich möglicherweise eher um einen Strom als um einen kurzen Ausbruch handeln.

Laminarer Brunnen

Damit ein kompaktes "Paket" Wasser zusammen bleibt, müssen Sie zusammenbleiben benötigen ein spezielles Düsen- und Wassersystem. Ähnliches wird in Springbrunnen verwendet. Es sieht so aus, als ob der Ausdruck springende Jets oder laminarer Brunnen ist. Dies sind Springbrunnen, die ihre Form behalten und einen sehr abrupten Start und ein abruptes Ende haben.

Für diese Springbrunnenarten gibt es zwei Kontrollfaktoren:

  1. Scharfer Start- und Stoppmechanismus.
  2. Laminar fließendes Wasser.
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    Starten und Stoppen

    Eine rotierende Scheibe mit einem Loch kann ein sich wiederholendes Ein / Aus-Muster erzeugen. Dies könnte durch eine Akku-Bohrmaschine oder ähnliches angetrieben werden. Die Rate könnte im Abstand der Löcher angepasst werden.

    Laminares Wasser

    Das größte Problem besteht darin, das fließende Wasser laminar zu halten. Die laminare Strömung wird dadurch definiert, dass die Reynolds-Zahl unter 2100 liegt. Für die Situation, in der Wasser in einem Rohr fließt: $$ R_e = (2,475 × 10 ^ 6) * v * D < 2100 \\ wobei: \\ v = Geschwindigkeit (m / s) \\ D = Durchmesser (m) $$

    Die Anforderung, dass die Strömung laminar ist, wird die Geschwindigkeit des Wassers, das das Rohr verlässt, einschränken. Dies wirkt sich direkt auf die Reichweite des Wassers aus. Es kann am Ende sein, dass es einfach nicht so viel Reichweite gibt, wie Sie möchten.

    In einigen Tutorials zu DIY-Laminarbrunnen finden Sie verschiedene Möglichkeiten, wie diese Streams erstellt wurden. Ein Paar, das ich über eine Websuche gefunden habe, sind Laminar Fountains für die Mathematik und The Laminar Project Forum für andere Ideen.

    Wasserdruck

    Sie scheinen Grenzen zu haben, wie Sie den Wasserdruck erzeugen können. Sie erwähnen, dass Druckluft eine Option ist, daher scheint es der vernünftigste Weg zu sein, mit einem Drucktank für das Wasser voranzukommen.

Während Sie meine Frage buchstäblich beantwortet haben, geben Sie keine wirklichen Einblicke in das Wie und Warum, das ist eigentlich der springende Punkt. Vielen Dank auch für Ihre Eingabe.
Feuerwehrschläuche schießen keine Wasserströme ab. Der Strom beginnt kurz nach der Düse aufzubrechen und wird eine große Anzahl einzelner Tropfen sein, wenn er auf etwas trifft.
Die von Ihnen angegebenen Reynolds-Zahlenkriterien gelten nicht für den Fall eines laminaren Brunnens. Laminare Rohrströmungen wurden bis zu Reynolds-Zahlen von 100.000 beobachtet! ([Siehe hier] (http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-fluid-122109-160652).) Die laminaren Springbrunnen verwenden Turbulenzreduzierungstechniken, sodass die Strömung bei höheren Reynolds-Zahlen stabil ist. Ich habe mich mit solchen Techniken für Brandschutzanwendungen befasst, und der Druckabfall, der erforderlich ist, um die Turbulenzen auf das Niveau der laminaren Springbrunnen zu reduzieren, ist wahrscheinlich zu groß, um für den Brandschutz leider praktikabel zu sein.


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