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[[Datei:Knatterboot.jpg|mini|Knatterboot]]
[[File:Pop_pop_boat.jpg|mini|Knatterboot mit Brennschale und [[Esbit]] als Brennstoff]]
[[file:Rew11d04-577_coil_type_pop_pop.JPG|mini|einfacher Eigenbau eines Knatterbootes]]
Das '''Knatter-''', '''Putt-Putt-''' oder '''Puff-Paff-Boot''' ist ein Spielzeugboot mit Wasserimpulsantrieb (Dampfjetantrieb, Pulsarmotor, engl. ''{{lang|en|pulsed waterjet}}''). Der einfache Motor kommt ohne bewegte Teile wie [[Kolben (Technik)|Kolben]], [[Ventil]]e oder Räder aus. Als [[Energiequelle]] dient eine Kerze oder eine andere Wärmequelle. Am Heck des Bootes ragen unterhalb der Wasserlinie zwei Rohre nebeneinander und parallel heraus. Durch die Rohre wird Wasser angesaugt und wieder ausgestoßen. Obwohl genauso viel Wasser angesaugt wie ausgestoßen wird, gibt es eine positive [[Impuls (Mechanik)|Impulsbilanz]], die das Boot vorwärtstreibt. Ursache des positiven Impulses bezogen auf das Boot als [[Bilanzhülle]] ist die Tatsache, dass das Wasser zwar aus allen Richtungen angesaugt, aber bevorzugt in eine Richtung wieder ausgestoßen wird. Beim Ansaugen entsteht somit – eher – eine kugelsymmetrische und damit impulsneutrale [[Quelle und Senke|Senke]], beim Ausstoßen ein impulsbehafteter [[Freistrahl]].

In der Fachzeitschrift Journal Dampf Heißluft, Neckarverlag, Heft 04 2020, ISSN 1616-9298, wird in einem einfachen Versuchsaufbau gezeigt, dass der Bootskörper auch beim Ansaugvorgang einen gut sichtbaren, wenn auch geringen Vortrieb, erfährt. Der Ansaugvorgang des Kessels wird bei diesem Versuch mit Hilfe eines vorgespannten Gummiballs und einer Pipette simuliert.

== Funktionsprinzip des Motors ==
=== Flachverdampfer ===
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Bild:Knatterboot Heck.jpg|Heckansicht, mit beiden Strömungsfällen
Bild:Knatterboot_unten.jpg|Blick von unten, Antrieb samt Kerze
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Eine verbreitete Konstruktion des Motors ist in den Bildern oben dargestellt: Ein flach-linsenförmiger Verdampfer (gelb) aus verlötetem Kupferblech ist horizontal über der Flamme positioniert. Von zwei Stellen des Verdampfers laufen die Rückstoßröhren (dunkelgrau) zum [[Heck]] des Bootes, wo sie unterhalb der [[Wasserlinie]] ein Stück ins Wasser reichen. Die zweite Röhre ist für die Funktion nicht notwendig, sie erleichtert jedoch die luftblasenfreie Befüllung mit Wasser zur Inbetriebnahme.

Erreicht das Wasser im kleinen Verdampfer den Siedepunkt, wird es unter der beständigen Erwärmung durch die Kerze sehr rasch verdampfen. Der Überdruck des (Heiß-)Dampfes beschleunigt das Wasser in den Röhren, das schwungvoll nach hinten ins Freie ausgestoßen wird.

Zu Ende der Ausstoßphase hat sich der ehemals unter Überdruck stehende Heißdampf unter dem Schwung der Strömung in den Rohren auf etwas unter Umgebungsdruck entspannt und dadurch deutlich abgekühlt.

Der Überdruck der Umgebung ist nun maximal und es beginnt unter Richtungsumkehr kaltes Wasser von außen in die Rohre einzuströmen. An der im Rohr nun fortschreitenden Wasserfront kondensiert nun eine relevante Menge Dampf, sodass hier Unterdruck aufrechterhalten und der Wasserstrom weiter in Richtung Verdampfer gepresst wird. Unter dem dadurch aufgebauten Schwung des Flüssigkeitstroms in den Röhren wird zuletzt Wasser in den kleinen Verdampfer eingespritzt.

Die Temperatur der in der Zwischenzeit weiterhin der Flamme zugewandten Seite des – von flüssigem Wasser – leeren Verdampfers hat sich in der Zwischenzeit mangels Wärmeabfuhr deutlich erhöht. Die [[Wärmekapazität]] des Verdampfers hilft, das eingespritzte und durch Dampfkondensation vorgewärmte Wasser sehr rasch zu verdampfen. Ein neuer Zyklus beginnt.

Diese Bootsmodelle funktionieren mit einer recht stabilen Pulsations[[frequenz]] in der Größenordnung 1–10 [[Hertz (Einheit)|Hz]].

Physikalisch kann ein solcher Antrieb als [[Oszillator]] gesehen werden, der vom [[Wärmestrom]] der Flamme energetisch gespeist wird. [[Geschwindigkeit]] der Wasserströmung im Rohr, Dampfmenge und Druck in der [[Dampf]]phase, [[Temperatur]]en an der Wandung von Verdampfer und Rohr schwanken rhythmisch und [[Phasenverschiebung|phasenverschoben]], denn die verschiedenen Energiereservoirs wechselwirken gekoppelt über die Trägheiten von Masse, Wärmekapazität und die Phasenübergänge Sieden und Kondensieren. Vom Medium Wasser gehen noch die hohe Verdampfungsenergie und seine Viskosität ein.

