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Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 14:14
von Werna76
War letztens mit dem Rad aufm Stilfser Joch unterwegs, dabei gabs dann folgende Fragestellung:
Ich pumpe auf 2.700 Metern 8bar in meinen Rennradreifen, dann fahr ich damit auf 900 Meter runter.
Sind dann auf 900 Metern genauso 8bar im Reifen oder verändert sich das durch den Druckunterschied aufgrund der Höhendifferenz?
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 16:17
von Heinrich
Der Druck wird auf 900 m geringfügig höher sein, weil der Reifen infolge des höheren Außendrucks minimal stärker von außen komprimiert wird. Hätte man anstatt des elastischen Reifens ein inelastisches Behältnis, würde sich der Druck im Behälter jedoch nicht ändern.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 17:18
von Spezialwidde
Ich pflichte Heinrich bei. Der Reifen dürfte sch wie ein (wenn auch harter) Luftballon verhalten. Wenn du damit herunterfährst kommst du in ein Gebiet höheren Luftdrucks. Der äußere Luftdruck übt nun über die Gummifläche des Reifens etwas mehr Druckkraft aus was dazu führt dass die Luft im Inneren komprimiert wird, der Druck wird also größer. Das Volumen aber schrumpft dabei. Das wäre wie wenn du einen luftgefüllten Ballon unter Wasser drückst, je tiefer du gehst desto kleiner und härter wird der Ballon. In Luft verhält sich das ganz genauso, nur ist der Effekt wegen der geringeren Dichte natürlich kleiner. Aber die Athmosphäre kann man sich ja genau wie ein Meer wie ein "Gasmeer" vorstellen mit einem entsprechenden Schweredruck. Ich glaub mit der barometrischen Höhenformel kann man den sogar bestimmen. Soviel zur Theorie, in der Praxis ist das aber ein unmerkbar kleiner Effekt.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 17:48
von L&S
Der Druckunterschied beträgt nur ca. 0,1 bar und auf 0 m Meereshöhe runter wären es 0,3 bar,
Bei 8 bar Normaldruck in dem Reifen auf 2700m wirst den Unterschied auf 8,1 bar ( 1800m) oder 8,3 bar ( 0m) kaum spüren.
Zusätzliche Einflüsse:
Der Temperaturanstieg, der mit zunehmender "Tiefe" einhergeht, welcher den Druck auch steigen lässt( 10 Grad sind ca. 0,3 Bar mehr, laut idealer Gasgleichung bei konstantem Volumen)
Ich kann mir auch vorstellen, dass sich die Luft in den Reifen bei rasanter Abwärtsfahrt sowieso schon durch die Reibung erhitzen.
Wenn die Reifen warm werden, kann da schon ein bar rauskommen, wenn sich bei der Temperatur nicht ändert, wirst keinen Unterschied merken.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 20:29
von SaxSki
Umgekehrt wird ein Schuh draus.
Der Druck, den Du beim Aufpumpen misst, ist der Druckunterschied zwischen Innen- und Außendruck. Der Innendruck des Reifens ist konstant, also auf dem Berg und im Tal gleich. Der Außendruck ist unten größer als oben, also ist die Druckdifferenz unten kleiner als oben.
Jeder, der im Tal einen halb vollen* Deo-Roller eingepackt hat und auf der Hütte die Sauerei im Kulturbeutel beseitigen musste, kennt den Effekt. BTDTGTT
* Halb voll, damit genügend Luft zum Ausdehnen drin ist.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.08.2018 - 22:23
von Werna76
Danke an alle für die Antworten, die Frage ergab sich weil ich noch nie davor den Reifen oben aufm Berg aufgepumpt habe und dann während dem Aufpumpen ins Grübeln gekommen bin... naja moment amal, wie isn das jetzt eigentlich mit dem Druck hier oben.
L&S hat geschrieben: ↑04.08.2018 - 17:48Ich kann mir auch vorstellen, dass sich die Luft in den Reifen bei rasanter Abwärtsfahrt sowieso schon durch die Reibung erhitzen.
Nur die Reibung ist da eher weniger das Problem, problematisch ist das Anbremsen all der Serpentinen, dadurch werden die Felgen richtig heiß, was manchmal zu Reifenplatzern führt. Musste ich einmal live miterlegen, das Geräusch wie der arme Kerl übern Asphalt dahinrutscht vergess ich mein Leben nicht.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 06.08.2018 - 19:12
von schneesucher
Habe zuerst auch gedacht, wie SaxSki.
Habe eine 3. Theorie, die eine Synthese aus den beiden anderen ist.
Der Aussendruck ist unten grösser.
Das Volumen wird unten stärker zusammgedrückt, der Innendruck wird also unten ebenfalls grösser.
Der Spannungszustand hängt nun von der Differenz aus Aussendruck und Innendruck ab.
Da beide gleichmässig zunehmen, ist der Reifen unten wie oben gleich angespannt.
Da es normalerweise unten jedoch wärmer ist, ist der Reifen unten im Normalfall härter.
Bei einer Temperaturdifferenz von 15 Grad sollte der Druckunterschied weniger als 5% betragen, also kaum merkbar. Der Reifen dehnt sich ja unten etwas aus, sodass der Druckanstieg nicht gleichmässig mit der Temperatur anwächst.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 06.08.2018 - 20:08
von Spezialwidde
SaxSki hat geschrieben: ↑04.08.2018 - 20:29
Umgekehrt wird ein Schuh draus.
