Woltmanscher Flügel

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Woltmanscher Flügel

Der Woltmansche Flügel ist ein Meßgerät zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines fließenden Gewässers. Das Gerät wurde nach seinem Erfinder Reinhard Woltman benannt


Beschreibung

Um zunächst eine allgemeine Vorstellung von dem Wesen dieses Geschwindigkeitsmessers zu geben, denke maß sich in einem Fluss eine drehbare horizontale Achse, welche dem Stromstriche parallel ist, aber nach dessen Richtung nicht ausweichen kann. Senkrecht zu dieser Achse stehe ein Metallstäbchen, das an den Enden mit zwei trapezförmigen ebenen Messingplättchen von mehreren Quadratzoll Flächeninhalt versehen ist. Diese Plättchen oder Flügel mögen mit der vorhin gedachten Achse einen Winkel von 45° bilden, während sie selbst senkrecht gegen einander stehen. Sie sind fest mit ihrem Stäbchen verbunden, so wie dieses fest mit der Ache. Werden nun diese Flügel von den Wasserfäden, gegen welche sie ebenfalls eine Neigung von 45° haben, gestoßen, so können sie diesem Stoße nur nachgeben, indem sie sich um die Horizontalachse drehen und folglich um diese einen Kreis beschreiben. Die Bewegung der Flügel steht zur Bewegung des Wassers in einer gewissen mathematischen Beziehung, da die Geschwindigkeit, mit welcher sie dem Stoße nachgeben, so lange zunimmt, bis die Wasserfäden ungehindert über sie abfließen können. Es wird weiter unten gezeigt, dass bei der vorhin angegebenen Neigung der Flügel von 45° gegen die Ache und den Stromstrich das Ausweichen derselben mit derselben Geschwindigkeit geschieht, welche das Wasser hat. Nehmen aber diese Flügel die Geschwindigkeit des Wassers an, so ist klar, dass sie in einer gegebenen Zeit denselben Weg machen, welchen jeder der auf sie wirkenden Wasserfäden zurücklegt. Es ist folglich gleich, ob man den Weg dieser Wasserfäden oder den der Flügel misst. Der Weg der Flügel ist aber gleich der Anzahl der Umdrehungen, multipliziert mit dem Wert einer Umdrehung. Letztere kann leicht ermittelt werden; denken wir uns vorläufig, dieser Wert sei der Umfang eines Kreises, dessen Durchmesser der Abstand der Schwerpunkte der Flügelflächen ist. Nunmehr benötigen wir nichts mehr zu messen als die Zahl der Umdrehungen in einem beobachteten Zeitabschnitte. Es ergibt sich folglich die Notwendigkeit, mit der schon erwähnten Horizontalachse einen Zählapparat in Verbindung zu bringen, welcher die Zahl der Umdrehungen misst.

Die besondere Einrichtung des Woltman'schen Flügels, welche im Bild dargestellt ist, erfordert nach dieser allgemeinen Aufzählung der zu erfüllenden Bedingungen folgende Bestandtheile: 1) eine hinreichend starke Stange (A), an welcher sich der Flügel in beliebiger Höhe feststellen und in das Wasser halten lässt; 2) ein Steuerruder (B), welches die Horizontalachse (x) in die Richtung des Stromstrichs stellt, indem es in Folge der Einwirkung des Wassers das Instrument um die Stange A dreht: 3) ein Lager (e) sowohl für die Hauptachse der Flügel als für die Achse der Rädchen (r, r‘), welche den Zählapparat bilden; 4) eine horizontal liegende Achse (x), um welche sich die an einem senkrecht dagegen gestellten Stäbchen befestigten Flügel (f, f‘) drehen können; 5) ein oder mehrere Paare von Flügeln (f,f') nebst Stäbchen zu deren Befestigung an der Hauptachse (x); und endlich 6) eine Schnur (D), wodurch der Zählappart mit der Hauptachse in und außer Verbindung gesetzt werden kann. Die Stange A erhält eine der Tiefe, in welcher zu messen ist, entsprechende Länge und Dicke; für die meisten Fälle reichen 10 Fuss Länge und 2 Zoll Dicke. Unten kann maß sie mit Eisen beschlagen und den eisernen Schuh spitzig oder stumpf machen.

