Wechselsprung

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 Wellenstufe erkennbar ist, erfolgt strömender Abfluss.

Unten in der Wasserwalze der Wechselsprung vom Schießen zum Strömen, oben am Überfall der Fließwechsel vom Strömen zum Schießen

Der Wechselsprung (auch Wassersprung oder Hydraulischer Sprung) ist ein Begriff aus der Hydromechanik offener Gerinne. Es handelt sich um einen abrupten Fließwechsel von sehr schnellem zu sehr langsam fließendem Wasser. Der umgekehrte Fall ist zwar auch ein Fließwechsel (siehe unten) aber erfolgt kontinuierlich. Diese Phänomene treten bei Gerinneströmungen auf.

Erläuterung

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

$Fr={\frac {v}{\sqrt {gh}}}$

mit

• v = mittlere Geschwindigkeit,
• g = Schwerebeschleunigung,
• h = Wassertiefe.

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
• bei schießendem Zufluss mit Fr<1,7 erfolgt ein ondulierender bzw. gewellter Wechselsprung

Eine zweite Art von Fließübergang (kein Wechselsprung) 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.

Literatur

• Gerhard H. Jirka, Cornelia Lang: Einführung in die Gerinnehydraulik, Universitätsverlag, Karlsruhe 2009, ISBN 978-3-86644-363-1

Weblinks

• M. Koch: Technische Hydraulik (PDF; 205 kB), Skript, Uni Kassel
• Gerhard H. Jirka, Cornelia Lang: Einführung in die Gerinnehydraulik (PDF; 8400 kB)

Siehe auch

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