Heber (Gerät)

Prinzip des Hebers

Ein Heber ist ein Gerät oder eine Einrichtung, mit der man eine Flüssigkeit aus einem Behälter über den Behälterrand in einen tiefer gelegenen Behälter umfüllen oder ins Freie entleeren kann, ohne den Behälter umzukippen und ohne dass er ein Loch oder einen Auslass hat. Dabei wird der hydrostatische Druck ausgenutzt.

Die beiden Behälter müssen mit einem Schlauch oder Ähnlichem miteinander verbunden sein.Das Stück, in dem der Schlauch nach oben und um dieselbe Strecke wieder nach unten geführt wird, trägt zu den Druckunterschieden global gesehen im Schlauch nicht bei. In diesem Stück gleichen sich die Schwerkräfte der Flüssigkeit gegenseitig aus. Die zusätzliche Flüssigkeit in der Strecke zwischen oberem und unterem Behälter bewirkt eine Druckdifferenz, so dass die Flüssigkeit aufgrund des entstehenden Unterdruckes aus dem oberen in den unteren Behälter fließt und dabei den Behälterrand überwindet. Diese Druckdifferenz hängt praktisch nur von der Länge der überschüssigen Wassersäule ab (wenn man von dem Auftrieb,der Druckdifferenz der umgebenden Luft und der Abnahme der Schwerkraft absieht):

$p_{diff}=\rho g(h1-h2)$

$p_{diff}$ = Druckdifferenz in Pascal
h1 = Höhe der oberen Flüssigkeitsoberfläche in Metern
h2 = Höhe der unteren Oberfläche in Metern
$\rho$ = Dichte Flüssigkeit ${\frac {kg}{m^{3}}}$
g = Schwerebeschleunigung ${\frac {m}{s^{2}}}$

Es ist ein verbreiteter Irrglaube, dass der Heber umgebende Luft benötigt, er funktioniert prinzipiell auch im Vakuum. Die dabei zu übertragenden Druckunterschiede werden dabei durch die Kräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit (Kohäsion) übertragen. Wenn die Höhe des zu überwindenden Hindernisses oder die Länge der überschüssigen Flüssigkeitssäule immer weiter zunimmt und sich damit die Druckdifferenz dem Luftdruck ($p_{Luft}$) annähert, wird der Heber normalerweise instabil; es entstehen bevorzugterweise an Störungen der Gefäßwand Blasen (Kavitation), die schnell zum Abriss der Flüssigkeitssäule führen. Im Fall von Wasser ergibt sich so eine maximale Höhe von etwa 10 Metern.
Wird jedoch die Flüssigkeit entgast und die Behälterwand störungsarm gehalten, können teilweise Unterdrücke von mehreren Kilopascal übertragen werden.

Um den Schlauch zu füllen und den Fließvorgang in Gang zu setzen, wird meistens die Flüssigkeit mit dem Mund angesaugt.

Beispiele

Becher des Tantalos (Heron-Becher) nach dem Prinzip des Saughebers (Kommunizierende Röhren)

Das Heberprinzip lässt sich unter anderem beim Abziehen des Weines aus einem Gärballon anwenden.

Es wird auch in größerem Maßstab bei der Hochwasserentlastung von Talsperren angewandt.

Ebenfalls verwirklicht wird das Heberprinzip beim Becher des Tantalos, auch Heron-Becher genannt. Füllt man ihn zu hoch, leert er sich bis auf die Neige.