Kommunizierende Röhren

Grundprinzip und Flüssigkeitshöhen

Kommunizierende Röhren oder kommunizierende Gefäße sind oben offene, unten miteinander verbundene Gefäße. In ihnen steht eine homogene Flüssigkeit – also eine überall gleichartige Flüssigkeit – gleich hoch. Ursache ist, dass Schwerkraft und Luftdruck in allen Gefäßen gleich sind. Die Form, Breite und der Verlauf der Röhren ändern den gemeinsamen Wasserstand nicht; dies wird als hydrostatisches Paradoxon beschrieben.

Die Verbindungsleitung darf sogar oberhalb des gemeinsamen Flüssigkeitsspiegels verlaufen. Sie muss dann vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein, und ihre Anschlüsse müssen unterhalb der Flüssigkeitsspiegel in die Gefäße münden. Dieses Prinzip wird bei Heberleitungen genutzt. Beim Hotoppschen Heber wird das Verbindungs- oder Ablaufrohr durch Unterdruck gefüllt, den ein kleiner hydraulischer Kolben erzeugt; dadurch setzt das Saugheberprinzip ein.

Sind die Röhren jeweils vollständig mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gefüllt, sind die Höhen der Flüssigkeitssäulen im Gleichgewicht umgekehrt proportional zum spezifischen Gewicht. Leichtere Flüssigkeiten steigen daher höher. Befinden sich zwei verschiedene Flüssigkeiten in einer einzelnen Röhre, gilt dies unmittelbar nur dann, wenn die Kontaktfläche der Flüssigkeiten als Referenzhöhe verwendet wird.

Technische Anwendungen

Kommunizierende Gefäße dienen in Nivelliergeräten zur Bestimmung der Horizontalen, etwa in Schlauchwaagen und Kanalwaagen. Mit ihnen lassen sich Höhenunterschiede auf Bruchteile von Millimetern messen.

Ein Heber, eine Form der Saugpumpe, überträgt Flüssigkeit, bis die Flüssigkeitsspiegel gleich hoch sind. Siphons und Düker sind Wasserleitungen, die zunächst abwärts und anschließend wieder aufwärts führen; sie können eine Senke überbrücken. Ein Düker leitet Flüssigkeiten, meist Wasser, unter Hindernissen oder durch ein Tal zwischen Bergen, ohne dass ein Aquädukt gebaut werden muss. Die Römer verwendeten dieses Prinzip bei innerstädtischen Druckleitungen. Auch Wassertürme nutzen kommunizierende Röhren, um in Wasserleitungen einen konstanten Druck herzustellen.

Mehrere nebeneinander stehende Regenwassertanks können durch solche Röhren verbunden werden. Dann stellt sich in allen Behältern derselbe Füllstand ein, selbst wenn nur einer einen Zu- oder Ablauf besitzt. Dadurch kann ein großer Behälter durch mehrere kleinere ersetzt werden. Bei einem verschlossenen, undurchsichtigen Behälter zeigt ein nahe am Boden angeschlossenes und nach oben geführtes Schauglas oder ein transparenter Schlauch den Füllstand an.

Die Röhrenzentrifuge verwendet die unterschiedlichen Steighöhen verschieden dichter Flüssigkeiten zur Flüssig-Flüssig-Trennung. Bei Hochwasser kann eine Mauer oder ein Damm Wasser nur zurückhalten, wenn das Fundament keine Wasserführung im Boden zulässt; andernfalls würde sich auf beiden Seiten derselbe Wasserpegel einstellen. Beim artesischen Brunnen strömt Wasser durch den Druck der Wassersäule in den wasserführenden Bodenschichten; dieser Druck kann für Wasserspiele und Springbrunnen genutzt werden.

Niveaufläche und genaue Messungen

Der gemeinsame Flüssigkeitsspiegel liegt auf einer Niveau- oder Äquipotentialfläche. Das ist eine Fläche, auf der das Schwerepotential der Erde konstant ist.

Für präzise Höhenmessungen müssen störende Einflüsse berücksichtigt oder vermieden werden. Schwingungen des Systems lassen die Pegel an beiden Enden schwanken. Schon kleine Luftdruckunterschiede durch Wind oder Temperaturunterschiede können – abhängig von Bauart und Länge der Röhren – merkliche Auswirkungen haben. In sehr dünnen Rohren oder Schläuchen tritt außerdem der Kapillareffekt auf.

Werden diese Effekte unter kontrollierten Bedingungen genau erfasst oder vermieden, messen Präzisions-Schlauchwaagen über Strecken von hunderten Metern Höhenunterschiede mit einer Abweichung von 0,01 mm. So kann beispielsweise ein Höhennetz auf beiden Seiten eines Flusses genauer nachvollzogen werden als mit optischen Messungen, bei denen Feuchtigkeit in der Luft die Lichtbrechung stören kann.