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Falls ihr jemals den schönen Fluss Kennet besucht habt, ist euch vielleicht eine komisch aussehende Zickzackstruktur aufgefallen. Habt ihr gewusst, dass das Verschwinden dieses Bauwerks zu einer Katastrophe führen würde? Willkommen bei der interessanten Technik hinter Wehren.
Stellt euch vor, ihr habt ein offenes Gewässer wie dieses hier. In dieses bringen wir ein einfaches Bauwerk ein, ein sogenanntes Wehr oder Stauwehr. Was denkt ihr, wird passieren? Ist das eure Antwort? Leider ist diese Antwort falsch. Dies ist ein offenes Gewässer mit einer Wasserhöhe von fast 1,4 cm. Lasst mich jetzt das Wehr einführen und herausfinden, was mit der Wasserstandshöhe passiert.
Nach Einführung des Wehrs ist der Wasserstand stromaufwärts um fast 2 cm gestiegen. Auf der stromabwärts gelegenen Seite beträgt er nur 4 mm, er ist also gesunken. Woran liegt das? Fragt ihr euch auch, wie es zu diesem plötzlichen Anstieg und Rückgang des Wasserspiegels kommt? Die faszinierende Physik, die dahinter steckt, erforschen wir am Ende des Videos. Jedenfalls ist das eine interessante Entdeckung.
Könnt ihr mit dieser Entdeckung dieses Problem des Bauingenieurwesens lösen? Die Landschaft ist mit einem schönen Fluss gesegnet. Doch in der Regenzeit wird der Fluss wild und verwüstet alles. Wo soll das Wehr errichtet werden, um die Flut einzudämmen? Selbstverständlich in dem Waldgebiet. Die Einführung des Wehrs wird den Wasserstand auf der flussaufwärts gelegenen Seite erhöhen. Das hat zur Folge, dass nach der Einführung des Wehrs die Überschwemmungen im Waldgebiet zunehmen werden. Aber flussabwärts, wo die Menschen leben, wird der Wasserstand sinken. Das heißt, dass die Errichtung eines einfachen Wehrs die Gefahr von Überschwemmungen auf der flussabwärts gelegenen Seite verringert. Doch damit ist das Problem noch nicht gelöst.
Gehen wir zurück zum Experiment und schauen, worum es geht. Das ist der minimale Wasserdurchfluss durch diesen offenen Wasserlauf. Man sieht, dass der Wasserstand nur 8 mm über der Kerbhöhe liegt. Erhöhen wir jetzt den Wasserdurchfluss, liegt die Höhe über der Kerbe bei 1,5 cm. Wenn wir jetzt die maximale Wasserdurchflussmenge einstellen, fließt das Wasser etwa 2 cm über dem Kerbniveau. Kurz gesagt: Wenn man den Wasserdurchfluss erhöht, nimmt die Höhe der Wasseroberfläche zu.
Ist das für das Wehr von Vorteil? Steigt die Wasserspiegelhöhe mit der Durchflussmenge drastisch an, können derartige Wehre schnell eine Überschwemmung verursachen. Aus diesem Grund sollte ein ideales Wehr in der Lage sein, den Anstieg des Wasserspiegels mit der Fließgeschwindigkeit zu begrenzen.
Was ist mit diesem Zickzackwehr? Probieren wir es im offenen Wasserlauf aus. Das ist unser Zickzackwehr, das wir 3D-gedruckt haben. Der Wasserspiegel über dem Wehr liegt bei einem Zickzackwehr bei der maximalen Durchflussmenge nur bei 1,3 cm. Zur Erinnerung: Beim normalen rechteckigen Wehr lag der Wasserspiegel auf 2 cm Höhe. Das macht deutlich, dass es besser ist, ein Zickzackwehr in unserer Landschaft zu verwenden. Auch für die Tiere im Wald wird so ein friedlicheres Leben ermöglicht.
Die Hauptanwendung des Wehrs ist Bewässerung und Freizeitaktivitäten. Schaut euch zum Beispiel den Fluss Kennet an. Die Menschen vergnügen sich bei einer Bootsfahrt. Man kann sogar Bewässerungskanäle sehen, die sie gebaut haben. So sah der Kennet aus, bevor das Wehr eingebaut wurde. Wie wir im Experiment sehen konnten, steigt der Wasserspiegel auf der stromaufwärts gelegenen Seite, wenn wir ein Wehr einbauen. Stromabwärts bleibt die Wasserhöhe dagegen niedrig.
Stellt euch vor, ihr habt ein offenes Gewässer wie dieses hier. In dieses bringen wir ein einfaches Bauwerk ein, ein sogenanntes Wehr oder Stauwehr. Was denkt ihr, wird passieren? Ist das eure Antwort? Leider ist diese Antwort falsch. Dies ist ein offenes Gewässer mit einer Wasserhöhe von fast 1,4 cm. Lasst mich jetzt das Wehr einführen und herausfinden, was mit der Wasserstandshöhe passiert.
