Wassersprung


Wassersprung
Eurocup 2006 Kanu-Freestyle im Augsburger Eiskanal
Einen hydraulischen Sprung kann man leicht im Waschbecken betrachten. Im Zentrum herrscht hier schießender Abfluss. Außerhalb des hydraulischen Sprungs, der auf dem Foto als konzentrische Welle erkennbar ist, erfolgt strömender Abfluss.
Oben am Überfall ein Wechselsprung von strömendem zu schießendem Wasser, unten in der Wasserwalze der umgekehrte Fall

Der Wechselsprung (auch Wassersprung [1] oder Hydraulischer Sprung) ist ein Begriff aus der Hydraulik. Es handelt sich um einen Fließwechsel von sehr langsam zu sehr schnell fließendem Wasser oder umgekehrt. Dieses Phänomen tritt bei Gerinneströmungen auf.

Wenn der Abfluss in einem Gerinne langsamer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen (Wellen), dann wird dies als strömender oder unterkritischer Abfluss bezeichnet (Fr < 1).

Wenn der Abfluss schneller als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Störungen erfolgt, dann wird dies als schießender oder überkritischer Abfluss bezeichnet (Fr > 1).

Zur Unterscheidung benutzt man die Froude-Zahl

Fr = \frac{v}{\sqrt{g h}}

mit

Ein Wechselsprung (hydraulischer Sprung) entsteht beim Fließübergang vom schießenden zum strömenden Abfluss:

  • Übergang erfolgt plötzlich (diskontinuierlich)
  • wesentliche Verluste beim Hineinschießen vom Oberwasser in das Unterwasser
  • Wassertiefe ist größer als die Wassergrenze
  • Geschwindigkeit ist kleiner als die Geschwindigkeitsgrenze

Ein zweite Art von Fließübergang entsteht vom strömenden zum schießenden Abfluss:

  • Voraussetzung ist die Gerinneunstetigkeit
  • Veränderung der Wassertiefe ist kontinuierlich
  • Geschwindigkeit ist größer als die Geschwindigkeitsgrenze

Ein hydraulischer Sprung ist z. B. die Wasserwalze.

Ein analoges Phänomen sind Stoßwellen in Gasströmungen. Der Froude-Zahl in Gerinneströmungen entspricht dabei die Mach-Zahl in Gasen.

Weiterhin ist der Mechanismus der Energieumwandlung beim Wechselsprung demjenigen beim Brechen von Brandungswellen verwandt.

Siehe auch

  • Verdichtungsstoß - analoges Phänomen bei Gasen, die sich als kompressibles Fluid verhalten

Literatur

  • H. Jirka et. al.: Gerinnehydraulik, Institut für Hydromechanik der Universität Karlsruhe, 2005
  1. Wolfgang Schröder: Fluidmechanik. Wissenschaftsverlag Mainz in Aachen 2004, ISBN 3-86130-371-X, S. 125.

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