=== Strömungsvisualisierung ===
Die Strömungsgeschwindigkeiten am Auslass eines Knatterboots können z. B. mit der [[Particle Image Velocimetry]] Methode gemessen werden. Diese quantitative Visualisierungstechnik zeigt die Geschwindigkeitsverteilung (Wirbelringe), die hinter den Auslassrohren erzeugt wird. Außerdem ist zu erkennen, wie das Wasser anschließend in den Auslass zurückgesaugt wird. Die Spitzenströmungsgeschwindigkeiten dieses speziellen Knatterboots erreichen 0,4 m/s und die Frequenz beträgt etwa 7 Hz.
[[File:Pop pop boat rendering.jpg|thumb|Draufsicht auf ein Knatterboot]]
[[File:Pop pop boat PIV measurement area.jpg|thumb|Bereich unter dem Knatterboot, der durch die Particle Image Velocimetry Methode vermessen wird.]]
[[File:Flow visualization pop pop boat.webm|thumb|Eine Particle Image Velocimetry Messung der Strömungsgeschwindigkeiten hinter den Auslässen eines Knatterboots.]]
[[File:Pop pop boat exhaust flow velocities.svg|thumb|Die Grafik zeigt den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeiten hinter dem Auslass eines Knatterboots.]]

=== Geräuscherzeugung ===

Das charakteristische namensgebende knatternde Geräusch des Bootes entsteht nicht direkt durch den Verdampfungsvorgang, sondern durch eine spezielle Konstruktion des Verdampfers: Die Oberseite ist aus Federstahlblech wie beim [[Knackfrosch]] oder aus Messingblech ausgeformt. Bei den schnellen Druckwechseln springt diese Oberseite hin und her und erzeugt dabei jeweils ein knackendes Geräusch.

=== Schraubenverdampfer ===
[[Datei:Knatterboot Schraubenverdampfer.jpg|mini|Schraubenverdampfer]]

Eine einfachere, aber genauso effiziente Konstruktion des Knatterboots basiert auf einer einzigen dünnen Kupfer-, Messing- oder Aluminiumröhre von etwa drei bis vier Millimetern Innendurchmesser. Die Röhre wird im Mittelteil so zu einer Schraube gewunden, dass die beiden Enden parallel und gleich lang abgehen. Die Schraube dient als Verdampfer. Ein Schraubenverdampfer arbeitet geräuschlos und kann ein Boot bei entsprechender Energiezufuhr – beispielsweise durch einen Spiritusbrenner – auf Geschwindigkeiten von 10 bis 20 Zentimeter pro Sekunde beschleunigen.

Am Verdampfer ist das Rohr mindestens auf [[Siedetemperatur]] des Wassers aufgeheizt. An den Jetdüsen hat das Rohr Wassertemperatur. Am [[Meniskus (Hydrostatik)|Meniskus]], der Wasserdampf-zu-Wasser-Grenze, laufen folgende Prozesse ab: Durch den Wasserdampfdruck wird das Wasser in Richtung Jetdüsen gepresst. Die vorher mit Wasser gefüllten Rohrabschnitte sind so kühl, dass der Wasserdampf kondensiert. Nach der Kondensation besteht wegen des Volumenunterschieds von Wasserdampf zu Wasser ein [[Unterdruck]] zum [[Luftdruck]], und der Meniskus bewegt sich wieder in Richtung Verdampfer.

== Andere Bezeichnungen ==

Das Knatterboot ist unter vielen anderen, meist [[Onomatopoesie|lautmalerischen]] Bezeichnungen bekannt:
* Puff-Paff-Boot (vor dem [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]])
* Pütt-Pütt-Boot
* Dampfjetboot
* Tuck-Tuck-Boot (Schweiz)
* {{lang|en|pop-pop boat}} (''engl.'')
* Kerzenboot

== Film ==

Im Anime ''[[Ponyo – Das große Abenteuer am Meer]]'' vergrößert ein Mädchen mit Zauberkräften ein Knatter-Spielzeugboot, das ab da zwei Kindern als richtiges Boot dient. Der Antrieb war die mit dem Zauber ebenso vergrößerte Kerze.

== Literatur ==

* Jürgen Becker: ''Putt-Putt-Boot''. In: Walter Czech (Hrsg.): ''Physik, Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte Sek II'', Ergänzung 18, 1994, Stark Verlag, Freising
* I. Finnie, R. L. Curl: ''Physics in a Toy Boat'', American Journal of Physics, Nummer 31 (1963), Seiten 289 bis 293
* Jens Johannsen: ''Studie zur Optimierung von Tuckerbooten''. In: Journal Dampf und Heißluft 4-2008, S. 16 ff., Neckar Verlag
*Jens Johannsen: Wie funktioniert der Kerzenbootantrieb? In: Journal Dampf und Heißluft 04-2020, S. 61 ff, Neckar Verlag, ISSN 1616-9298

== Siehe auch ==
* {{commonscat|Pop pop boat|Knatterboot}}
* {{Wikibooks|Mechanik flüssiger und gasförmiger Körper|Die Mechanik flüssiger und gasförmiger Körper}}
* [[Fluidmechanik]]
* [[Gasdynamik]]
* [[Potentialströmung]]
* [[Heronsball]]

== Weblinks ==
* [http://www.nmia.com/~vrbass/pop-pop/ The Pop-Pop Pages – ausführliche englischsprachige Seite zum Thema mit Bauanleitungen und Geschichte]
* [https://web.archive.org/web/20110619022102/http://titanic.knatterboot.de/html/geschichte.html Geschichte des Knatterbootes (Archivversion)] von Knatterboot.de
* [http://www.andreadrian.de/knatterboot/seq_2_gd_divx.avi Knatterbootmotor aus Glas Video] ([[Audio Video Interleave|AVI]]; 468 kB)

[[Kategorie:Physikalisches Spielzeug]]
[[Kategorie:Dampfgetriebenes Fahrzeug]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

Knatterboot - Versionsgeschichte

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