Damit man den Flügel oder vielmehr dessen Hauptachse in die rechte Höhe stellen kann, bringt man auf der Stange eine Einteilung an, welche entweder von halb zu halb oder von viertel zu viertel Fuß fortschreitet. Das Steuerruder B ist von Holz und wird etwa 1 ½ Fuss lang, 4 Zoll breit und ¼ Zoll dick gemacht; es ist mit der Hülse h, wodurch das Instrument an die Stange A gesteckt wird, fest verbunden. Die Hülse h, ist etwas weiter als die Stange A dick, damit sich der Flügel so drehen kann, wie es das Steuerruder verlangt. Durch die Büchse b, welche sich mit der Schraube c an der Stange A feststellen lässt, wird das Instrument in der richtigen Höhe erhalten. Manche Mechaniker bringen oberhalb der Hülse h noch eine zweite mit b übereinstimmende Büchse an; sie kann aber, wie die Erfahrung lehrt, entbehrt werden, da das Instrument vermöge seines Gewichts sich nicht über b erhebt, wenn auch die Schnur D angezogen ist. Das Achslager C, welches mit der Hülse h fest verbunden ist, hat zunächst die Hauptachse x aufzunehmen und derselben mit einem Minimum von Reibung eine sichere Drehung zu gestatten; außerdem dient es einem Hebel (i) zur Unterlage, welcher die Achsen zweier gezahnter Rädchen (r, r') trägt, wovon das erstere die einzelnen Umdrehungen der Flügel und das letztere die ganzen Umdrehungen des erstem Rädchens anzeigt. Die Hauptachse x, um welche sich die Flügel drehen, enthält in der Mitte eine unendliche Schraube u, welche so eingerichtet ist, dass jede ganze Drehung das Rädchen r gerade um einen Zahn vor- oder rückwärts bewegt. Hat das Rädchen r wie hier 100 Zähne, so entsprechen einer ganzen Umdrehung desselben 100 Umdrehungen der Achse x oder der Flügel f, f'. Würden bei einer Messung innerhalb des beobachteten Zeitraums nie mehr als 100 Umdrehungen der Flügel vorkommen, so brauchte der Apparat nur ein Rädchen; da aber bei gros8en Geschwindigkeiten in kurzer Zeit 100 Umdrehungen erschöpft sind, s0 muss ein zweites Rädchen r" die ganzen Umdrehungen des ersten zählen. Verbindet man deshalb mit r' ein noch kleineres Rädchen r, welches 20 Zähne hat und in r", das dem r' gleich ist eingreift, so wird sich r" um 20 Zähne oder den fünften Teil seines Umfangs bewegt haben, wenn r' eine ganze Drehung gemacht hat, und es werden einer ganzen Drehung von r" fünf ganze Drehungen von r' und folglich 5 mal 100 oder 500 Umdrehungen der Flügel entsprechen. Zum Ablesen auf den Rädchen r' und r" dienen die auf dem Lager C befestigten Zeiger z‘ und z".