Der Druck, den Du beim Aufpumpen misst, ist der Druckunterschied zwischen Innen- und Außendruck. Der Innendruck des Reifens ist konstant, also auf dem Berg und im Tal gleich. Der Außendruck ist unten größer als oben, also ist die Druckdifferenz unten kleiner als oben.
Jeder, der im Tal einen halb vollen* Deo-Roller eingepackt hat und auf der Hütte die Sauerei im Kulturbeutel beseitigen musste, kennt den Effekt. BTDTGTT
* Halb voll, damit genügend Luft zum Ausdehnen drin ist.
Du hast recht wenn man davon ausgeht dass der Druckbehälter fest ist und den Innen vom Außendruck mechanisch entkoppelt. Wenn du einen solchen von Meereshöhe mit auf den Berg nimmst bleibt der Meeresdruck im Behälter erhalten und es entsteht eine Druckdifferenz die etwaigen Inhalt wie Deo, Zahnpasta etc herausdrückt. Dies hier ist aber eine etwas andere Problemstellung. Wenn du einen elastischen Behälter wie Fahrradschlauch, Ballon etc mit hoch nimmst gibt er ja nach und der Innendruck muss sinken.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 06.08.2018 - 22:39
von SaxSki
schneesucher hat geschrieben: ↑06.08.2018 - 19:12
Das Volumen wird unten stärker zusammgedrückt, der Innendruck wird also unten ebenfalls grösser.
Spezialwidde hat geschrieben: ↑06.08.2018 - 20:08
[...] wenn man davon ausgeht dass der Druckbehälter fest ist [...] einen elastischen Behälter [...] gibt [...] nach und der Innendruck muss sinken.
Hier sind wir wieder beim "umgekehrt": Das Volumen wird unten nicht stärker zusammengedrückt, sondern es wird von innen heraus weniger stark ausgedehnt. (Das kommt nicht auf das Gleiche heraus, denn die Kausalität von Ursache und Wirkung ist wichtig)
Die wirkenden Kräfte sind die folgenden:
Innen herrscht gegenüber der Umgebung ein Überdruck. Dieser strebt nach Ausgleich, so dass eine Kraft von innen nach außen wirkt, welche das Volumen des Behälters vergrößert.
Dem wirkt die Kohäsionskraft des Behältermaterials entgegen. Beim festen Behälter wäre diese nahezu unendlich, wodurch die Ausdehnung gegen Null geht. Beim elastischen Material ist sie geringer, was zur Ausdehnung des Behälters führt. Dadurch verringert sich der Innendruck und damit auch die Druckausgleichskraft. Gleichzeitig erhöht sich aber die Kohäsionskraft des Behältermaterials und begrenzt dadurch die Ausdehnung auf den Wert, bei dem Druckausgleich und Kohäsion im Gleichgewicht stehen.
Jetzt hab ich zwar die konkreten Werte nicht parat, aber die Kohäsion von Gummi dürfte trotz Elastizität immer noch um Größenordnungen höher sein als die Druckausgleichskräfte von Luft, so dass die Volumenänderung des Fahrradreifens eine eher untergeordnete Rolle spielt.
Zusätzlich verändert die Temperatur den Luftdruck, dies gilt aber sowohl innen als auch außen und sollte daher ebenfalls vernachlässigbar sein.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 07.08.2018 - 06:57
von Spezialwidde
Das ist völlig richtig, ich hab ja selber auch geschrieben dass der Effekt in der Praxis unmerklich sein dürfte aber halt trotzdem da ist. Einmal bremsen (wenn man Felgenbremse hat) macht da eher was aus.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 31.08.2018 - 09:52
von rower2000
Grundsätzlich gilt für ein Gas in einem abgeschlossenen Volumen die allgemeine Gasgleichung (wir nähern die Luft jetzt mal mit einem idealen Gas an, das ist gut genug):
pV = nRT mit
p...Druck (absolut)
V...Volumen
n...Teilchendichte (Moleküle/Volumen)
R...ideale Gaskonstante
T...Temperatur.
Wenn du auf 1400 m bei einem Außendruck von 850 hPa = 85000 Pa den Druck auf 8 bar = 8000 hPa = 800000 Pa aufpumpst hast du im Reifen einen Druck von 885000 Pa (absolut). Bringst du den Reifen runter auf Meereshöhe hast du - angenommen konstantes Volumen - immer noch einen Innendruck von 8.85 bar-a, aber nur noch einen Überdruck von 7.84 bar-g. In der Realität wird sich, da der Reifen kein konstantes Volumen besitzt, ein Mittelding aus Volumenabnahme und Überdruckreduktion einstellen, der Reifen also einfach weicher werden.
Das umgekehrte Phänomen lässt sich sehr gut beobachten wenn man mit einer Packung Kartoffelchips aus dem Flachland in die Berge fährt - die bläst sich auf wie ein Luftballon. Würde die oben gefüllt, würde sie sich beim runterfahren zusammenziehen wie eine Vakuumverpackung 
.
Re: Physik Frage Rennradreifen
Verfasst: 04.09.2018 - 12:19
von Bergfan