Nach Einführung des Wehrs ist der Wasserstand stromaufwärts um fast 2 cm gestiegen. Auf der stromabwärts gelegenen Seite beträgt er nur 4 mm, er ist also gesunken. Woran liegt das? Fragt ihr euch auch, wie es zu diesem plötzlichen Anstieg und Rückgang des Wasserspiegels kommt? Die faszinierende Physik, die dahinter steckt, erforschen wir am Ende des Videos. Jedenfalls ist das eine interessante Entdeckung.
Könnt ihr mit dieser Entdeckung dieses Problem des Bauingenieurwesens lösen? Die Landschaft ist mit einem schönen Fluss gesegnet. Doch in der Regenzeit wird der Fluss wild und verwüstet alles. Wo soll das Wehr errichtet werden, um die Flut einzudämmen? Selbstverständlich in dem Waldgebiet. Die Einführung des Wehrs wird den Wasserstand auf der flussaufwärts gelegenen Seite erhöhen. Das hat zur Folge, dass nach der Einführung des Wehrs die Überschwemmungen im Waldgebiet zunehmen werden. Aber flussabwärts, wo die Menschen leben, wird der Wasserstand sinken. Das heißt, dass die Errichtung eines einfachen Wehrs die Gefahr von Überschwemmungen auf der flussabwärts gelegenen Seite verringert. Doch damit ist das Problem noch nicht gelöst.
Gehen wir zurück zum Experiment und schauen, worum es geht. Das ist der minimale Wasserdurchfluss durch diesen offenen Wasserlauf. Man sieht, dass der Wasserstand nur 8 mm über der Kerbhöhe liegt. Erhöhen wir jetzt den Wasserdurchfluss, liegt die Höhe über der Kerbe bei 1,5 cm. Wenn wir jetzt die maximale Wasserdurchflussmenge einstellen, fließt das Wasser etwa 2 cm über dem Kerbniveau. Kurz gesagt: Wenn man den Wasserdurchfluss erhöht, nimmt die Höhe der Wasseroberfläche zu.
Ist das für das Wehr von Vorteil? Steigt die Wasserspiegelhöhe mit der Durchflussmenge drastisch an, können derartige Wehre schnell eine Überschwemmung verursachen. Aus diesem Grund sollte ein ideales Wehr in der Lage sein, den Anstieg des Wasserspiegels mit der Fließgeschwindigkeit zu begrenzen.
Was ist mit diesem Zickzackwehr? Probieren wir es im offenen Wasserlauf aus. Das ist unser Zickzackwehr, das wir 3D-gedruckt haben. Der Wasserspiegel über dem Wehr liegt bei einem Zickzackwehr bei der maximalen Durchflussmenge nur bei 1,3 cm. Zur Erinnerung: Beim normalen rechteckigen Wehr lag der Wasserspiegel auf 2 cm Höhe. Das macht deutlich, dass es besser ist, ein Zickzackwehr in unserer Landschaft zu verwenden. Auch für die Tiere im Wald wird so ein friedlicheres Leben ermöglicht.
Die Hauptanwendung des Wehrs ist Bewässerung und Freizeitaktivitäten. Schaut euch zum Beispiel den Fluss Kennet an. Die Menschen vergnügen sich bei einer Bootsfahrt. Man kann sogar Bewässerungskanäle sehen, die sie gebaut haben. So sah der Kennet aus, bevor das Wehr eingebaut wurde. Wie wir im Experiment sehen konnten, steigt der Wasserspiegel auf der stromaufwärts gelegenen Seite, wenn wir ein Wehr einbauen. Stromabwärts bleibt die Wasserhöhe dagegen niedrig.
Jedenfalls hat die Einführung des Wehrs die stromaufwärts gelegene Seite des Flusses für die Menschen nutzbar gemacht. Kommen wir jetzt zum Thema, auf das ihr alle gewartet habt. Wie kommt es, dass ein Wehr die Höhe des Wasserspiegels sowohl flussabwärts als auch flussaufwärts verändert?
Die Antwort liegt in der Energieerhaltung. Allein der Einbau eines Wehrs ändert nichts an der Energie der Flüssigkeit. Sie bleibt an diesen beiden Stellen konstant. Vielmehr bleibt die Energie der Flüssigkeit vor und nach dem Einsatz des Wehrs gleich. Baut man ein Wehr auf der stromaufwärts gelegenen Seite ein, steigt die potenzielle Energie des Flüssigkeitsstroms. Dadurch muss die Strömung ihre Geschwindigkeit verringern, um die Gesamtenergie auf der stromaufwärts gelegenen Seite konstant zu halten.
