Unterrichtsmodelle. Von R. Vater, Geheimer Bergrat, Berlin. (Fortsetzung und Schluß von S. 465 d. Bd.) VATER: Unterrichtsmodelle. III. Schiebermodell. Textabbildung Bd. 330, S. 481 Abb. 14. Modelle zur Erläuterung der Bewegungsvorgänge beim Schieber einer Dampfmaschine gibt es in großer Zahl. Sie leiden meiner Ansicht nach durchweg an dem Uebelstande, daß sie sich dem tatsächlichen Schnitt durch eine Dampfmaschine mit zugehörigem Gestänge zu sehr anpassen wollen. Die Folge davon ist, daß gerade die wichtigen Teile zu klein ausfallen, so daß das Modell, soll es nicht zu unförmig groß werden, eigentlich nur für den unmittelbar danebenstehenden verständlich ist. Erläuterungen für einen größeren Zuhörerkreis sind damit ausgeschlossen. Diesen Uebelstand wollte ich mit dem von mir entworfenen Modell beseitigen. Maßgebend für die Dampfverteilung durch eine Schiebersteuerung sind bekanntlich: Jeweilige Kolbenstellung, jeweilige Schieberstellung, Größe der Exzentrizität, Größe des Voreilwinkels, Länge der Schieberstange. Diese fünf Sachen sind es also, die mit einem Modell, soll es seinen Zweck als Unterrichtsmodell erfüllen, auch einem größeren Zuschauerkreise deutlich sichtbar gemacht werden müssen. Sie sind es aber auch, die leicht und rasch verstellbar sein müssen, um die Einflüsse etwaiger Aenderungen zeigen zu können. Textabbildung Bd. 330, S. 481 Abb. 15. Zur Erzielung einer handlichen Größe verzichtete ich zunächst auf die Darstellung der Kolbenstange. Ich ließ vielmehr, ähnlich wie dies bei Gasmaschinen geschieht, die Schubstange unmittelbar am Kolben K (Abb. 14) angreifen. Praktisch ist das ja für eine doppeltwirkende Maschine unmöglich, ich glaube aber nicht, daß es für die Betrachtung der Vorgänge bei der Schieberbewegung von irgend welchem Nachteil sein könnte. Das den Kolben darstellende Modellstück K ist an einem auf der Rückseite des Modells (Abb. 15) befindlichen Bügel n befestigt, welcher durch zwei Führungsstangen 3, 4 geradegeführt wird. Zugunsten der Deutlichkeit und Handlichkeit verzichtete ich ferner darauf, den Antrieb des Schiebers in allen Einzelheiten genau so nachzubilden, wie er bei Dampfmaschinen üblich ist, ohne jedoch dabei an der Richtigkeit der Schieberbewegung irgend etwas einzubüßen. Auch hier greift die Schieberstange S sozusagen unmittelbar am Schieber an, allerdings nicht an dem dargestellten Schieber selber, sondern an einem in zwei Führungen (auf den Stangen 1 und 2) gleitenden Bügel m (Abb. 15), an welchem oben Modellstücke verschiedener Schieberarten (vgl. Abb. 14 und 16) leicht befestigt werden können. Nebenbei sei hier gleich bemerkt, daß auch die zu den betreffenden Schiebern zugehörigen Schieberspiegel leicht auswechselbar sind. Der Antrieb des Schiebers geschieht nicht durch ein „Exzenter“, sondern durch eine Kurbel (Abb. 15), deren Länge von Null bis zu einem Höchstwerte leicht verstellbar ist. Auch die Länge der Schieberstange S (Abb. 14 und 15) läßt sich in einfachster Weise rasch verändern. Textabbildung Bd. 330, S. 482 Abb. 16. Die Aufgabe, den Voreilwinkel leicht verstellbar und auf weite Entfernungen hin deutlich sichtbar zu machen, wurde in folgender Weise gelöst (Abb. 17). Die „Kurbelwelle“ α ist hohl und besitzt zu beiden Seiten des Kurbellagers je einen Arm, und zwar einmal vorn die „Maschinenkurbel“ b, deren „Kurbelzapfen“ als Handgriff zum Antriebe des ganzen Modells ausgebildet ist, und ferner einen hinteren Arm b', dessen Zweck gleich erläutert werden soll. In der hohlen Kurbelwelle steckt ein kurzer Wellenstumpf, welcher auf beiden Seiten aus der hohlen Kurbelwelle herausragt. Auf dem hinteren Ende ist eine eigenartig geformte Scheibe c (Abb. 17 und 18) befestigt, die auf der einen Hälfte einen halbkreisförmigen konzentrischen Schlitz, auf der diametral entgegengesetzten Seite einen radialen Schlitz trägt. Diese Scheibe c stellt