Warum werden Dächer vom Wind weggeblasen?

Bei starkem Wind, beispielsweise bei Sturm, werden dünne Metalldächer von Schuppen sowie konkave Dächer von Hütten manchmal weggeblasen.

Eine Erklärung, die mir gegeben wurde, besagte, dass die höhere Geschwindigkeit der Luft draußen dazu führt, dass der Luftdruck über dem Dach abnimmt und wenn er bis zu einem gewissen Grad abgenommen hat, so dass der Luftdruck über dem Dach geringer ist als der Luftdruck unter dem Dach und Aufgrund einer Art Osmose bewegen sich die Luftpartikel aus dem Bereich höheren Drucks (unter dem Dach) in den Bereich niedrigen Drucks. Dabei wird das Dach weggesprengt.

Eine andere Erklärung, speziell in Bezug auf die dünnen Metalldächer, besagte, dass es aufgrund des von der Luft verursachten Auftriebs weggeblasen wurde, und dies ist die gleiche Art von Auftrieb, die Sie erhalten, wenn Sie auf Papier blasen.

Diese beiden Erklärungen verwirren mich. Was mich wirklich stört, ist die Grundlage des ersten, wie kann eine Erhöhung der Geschwindigkeit dazu führen, dass der Druck abfällt? Ich kann das anscheinend nicht mit der Kraft-pro-Flächen-Definition des Drucks korrelieren.

Bitte, oh große Physiker des Internets, helft mir und jedem anderen gewöhnlichen Menschen zu verstehen, wie und warum Dächer weggeweht werden.

@akhmeteli: Oh cool, es ist eine Beziehung, die Druck und Geschwindigkeit beinhaltet ... aber ich sehe keinen mathematischen Grund, warum man aus der inkompressiblen Strömungsgleichung ableiten kann, dass die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zum Druck ist.
@Nick, es gibt eine Ableitung auf der Seite, auf die akhmeteli Sie hingewiesen hat, klicken Sie einfach hier: en.wikipedia.org/wiki/…
@ Nick: warum denkst du, dass es umgekehrt proportional ist? Wenn der Druck bei zunehmender Geschwindigkeit abnimmt, bedeutet dies nicht, dass sie umgekehrt proportional sind.
@akhmeteli: Das ist eine Art Laiendefinition der umgekehrten Proportionalität. Aber wenn ich bedenke, dass der Druck abnimmt, wenn die Geschwindigkeit zunimmt, ohne dass sie umgekehrt proportional sind ... oh! Ich verstehe es.
A + B + C = Konstante
Wenn sich einer der Parameter ändert, müssen sich auch die anderen Parameter ändern, um sicherzustellen, dass ihre Summe konstant ist. Und da Sie Höhe und Schwerkraft meistens nicht ändern können, dient die inkompressible Strömungsgleichung als gute Beziehung, die zeigt, dass der Druck mit abnehmender Geschwindigkeit zunimmt und umgekehrt. Was ist nun mit der Hauptfrage?
@Nick: Was ist mit der Hauptfrage? Ist der Druck unter dem Dach größer als der Druck über dem Dach, wirkt eine nach oben gerichtete Gesamtkraft. Wenn das Dach nicht gut genug befestigt ist, wird es weggeblasen.
@akhmeteli: Ah ja, das verstehe ich, aber was ist mit den dünnen Dächern auf Schuppen? Wie wirkt dort der Druck?
@Nick: Genauso: Es gibt eine Aufwärtskraft, die das Dach abreißen kann. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein dünnes Dach nicht so steif ist wie ein dickes Dach, sodass sich die Form des dünnen Dachs während des Vorgangs ändern kann.
@akhmeteli: Oh, bedeutet das, dass die obige Erklärung falsch ist oder wird Papier auf die gleiche Weise angehoben?
@Nick: Das Papier wird auf die gleiche Weise angehoben.
@akhmeteli: Das heißt, dass Luftpartikel auf das Papier treffen und sich ansammeln, wodurch ein Hochdruckbereich auf der Seite entsteht, auf die Sie blasen, und das Papier in Richtung des Niederdruckbereichs drückt? Ich dachte immer, dass es an der Reaktionskraft der nach unten abgelenkten Partikel liegt.
@Nick: Ich habe nichts von "Akkumulation" gesagt. Über den molekularen Druckmechanismus braucht man sich keine Gedanken zu machen: Der Druck oben ist niedriger als der Druck unten - das reicht völlig aus, damit das Dach spazieren geht :-) Was den molekularen Druckmechanismus betrifft, ja, das ist fällig auf die Reaktionskraft der von der betreffenden Oberfläche abgelenkten Teilchen.
Der Titel sollte "Warum sind Holzdächer ..." lauten, da ein Dach aus Beton oder bewehrtem Stahl wahrscheinlich nicht durch Wind beschädigt wird.
@ja72: Du darfst den Wind auf unnatürliche Proportionen erhöhen.
@Nick dann fliegt das ganze Haus weg und nicht nur das Dach.
@ ja72: Das ist irrelevant. Der Wind hatte die Aufgabe, das Dach wegzublasen. Es spielt keine Rolle, was daran befestigt ist.

Antworten (4)

Druck ist Kraft pro Flächeneinheit, ja, aber er stellt auch den Unterschied in der kinetischen Energiedichte über eine Oberfläche dar – nur die Energie der zufälligen Bewegung von Partikeln, jedoch keine großräumige kohärente Bewegung wie Wind. Je schneller sich eine Flüssigkeit bewegt, desto mehr ihrer kinetischen Energie geht dementsprechend in großräumige Bewegung über, und desto weniger bleibt für die zufällige Bewegung einzelner Partikel übrig, so dass unter sonst gleichen Bedingungen schnellere Flüssigkeiten einen geringeren Druck haben.

