Knatterboot besitzen eine besondere Art von Motor, denn dieser arbeitet nicht kontinuierlich, sondern pulsierend: Wasser wird durch dünne Röhrchen an der Unterseite des Bootes eingesogen und wieder ausgestoßen. Dadurch entsteht ein Vortrieb. Als Antrieb dient allein eine Kerze, die das Wasser in einem flachen Kessel oder im Röhrchen erhitzt, so dass Wasserdampf entsteht (s. weiter unten: Zur Physik des Knatterbootes).
Wer hat das Dampf-Jet-Boot erfunden?
Als Erfinder des Knatterbootes, auch Dampf-Jet-Boot oder Kerzenboot genannt, gilt Thomas Piot, der in England Ende des 18. Jahrhunderts zwei Patente für dieses Spielzeug einreichte. In der Version von Piot gab es noch keinen Kessel. Das Wasser wurde in den Rohren erhitzt, weshalb das Dampf-Jet-Boot zu Beginn geräuschlos unterwegs war.
Ein Dampfkreisel
Erst später wurde eine Variante des Dampf-Jet-Bootes entwickelt, bei der sich das Wasser in einem flachen Kessel erhitzen ließ. Die dünne Membran aus Metall bewegt sich dabei mit dem im Rohr pulsierenden Wasser und so machte das Kerzenboot fortan tuckernde Geräusche beim Fahren, so dass es außerdem die Beinamen Puff-Puff-Boot oder Puff-Paff-Boot erhielt.
Von Beginn an war das Kerzenboot jedoch bekannt und beliebt als Blechspielzeug, das einfach zu bedienen war und für dessen Betrieb man lediglich ein paar Kerzenstummel benötigte. Ähnlich funktioniert auch ein Dampfkreisel bzw. Schwimmkreisel, den Sie im Shop finden können. Auch Knatterboote gibt es zu kaufen: Klicken Sie dafür auf diesen Link.
Puls-Jet-Motor und Pulsarmotor
Solche pulsierend arbeitenden Motoren, die man im Englischen Puls-Jet-Engine nennt, gibt es übrigens nicht nur für Spielzeugboote. Wir konnten zwar den häufig erwähnten Pulsarmotor nirgends finden (außer im Zusammenhang mit Kerzenbooten), aber die Begriffe Pulsortriebwerk, Pulsstrahltriebwerk bzw. Verpuffungsstrahltriebwerk haben in der Luft- und Raumfahrt ihren festen Platz.
Wie funktioniert das Kerzenboot?
Zunächst füllt man – heute mithilfe einer Pipette – Wasser in eines der beiden Rohre des Knatterbootes oder auch des Dampfkreisels, bis dieses auf der anderen Seite wieder herausläuft. Sind die Rohre mit Wasser gefüllt, setzt man das Boot auf die Wasseroberfläche.
Dabei darf kein Wasser entweichen, denn sonst kann der Kessel im Betrieb Schaden nehmen. Schwimmt das Knatterboot erst einmal, befinden sich die Enden der Röhrchen unter der Wasseroberfläche, so dass nichts mehr ausfließen kann. Danach stellt man eine der Kerzen in den Kerzenhalter, entzündet diese und schiebt die Flamme vorsichtig an die vorgesehene Stelle. Nach wenigen Sekunden schwimmt das Knatterboot los und beginnt sich der Kreisel zu drehen.
Zur Physik des Dampf-Jet-Bootes und des Dampfkreisels
Erhitzt sich das Wasser, so verdampft es und sein Volumen nimmt dadurch stark zu, um das 1650-fache um genau zu sein. Infolgedessen wird Wasser aus den Röhrchen ausgestoßen und das Knatterboot bewegt sich nach vorne. Kommt der Wasserdampf jedoch mit den kälteren Rohrwänden in Berührung, kondensiert er, d.h., er schlägt sich an den Rohrwänden nieder. Dabei verringert sich sein Volumen schlagartig .
Dadurch entsteht im Kessel Unterdruck, so dass wieder Wasser in die Röhre hineingesogen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange die Kerze brennt. Das Geräusch entsteht übrigens durch die Bewegung des Kesseldaches, denn dieses gleicht bei manchen Booten einer dünnen Membran. Werden Rohre verwendet, entstehen keine Geräusche.
Das Knatterboot stößt mehrmals pro Sekunde Wasser aus und saugt es wieder ein. Dennoch bewegt sich das Boot nicht einfach vor und zurück, wie man vielleicht erwarten könnte. Dies hat den folgenden Grund: Im Gegensatz zum ausströmenden Wasser hat das einströmende keine bestimmte Richtung. Daher existiert ein Impuls auch nur in einer Richtung. Dies macht die Grafik deutlich und dies gilt auch für den Dampfkreisel bzw. Schwimmkreisel.
Impulserhaltung und Rückstoßprinzip
Diese beiden Physikspielzeuge zeigen dabei gut, was Impulserhaltung bedeutet. Unter Impuls versteht man das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Je größer die Masse und/oder die Geschwindigkeit, desto größer der Impuls. Dieser zählt, wie auch die Energie, zu einer der Erhaltungsgrößen der Physik. Das bedeutet: Wirken keine äußeren Kräfte, so bleibt der Impuls eines abgeschlossenen Systems unverändert, d.h. er ändert weder seine Richtung noch seinen Betrag. Befindet sich der Dampfkreisel oder das Knatterboot also zu Beginn in Ruhe, so haben sie den Impuls null. Wenn nun aber Wasser und Dampf aus den Röhrchen an der Unterseite des Dampfkreisels oder Dampfbootes ausströmen muss dieser Impuls durch einen gleich großen entgegengesetzten Impuls ausgeglichen werden. Deshalb beginnt sich der Kreisel zu drehen.
Man nennt dies auch das Rückstoßprinzip. Es folgt direkt aus dem dritten Newtonschen Axiom (actio = reactio).
Die zwei folgenden Links führen zu weiteren Patentschriften zum Thema:
US1200960A von 1915, H K Toy & Novelty Co, Charles J. Mchugh
US1480836A, 1924, Hydromotor Company Inc, William F Purcell
Quellenangaben:
http://www.andreadrian.de/knatterboot/
John Gwynn und Prof. Jean Le Bot