sozusagen das Exzenter der gewöhnlichen Schiebersteuerung dar. In dem radialen Schlitz wird nämlich der Zapfen e der Schieberantriebsstange S befestigt, in dem halbkreisförmigen Schlitz dagegen der Endpunkt jenes obengenannten zweiten Armes b'. In Abb. 18 sind der Deutlichkeit halber beide Teile aus der Scheibe c herausgeschraubt. Textabbildung Bd. 330, S. 482 Abb. 17. Man erkennt nun leicht, daß durch Festklemmen des zweiten Armes b' an verschiedenen Stellen des halbkreisförmigen Schlitzes der „Voreilwinkel“ beliebig und rasch zwischen + 90° und – 90° verändert werden kann. Um den Voreilwinkel auf weite Entfernung hin sichtbar zu machen, trägt der Wellenstumpf an der vorderen Seite vor der Kurbel einen Zeiger, welcher mit jenem radialen Schlitz in der Scheibe c gleichgerichtet ist. Der weithin sichtbare Winkel δ (Abb. 14) zwischen Zeiger und Maschinenkurbel ist der um 90° vergrößerte Voreilwinkel der Schieberkurbel. Beachtenswert ist vielleicht noch die Befestigung der Schieber-Antriebsstange S in jenem radialen Schlitz. Sie geschieht nämlich mit Hilfe eines Zwischenstückes e (Abb. 15, 17 und 18), welches es erlaubt, den Schieber-Kurbelzapfen bis nach dem Mittelpunkt der Welle hin zu verschieben, so daß also der Radius der Schieberkurbel sogar zu Null gemacht werden kaun. Die Schieberstange S ist in der Mitte geteilt (s. z.B. Abb. 18), ihre Länge läßt sich mit Hilfe von Schlitz und Flügel-Schraubenmutter leicht verändern. Auf der Vorderseite des Modells läßt sich ein kleines Brettchen D (Abb. 16) aufstellen, auf welchem der mit einer hundertteiligen Skala versehene Kolbenweg aufgezeichnet ist. Auf diese Weise läßt sich z.B. leicht ablesen, wieviel v. H. Füllung bei einer bestimmten Schiebereinstellung erreicht werden, wieviel v. H. die Kompression beträgt usw. Textabbildung Bd. 330, S. 482 Abb. 18. Die hübsche Ausführung des Modells stammt ebenfalls von der Firma Max Kohl in Chemnitz i. Sa. IV. Modell zum Nachweis der Umsetzung von Geschwindigkeit in Druck. Textabbildung Bd. 330, S. 482 Abb. 19a. Textabbildung Bd. 330, S. 482 Abb. 19b. Bei Turbinen, Zentrifugalpumpen, Turbokompressoren, Grubenventilatoren usw. findet sich die Erscheinung, daß Geschwindigkeit in Druck umgesetzt wird. Der umgekehrte Fall, daß Druck in Geschwindigkeit umgesetzt werden kann, erscheint niemandem verwunderlich; jeder Wasserleitungshahn, jede Dampf auspustende Lokomotive zeigt es alle Tage. Daß aber Geschwindigkeit sich in Druck umsetzen läßt, will manchem nicht recht einleuchten. Ein einfaches, billig herzustellendes Modell hilft leicht über diese Schwierigkeit hinweg. Durch die nach Abb. 19 geformten Rohrleitungen ströme Wasser, beide Male unter gleicher Druckhöhe. Die Querschnitteder Rohrleitungen an den Stellen 1, 2, 3 seien f1, f2, f3, die Wassergeschwindigkeiten an jenen Stellen c1, c2, c3 (in Abb. 19b entsprechend c1', f1' usw.). Ferner sei in Abb. 19a f1 = f2 = f3, also auch c1 = c2 = c3, In Abb. 19b dagegen sei zwar auch f1' =f3', dagegen f2' > f1' und demgemäß c2' < c1' nämlich c_2'=\frac{f_1'}{f_2'}\,.\,c_1'. Nimmt man an, daß durch jeden Querschnitt der Rohrleitung in der Sek. 1 kg Wasser hindurchfließt, dann ist die lebendige Kraft des Wassers an der Stelle 1: L_1=L_1'=\frac{{c_1}^2}{2\,g}, dagegen L2 > L1. Da nun aber Arbeit auf dem Wege von 1 nach 2 nicht geleistet wurde (abgesehen von der Ueberwindung der geringen Reibungswiderstände), so muß ein Teil der im Querschnitt f1' vorhanden gewesenen kinetischen Energie sich in potentielle Energie verwandelt haben, d.h. der dem Wasser an der Stelle 2 innewohnende Druck ist in dem Falle der Abb. 19b größer als im Falle der Abb. 19a. Textabbildung Bd. 330, S. 483 Abb. 20a. Textabbildung Bd. 330, S. 483 Abb. 20b. Um dies in einem Modell zu zeigen, ließ ich zwei völlig gleichartige Glasröhre von 10 mm l. W. zu einem rechtwinkligen Knie umbiegen (Abb. 20). Der wagerechte Schenkel des Glasrohres B wurde in der Mitte durch Aufblasen auf ungefähr 148 mm erweitert. Ferner erhielten die wagerechten Schenkel beider Rohre an den gleichen Stellen drei Piezometer-Röhrchen, so zwar, daß das mittlere Röhrchen bei dem Glasrohr B auf die Mitte des aufgeblasenen Teiles zu stehen kam. Diese beiden Rohrsysteme A und B wurden in einem Stativ, wie es für chemische Versuche viel benutzt wird, in gleicher Höhe nebeneinander befestigt (Abb. 21). Läßt man nun durch die so gestalteten Rohre Wasser hindurchfließen, so stellt sich das Wasser in den Piezometer-Röhrchen etwa so ein, wie Abb. 20 zeigt. Zur besseren Sichtbarkeit kann man das Wasser oben in den Piezometer-Röhrchen etwas färben. Das Rohr nach Abb. 20b zeigt deutlich, wie durch Verringerung der Wassergeschwindigkeit infolge des größeren Durchflußquerschnitts der Wasserdruck an dieser Stelle gewachsen, also Geschwindigkeit in Druck umgesetzt ist. An dem Ständer zwischen den beiden Glasrohren (Abb. 21) ist ein schwenkbarer und in der Höhe verstellbarer Wassereinlauf C angebracht, der so eingestellt werden kann, daß das Wasser in den Piezometer-Röhrchen l und l' zum besseren Vergleich jedesmal gleich hochsteht. Der. Wasserstand in den Röhrchen wird durch kleine Gummiringe bezeichnet. Um während des Versuchs einen stets gleichbleibenden Wasserdruck zur Verfügung zu haben, wurde ein Wassereinlauf angeordnet, wie er bei dem bekannten Kalorimeter nach Professor Junkers verwendet wird. Das den Glasrohren zufließende Wasser kommt zunächst durch den Gummischlauch a in den Behälter C (Abb. 21 und 22), und zwar dort in einen kleineren Behälter D, der sich in dem Behälter C befindet. Der Zulauf wird nun so reguliert, daß das Wasser ständig ein wenig über den Rand des kleineren Behälters D überfließt, wobei dieses überfließende Wasser durch den Gummischlauch b abgeleitet wird. Auf diese Weise besitzt das den Glasrohren durch das Röhrchen c zufließende Wasser stets die gleichbleibende Höhe h (Abb. 22). Abb. 21 zeigt den ganzen Apparat, der die genannten Vorgänge auch einem größeren Zuschauerkreise gut sichtbar macht. Textabbildung Bd. 330, S. 483 Abb. 21. Textabbildung Bd. 330, S. 483 Abb. 22. Textabbildung Bd. 330, S. 483 Abb. 23. Es dürfte damit wohl kaum etwas Neues gesagt werden, wenn hinzugefügt wird, daß der Apparat in einfacher Weise dazu benutzt werden kann, um auch noch andere Gesetze der Hydrodynamik zu zeigen. Vergrößert man nämlich die Ausflußweite der Rohrleitung, so sinkt bekanntlich der Druck in der Rohrleitung, umgekehrt dagegen steigt er, wenn die Ausflußöffnung enger wird. Durch Anfügen entsprechend gestalteter kleiner Glasstücke (mit Hilfe eines kleinen Stückchens Gummischlauch) lassen sich diese Erscheinungen sehr leicht zeigen. Auch der Grundgedanke einer Wasserstrahlpumpe läßt sich durch Anfügen eines besonders geformten Glasrohrstückes sehr schön zeigen. Wird irgendwo durch Ausbauchung der Rohrleitung der dem Wasser innewohnende Druck an dieser Stelle gesteigert, so wird er andererseits bekanntlich vermindert durch allmähliche Querschnittsverringerung. Eine solche Einschnürung kann nun so weit getrieben werden, daß der dem Wasser innewohnende Druck an der betreffenden Stelle kleiner ist als der Druck der Außenluft, so daß ein solcher Unterdruck geradezu zum Ansaugen z.B. von Wasser benutztwerden kann. Abb. 23 zeigt das betreffende Ersatzstück. An der Stelle der größten Einschnürung m ist wieder ein kleines Piezometer-Röhrchen angeschmolzen. Läßt man nach Ingangsetzen des Apparates dieses Röhrchen in ein kleines Gefäß stark gefärbten Wassers eintauchen, so kann diese Erscheinung des Ansaugens auch einem größeren Zuschauerkreise deutlich gezeigt werden. Das in Abb. 21 im Vordergrunde liegende T-förmige Glasrohrstück ist ein solches Ansatzstück zur Veranschaulichung dieser Saugwirkung.