Da die Durchflussrate unverändert bleibt, führt die Geschwindigkeitsreduzierung zu einem größeren Durchflussbereich oder einer größeren Durchflusshöhe. Darum ist die Höhenzunahme auf der stromaufwärts gelegenen Seite größer als die ursprüngliche Wasserhöhe. Stromabwärts wird die gesamte potenzielle Energie in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Das heißt, dass die Wassergeschwindigkeit hinter dem Wehr drastisch ansteigen muss. Doch auch hier bleibt der Wasserdurchfluss unverändert. Damit der Durchfluss konstant bleibt, muss die Fließfläche oder die Fließhöhe verringert werden.
Diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen auch dazu, dass das Wasser flussaufwärts mit einer geringeren Geschwindigkeit fließt, während es flussabwärts extrem schnell fließt. Das erscheint verrückt, auch wenn wir es logisch bewiesen haben. Lasst es uns praktisch testen, damit es vielleicht glaubwürdiger wird.
Dieses schwimmende Objekt bewegt sich vor dem Wehr langsam und beschleunigt sich nach dem Wehr rasant. Wehre dienen dazu, die Bodenerosion einzudämmen, was eine der Hauptanwendungen eines Wehrs ist. Durch die Regulierung des Wasserflusses können sie einen übermäßigen Wasserabfluss verhindern, der eine wesentliche Ursache für Bodenerosion ist.
Indem sie den Wasserfluss verlangsamen, verringert sich die Erosionskraft des Wassers, sodass sich die Sedimente absetzen können, anstatt weggetragen zu werden. Die Ablagerungen setzen sich hinter dem Wehr ab und verringern so die Menge des Bodens, die sonst flussabwärts weggetragen würde.
Durch die Verringerung der Wassergeschwindigkeit und Kraft tragen Wehre letztendlich auch zur Erhaltung des Bodens bei. Wir hoffen, es hat euch gefallen, wie der Einsatz von einfach aussehenden Geometrien in einem offenen Gerinne dazu beiträgt, den Wasserfluss zum Vorteil des Menschen zu verändern.
Die Antwort liegt in der Energieerhaltung. Allein der Einbau eines Wehrs ändert nichts an der Energie der Flüssigkeit. Sie bleibt an diesen beiden Stellen konstant. Vielmehr bleibt die Energie der Flüssigkeit vor und nach dem Einsatz des Wehrs gleich. Baut man ein Wehr auf der stromaufwärts gelegenen Seite ein, steigt die potenzielle Energie des Flüssigkeitsstroms. Dadurch muss die Strömung ihre Geschwindigkeit verringern, um die Gesamtenergie auf der stromaufwärts gelegenen Seite konstant zu halten.
Da die Durchflussrate unverändert bleibt, führt die Geschwindigkeitsreduzierung zu einem größeren Durchflussbereich oder einer größeren Durchflusshöhe. Darum ist die Höhenzunahme auf der stromaufwärts gelegenen Seite größer als die ursprüngliche Wasserhöhe. Stromabwärts wird die gesamte potenzielle Energie in kinetische Strömungsenergie umgewandelt. Das heißt, dass die Wassergeschwindigkeit hinter dem Wehr drastisch ansteigen muss. Doch auch hier bleibt der Wasserdurchfluss unverändert. Damit der Durchfluss konstant bleibt, muss die Fließfläche oder die Fließhöhe verringert werden.
Diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten führen auch dazu, dass das Wasser flussaufwärts mit einer geringeren Geschwindigkeit fließt, während es flussabwärts extrem schnell fließt. Das erscheint verrückt, auch wenn wir es logisch bewiesen haben. Lasst es uns praktisch testen, damit es vielleicht glaubwürdiger wird.
Dieses schwimmende Objekt bewegt sich vor dem Wehr langsam und beschleunigt sich nach dem Wehr rasant. Wehre dienen dazu, die Bodenerosion einzudämmen, was eine der Hauptanwendungen eines Wehrs ist. Durch die Regulierung des Wasserflusses können sie einen übermäßigen Wasserabfluss verhindern, der eine wesentliche Ursache für Bodenerosion ist.
Indem sie den Wasserfluss verlangsamen, verringert sich die Erosionskraft des Wassers, sodass sich die Sedimente absetzen können, anstatt weggetragen zu werden. Die Ablagerungen setzen sich hinter dem Wehr ab und verringern so die Menge des Bodens, die sonst flussabwärts weggetragen würde.
Durch die Verringerung der Wassergeschwindigkeit und Kraft tragen Wehre letztendlich auch zur Erhaltung des Bodens bei. Wir hoffen, es hat euch gefallen, wie der Einsatz von einfach aussehenden Geometrien in einem offenen Gerinne dazu beiträgt, den Wasserfluss zum Vorteil des Menschen zu verändern.