Sie fragen sich dann vielleicht, warum alle anderen Dinge gleich sein sollten; insbesondere warum sollte Luft auf beiden Seiten eines Daches ungefähr die gleiche kinetische Gesamtenergiedichte haben? Denn Luft neigt dazu, sich über lange Zeiträume ins Gleichgewicht zu bringen: Druck und Temperatur innerhalb und außerhalb des Hauses und damit die kinetische Energiedichte sind tendenziell ähnlich. Wenn ein starker Wind aufkommt, sinkt der Außendruck, aber es bleibt keine Zeit, dass Luft in das Haus hinein- und aus ihm herausströmt, um den entsprechenden Druckabfall im Inneren zu verursachen. Deshalb entsteht ein Druckgradient über dem Dach.

Eine wunderbare Antwort, aber ich verstehe nicht, wie Druck den Unterschied in KE über eine Oberfläche darstellen kann. Bei der Dimensionsanalyse von Druck und Energie sehe ich, dass Druck die gleichen physikalischen Dimensionen hat wie Energie pro Volumeneinheit. Obwohl ich die Beziehung sehen kann, kann ich sie nicht intuitiv erfassen.
Ich bin mir sicher, dass es im Internet Ableitungen davon gibt - oder wenn Sie keine finden können, wäre dies eine gute separate Frage.
An dieser Erklärung stimmt etwas nicht. Wenn der starke Wind den ganzen Tag weht und genug Zeit lässt, damit die "Luft in das Haus hinein- und herausströmt, um den entsprechenden Druckabfall im Inneren zu verursachen", gilt das Bernoulli-Prinzip immer noch.
Nun, aber wenn tatsächlich einen ganzen Tag lang ein starker Wind weht, sind es normalerweise wiederholte Böen zusätzlich zu einem schwächeren Wind. Das lässt immer noch eine Druckdifferenz zu. Wenn außerhalb eines Hauses über einen längeren Zeitraum ein Luftstrom mit konstanter Geschwindigkeit (und irgendwie keine Turbulenzen) vorhanden wäre, würde theoretisch der Druck im Inneren nicht mit der Zeit auf den Außendruck abfallen? Oder gleicht etwas anderes aus?

Bernoulli zur Rettung!

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Beantwortet dies die Frage?

Denken Sie daran, dass Hurrikangeschwindigkeiten oft doppelt so hoch sind wie die Überziehgeschwindigkeiten kleiner Flugzeuge, und die typische Flügelbelastung von Flugzeugen liegt im Bereich von 50 k G / M 2 , also könnte ein Dach das 4 - fache sehen . Das Dachmaterial müsste wirklich schwer sein , um nicht davon angehoben zu werden.

Siehe Satz von Bernoulli. Sehen Sie sich dieses Video zur Demonstration an http://dornsife.usc.edu/labs/lecture-support-lab/wind-storm/ .

Kurze Erklärung: Wenn die Windgeschwindigkeit groß genug ist, ist der Luftdruck über der Oberfläche geringer als darunter. Dadurch wird das Dach abgeblasen. Das Flugzeug arbeitet nach dem gleichen Prinzip (geringerer Druck auf der Oberfläche).

Richtig für Dach; falsch für Flugzeuge. Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis. Flugzeuge erhalten Auftrieb, indem sie die Strömung nach unten lenken, nicht durch einen (im Grunde nicht vorhandenen) Druckunterschied zwischen den oberen und unteren Flügeloberflächen. Google herum; Sie werden einige interessante Artikel finden.
@CarlWitthoft Ihre Behauptung, dass der Druckunterschied im Grunde nicht vorhanden ist, ist falsch. Das häufige Missverständnis, auf das Sie sich beziehen, ist der Trugschluss der gleichen Zeiten . Das Missverständnis ist nicht, dass der statische Druck auf der oberen Oberfläche niedriger ist, weil sich die Luft schneller bewegt, das Missverständnis ist, warum sich diese Luft schneller bewegt.
Tragflügel, die die Strömung nach unten ablenken, sind eine Möglichkeit, den Auftrieb zu interpretieren, aber (wie ich hier bespreche ) gibt es auch andere, gleichwertige Möglichkeiten, den Auftrieb zu betrachten ... einschließlich eines Druckunterschieds zwischen der oberen und unteren Oberfläche.
@OSE, aber dieser Druckunterschied ist eine Funktion des Anstellwinkels, nicht der Tragflächenform. Flugzeuge fliegen kopfüber usw.
@CarlWitthoft Es ist eine Funktion des Anstellwinkels, aber auch eine Funktion der Tragflächenform. Gekrümmte Schaufeln bieten einen größeren Auftrieb bei einem Anstellwinkel von null allein aufgrund der Änderung der Schaufelblattform, was zu einer anderen Randgeschwindigkeitsverteilung der Grenzschicht und damit zu einer anderen Druckdifferenz führt.
@CarlWitthoft: Sie haben Recht mit dem Anstellwinkel, aber nicht mit dem Druckunterschied. OSE hat auch recht. Wenn Sie ein Flügel sind (symmetrisch um der Argumentation willen) und Auftrieb erzeugen, lenken Sie die Luft aufgrund des Anstellwinkels nach unten ab, und Ihre Belohnung dafür besteht darin, einen Druckunterschied zu sehen. Es gibt keine andere Möglichkeit, Kraft zu spüren.
+1 unter der Annahme, dass Sie sagen wollten, dass "der Druck über der Oberfläche geringer ist ", wie Ihr Video zeigt.

Winde mit hoher Geschwindigkeit werden von einem reduzierten Luftdruck begleitet, so dass hoher Druck aus dem Inneren des Hauses das Dach auf niedrigen Druck drückt und weggeblasen wird.

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