097 - Flaschen-Tornado

097 – Flaschen-Tornado

Wasserwirbel 

Badewannen-Wirbel 

 

Einführung in:

  • Wirbel
  • Rotationshyperboloid
  • Zentrifugalkraft/Zentripetalkraft
  • Drehimpulserhaltung
  • Wirbel-Trichter 

 

Material:

  • 2 Plastikflaschen (= PET-Flaschen, Empfehlung: Volumen 1,5 Liter, unbedingt transparent!)  
  • Verbindungsstück aus Hartplastik, im Handel erhältlich

Oder 

  • 2 Deckel 
  • Heißkleber mit Pistole 
  • Schleifpapier 
  • Schere 

Anleitung:

  • Nimm das fertige Verbindungsstück

Oder fertige dir selbst eines an: 

  • Rauhe die Oberfläche der beiden Deckel mit Schleifpapier an und klebe sie zusammen 
  • Bohre mithilfe der Schere ein Loch in die Mitte der Deckel. Der Durchmesser sollte etwa 5 mm betragen.
  • Fülle eine der beiden Flaschen mit Wasser, wobei oben etwa fünf Zentimeter Luft bleiben sollten. 
  • Schraube die zweite, leere Flasche oben auf das Verbindungsstück. 
  • Drehe die beiden Flaschen um, so dass die volle Flasche nach oben kommt. 
  • Versetze das Wasser in der oberen Flasche durch Schwenken in Drehung. Dabei ist etwas Übung erforderlich. Schwenke die Flasche wie ein großes Wasserglas, immer im Kreis herum, so, als würdest du in einem großen Kochtopf rühren. 
  • Halte die Flaschen ruhig und beobachte! 

Beobachtung:

  • In der oberen Flasche bildet sich ein Wirbeltrichter 

Tipps:

  • Falls die Verbindung nicht vollständig dicht ist, stelle eine Schüssel darunter oder experimentiere im Freien. 
  • Experimentiere damit, die Flasche langsamer oder schneller zu drehen 

Didaktisches Potenzial: 

  • Der Badewannenwirbel übt eine große Faszination aus!
  • Die Form des Wirbels lässt mit Sekundärschul-Mathematik theoretisch erklären: Der Wirbel ist eine Folge der Drehimpulserhaltung: 

1. Aufgabe: 

  • Erkläre, warum sich ein Wasserteilchen m in einem Wasserwirbel umso schneller dreht (d.h. größere Umlaufgeschwindigkeit  v ), je näher es der Drehachse kommt! Dies passiert, wenn es in den Wirbel hinein gesogen wird. 

2. Aufgabe:

  • Zeige: Die Oberfläche bildet ein Rotationshyperboloid! 
  • Hinweis: Die Neigung der Wasseroberfläche (Winkel  α )  ergibt sich aus der Kräftesumme von Zentrifugalkraft und Gewichtskraft des Volumenstücks. (Kräfte im rotierenden Bezugssystem)