Die Flügel (f', f) haben eine trapezförmige Gestalt, welche sich als ein· an den Ecken abgestumpfter Ausschnitt eines Kreisrings darstellt. Die Größe dieses Ausschnitts richtet sich nach der Länge der Flügelrute n n‘. Beschreibt man mit dieser Länge als Halbmesser einen Kreis, so liefert dieser den äußeren Bogen; nimmt man ferner die Flügelbreite m n zwischen einem Drittel und der Hälfte der Rutenlänge n n' an, so ergibt sich der konzentrische innere Bogen; und teilt man endlich die so bestimmte Ringfläche durch Halbmesser in 9 oder 10 gleiche Teile, so ist die Form und Größe eines Flügels der Hauptsache nach bestimmt. Jeder Flügel ist an der Rute, wie bei f‘ zu sehen , festgelötet und es werden beide Flügel mit der Öffnung in der Mitte der Rute so an die Hauptachse gesteckt, dass die glatte Metalloberfläche dem ankommenden Wasser zugewendet ist. Eine Schraube s hält die Flügelrute an der Ache fest. Statt zweier Flügel kann man auch 4 anwenden, indem man statt einer Rute zwei sich senkrecht kreuzende und festverbundene Ruthen an die Hauptachse befestigt. Die Schnur D dient dazu, den Zählapparat von dem Augenblicke an in Gang zu bringen, wo die Zeitmessung beginnt, und ihn in dem Moment außer Gang zu setzen, wo die Zeitmessung aufhört. Unsere Figur zeigt den Zählapparat im Zustand der Ruhe; die Flügel können sich im Wasser drehen, ohne dass diese Drehungen gezählt werden. In dem Augenblick aber, wo die Schnur D aufwärts gezogen wird und das Rädchen r' in die Schraube u eingreift, kommt der Zählapparat in Gang; und verharrt darin, bis die Schnur auf ein gegebenes Zeichen wieder nachgelassen wird. Damit das Rädchen r‘ in Folge dieses Nachlassens ganz sicher außer Verbindung mit der Schraube U kommt, ist zwischen dem Hebel i und dem festen Arme o o‘ eine Spiralfeder e angebracht, welche, sobald es die Schnur erlaubt, die Hebel i und damit die gezahnten Rädchen in die Lage herabdrückt, welche das Bild darstellt.

Gebrauch

Wir setzen voraus, dass in geringer Höhe über dem Wasserspiegel des Flusses, dessen Geschwindigkeiten an verschiedenen Stellen bestimmt werden sollen, ein Steg gebaut sei, von dem aus die Beobachtung geschieht, und dass man bereits die Tiefen des Flusses gemessen und hiernach den Abstand des Instruments vom Fusspunk der Flügelstange bestimmt habe. Nun stelle man die Rädchen r‘ und r" so, dass jeder Zeiger z‘ und z‘‘ auf Null zeigt und lasse von einem Gehilfen das Instrument an der bestimmten Stelle so in den Fluss halten, dass die Stange A an dem Steg anliegt und lotrecht steht, während die Schnur D lose in der linken Hand ruht. Nachdem etwa eine halbe Minute Zeit verflossen ist, in der sich die Hauptachse x durch das Steuerruder in die Richtung des Stromes gestellt hat und die Flügel die dem Flusse entsprechende Geschwindigkeit erlangt haben, gibt man in dem Augenblicke, wo der Zeiger der Sekundenuhr, die man selbst hält und beobachtet, eine leicht zu merkende Stelle (z. B. bei 15, 30, 45, 60 Sekunden) erreicht hat, dem Gehilfen ein Zeichen, worauf dieser sofort die Schnur D anzieht. N8.ch Verlauf von 30 oder 60 Sekunden folgt ein neues Zeichen und in demselben Augenblicke das Nachlassen der Schnur. Der Flügel wird nun aus dem Wasser gehoben und die Umdrehungszahl an den Zeigern z" und z' abgelesen. Sind in der Zeit von t Sekunden u Umdrehungen gemacht worden und entspricht einer Umdrehung die Weglänge k, so ist die Geschwindigkeit des Wassers v = k * u/t Bei einer zweiten Beobachtung braucht man die Zeiger Z' und Z‘‘ nicht wieder auf Null zu stellen, sondern nur ihren Stand am, Anfange und Ende der Beobachtung aufzuzeichnen und die Differenz beider als Zahl der Umdrehungen zu nehmen. Es versteht sich von selbst, dass, wenn man an einer und derselben Stelle und unter sonst gleichen Verhältnissen etwas verschiedene Geschwindigkeiten des fließenden Wassers findet, das arithmetische Mittel aus denselben als die gesuchte Geschwindigkeit anzunehmen ist. Hat man in einem großen Flusse Geschwindigkeiten zu messen, so muss ein Kahn durch Fahrbäume und Seile an der bestimmten Stelle festgehalten werden, auf dem Schiff selbst aber ein Vorsprung angebracht sein, welcher gestattet, das Instrument mehrere Fuss vor dem Schiffsschnabel lotrecht in das Wasser zu halten. Je weiter man über das Schiff hinaus treten kann, desto geringer ist der Einfluss, welchen die Stauung vor demselben auf das Messungsresultat ausübt.