Knatterboot

Knatterboot

Das Knatter-, Putt-Putt- oder Puff-Paff-Boot ist ein Spielzeugboot mit Wasserimpulsantrieb (Dampfjetantrieb, Pulsarmotor, pulsed waterjet). Der einfache Motor kommt ohne bewegte Teile wie Kolben, Ventile oder Räder aus. Als Energiequelle dient eine Kerze oder eine andere Wärmequelle. Am Heck des Bootes ragen unterhalb der Wasserlinie zwei Rohre nebeneinander und parallel heraus. Durch die Rohre wird Wasser angesaugt und wieder ausgestoßen. Obwohl genau so viel Wasser angesaugt wie ausgestoßen wird, gibt es eine positive Impulsbilanz, die das Boot vorwärts treibt. Ursache des positiven Impulses bezogen auf das Boot als Bilanzhülle ist die Tatsache, dass das Wasser zwar aus allen Richtungen angesaugt, aber bevorzugt in eine Richtung wieder ausgestoßen wird. Beim Ansaugen entsteht somit eine kugelsymmetrische und damit impulsneutrale Senke, beim Ausstoßen ein impulsbehafteter Freistrahl.

Funktionsprinzip des Motors

Flachverdampfer

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  Heckansicht

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  Blick von unten

Eine verbreitete Konstruktion des Motors ist in den Bildern oben dargestellt: Ein flacher Verdampfer (gelb) aus Kupferblech ist horizontal über der Flamme positioniert. Von zwei Seiten des Verdampfers laufen die Rückstoßröhren (dunkelgrau) zum Heck des Bootes, wo sie unterhalb der Wasserlinie münden. Die zweite Röhre ist für die Funktion nicht notwendig. Sie erleichtert aber die blasenfreie Befüllung mit Wasser vor der Inbetriebnahme. Erreicht das Wasser den Siedepunkt, kommt es im Verdampfer zu einer schlagartigen Verdampfung und das Wasser in den Röhren wird ausgestoßen. Wegen der Massenträgheit des Wassers in den Röhren und der Abkühlung des Verdampfers durch die Ausdehnung des Dampfes entsteht im Verdampfer ein Unterdruck, der dazu führt, dass durch die Röhren frisches Wasser in den Verdampfer angesaugt wird. Somit beginnt ein neuer Zyklus, der das System in einer permanenten Schwingung hält.

Geräuscherzeugung

Das charakteristische namensgebende knatternde Geräusch des Bootes entsteht nicht direkt durch den Verdampfungsvorgang, sondern durch eine spezielle Konstruktion des Verdampfers: Die Oberseite ist aus Federstahlblech als Knackfrosch ausgeformt, der bei den schnellen Druckwechseln hin- und herspringt und dabei jeweils ein knackendes Geräusch erzeugt.

Schraubenverdampfer

Schraubenverdampfer

Eine einfachere aber genauso effiziente Konstruktion des Knatterboots basiert auf einer einzigen dünnen Kupfer-, Messing- oder Aluminiumröhre von etwa drei bis vier Millimeter Innendurchmesser. Die Röhre wird im Mittelteil so zu einer Schraube gewunden, dass die beiden Enden parallel und gleichlang abgehen. Die Schraube dient als Verdampfer. Ein Schraubenverdampfer arbeitet geräuschlos und kann ein Boot bei entsprechender Energiezufuhr – beispielsweise durch einen Spiritusbrenner – auf Geschwindigkeiten von 10 bis 20 Zentimeter pro Sekunde beschleunigen.

Am Verdampfer ist das Rohr mindestens auf Siedetemperatur des Wassers aufgeheizt. An den Jetdüsen hat das Rohr Wassertemperatur. Am Meniskus, der Wasserdampf-zu-Wasser-Grenze, laufen folgende Prozesse ab: Durch den Wasserdampfdruck wird das Wasser in Richtung Jetdüsen gepresst. Die vorher mit Wasser gefüllten Rohrabschnitte sind so kühl, dass der Wasserdampf kondensiert. Nach der Kondensation besteht wegen des Volumenunterschieds von Wasserdampf zu Wasser ein Unterdruck zum Luftdruck, und der Meniskus bewegt sich wieder in Richtung Verdampfer.

Andere Bezeichnungen

Das Knatterboot ist unter vielen anderen, meist lautmalerischen Bezeichnungen bekannt:

• Puff-Paff-Boot (vor dem Zweiten Weltkrieg)
• Pütt-Pütt-Boot
• Dampfjetboot
• pop-pop boat (engl.)

Literatur

• Jürgen Becker: Putt-Putt-Boot in: Walter Czech, (Hrsg.), Physik, Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte Sek II, Ergänzung 18, 1994, Stark Verlag, Freising
• I. Finnie, R. L. Curl: Physics in a Toy Boat, American Journal of Physics, Nummer 31 (1963), Seiten 289 bis 293

Siehe auch

•  Wikibooks: Die Mechanik flüssiger und gasförmiger Körper – Lern- und Lehrmaterialien
• Fluidmechanik
• Gasdynamik
• Potentialströmung
• Aeolipile

Weblinks

• The Pop-Pop Pages – ausführliche englischsprachige Seite zum Thema mit Bauanleitungen und Geschichte
• kurze Geschichte des Knatterbootes
• Knatterbootmotor aus Glas Video