Hallo zusammen,
uns zuhause beschäftigt schon seit längerer Zeit die Frage, wie sich folgendes Phänomen erklären läßt:
Wir haben im Garten ein rundes Schwimmbecken. Wenn man nun durch zügiges Im-Kreis-Laufen einen Strudel erzeugt, sammelt sich nach einigen Minuten der gesamte lose Schmutz in der Mitte des Beckens. (Was überaus praktisch für die Reinigung bzw. die Reinigungsfachkraft ist…)
Warum macht der Schmutz das? Fällt dazu jemandem was Schlaues ein?
Gespannten Gruß
Aia
Hallo,
so 100% sicher bin ich mir nicht, aber die Idee scheint mir plausibel:
Durch das Laufen wird das Wasser in Rotation versetzt. Es will eigentlich immer gerade aus fließen, wird aber ständig vom Rand abgelenkt. Das Wasser drückt entsprechend immer gegen den Rand. Damit ist aber der Druck ganz außen am Rand größer als weiter innen im Pool. Minimal ist er in der Mitte.
Der größere Wasserdruck am Außenrand drückt im Wasser schwimmende Partikel in Richtung des geringeren Drucks, also nach innen, in die Mitte, wo sie sich dann sammeln.
Rührt man einen Tee in der Tasse schnell um, kann man sehen, dass in der Mitte eine Kuhle entsteht und der Tee am Rand der Tasse ansteigt (und mitunter darüber hinausspritzt 
). Das zeigt, dass hier die Fliehkraft nach außen sogar größer wird als die Schwerkraft. Diese Fliehkraft, die den Tee nach außen drückt, erzeugt eben auch ein Druckgefälle IM Tee, vom Rand nach innen. Der Hohe Druck am Rand drückt dann zB. noch nicht aufgelöste Kandis-Stückchen auch in die Tassenmitte (sofern die Rotation nicht so schnell ist, dass die Fließkraft, die natürlich auch auf den Kandis wirkt, ihn nicht entgegen dem Druckgefälle trotzdem nach außen presst.
LG
jochen
Hallo!
Leider liegen die beiden anderen Herren ziemlich deutlich daneben. Es ist allerdings wie Jo richtig erkannte dasselbe Phänomen wie in einer Teetasse, wo sich Zuckerstückchen oder Teeblätter auch stets in der Mitte wiederfinden.
Im Jahre 1926 wurde dieses Problem im Rahmen eines Vortrags erörtert. Darin sprach ein Physiker vor der preußischen Akademie der Wissenschaften eigentlich über Erosion und die Bildung von Flussmäandern. Die Teetasse diente ihm als illustratives Beispiel. Leider liegt mir der Text nur in der Englischen Übersetzung vor, die ich mal versuche zurück ins Deutsche zu übersetezn:
„Die Rotation der Flüssigkeit erzeugt eine Zentrifugalkraft, die auf sie wirkt. Diese hätte keinen Einfluss auf die Bewegung der Flüssigkeit, wenn diese sich wie ein starrer Körper bewegte. An den Wänden der Tasse jedoch wird die Flüssigkeit durch die Reibung abgebremst, so dass die Winkelgeschwindigkeit, mit der sie rotiert hier geringer ist als an Orten, die weiter innen liegen. Außerdem ist die Winkelgeschwindigkeit und dadurch die Zentrifugalkraft am Boden geringer als weiter oben. Dadurch ergibt sich eine kreisförmige Bewegung wie sie in Abbildung 1 illustriert ist. Die Teeblätter werden durch diese Bewegung zum Zentrum hin gespült, wodurch sie deren Existenz beweisen.“
Ich versuche mal Abb. 1 durch ASCII-Art zu zeichnen:
| \>\>\>\>\>\>\>\>\> |
| V A A V |
| V A A V |
| V A A V |
| V A A V |
| V A A V |
| \>\>\>\>\>\>\>\>\>\>
Ich hoffe, man kann erkennen, wie es gemeint ist. Die , A und V sollen die Strömungsrichtung andeuten.
Den Physiker kennt man übrigens, und es überrascht ein wenig, dass er sich mit so trivialen Dingen wie Teetassen und Flussbiegungen beschäftigte: Es war kein geringerer als Albert Einstein.
Michael
Hättest Du geschwiegen …
… wärst Du ein Philosoph (bzw. Physiker) geblieben.
Der größere Wasserdruck am Außenrand drückt im Wasser
schwimmende Partikel in Richtung des geringeren Drucks, also
nach innen, in die Mitte, wo sie sich dann sammeln.
Du bist doch Biologe! Seit wann sammeln sich feste Bestandteile beim Zentrifugieren am Deckel des Eppis? Schmutz hat eine höhere Dichte als Wasser. Folglich erfährt er bei der Rotation auch eine höhere Zentrifugalkraft. Dem wirkt zwar der von Dir beschriebene Auftriebseffekt entgegen. Aufgrund der höheren Dichte ändert das aber nichts an der Tatsache, dass er durch die Rotation nach außen getragen wird.
Rührt man einen Tee in der Tasse schnell um, kann man sehen,
dass in der Mitte eine Kuhle entsteht und der Tee am Rand der
Tasse ansteigt (und mitunter darüber hinausspritzt
zeigt, dass hier die Fliehkraft nach außen sogar größer wird
als die Schwerkraft.
Nein. Die Schwerkraft zeigt nach unten, die Zentrifugalkraft nach außen. Die Vektorsumme aus beiden zeigt schräg nach außen/unten und steht senkrecht auf der Wasseroberfläche. Die Zentrifugalkraft kann größer sein als die Schwerkraft, muss aber nicht. Man erkennt das lediglich daran, dass die Wasseroberfläche um mehr als 45° geneigt ist. Das ist im Pool eher unwahrscheinlich.
Diese Fliehkraft, die den Tee nach außen
drückt, erzeugt eben auch ein Druckgefälle IM Tee, vom Rand
nach innen. Der Hohe Druck am Rand drückt dann zB. noch nicht
aufgelöste Kandis-Stückchen auch in die Tassenmitte (sofern
die Rotation nicht so schnell ist, dass die Fließkraft, die
natürlich auch auf den Kandis wirkt, ihn nicht entgegen dem
Druckgefälle trotzdem nach außen presst.
Das hängt nicht von der Rotationsgeschwindigkeit ab, sondern einzig und allein von der Dichte. Trägheitskräfte sind von Gravitationskräften nicht zu unterscheiden. Deswegen sind alle Auswirkungen der Zentrifugalkraft genau dieselben wie der Gewichtskraft. Der einzige Unterschied ist der, dass der g-Vektor (Vektor der Fallbeschleunigung) nicht mehr senkrecht nach unten zeigt, sondern leicht nach außen. Ist der Stoff leichter als Wasser, bewegt er sich gegen den g-Vektor (also nach oben-innen). Ist er schwerer als Wasser, bewegt er sich mit dem g-Vektor (also nach unten-außen). Hat er die gleiche Dichte wie Wasser, so bleibt er in der Schwebe.
Michael
… wärst Du ein Philosoph (bzw. Physiker) geblieben.
Du bist doch Biologe!
Ja, eben. Biologen müssen doch alles können
Seit wann sammeln sich feste
Bestandteile beim Zentrifugieren am Deckel des Eppis?
Das kannst Du hier nicht ins Feld führen! INNERHALB der Eppis hast du keine Rotation! Hier erhöhst du nur den Schwerkraftvektor.
Schmutz hat eine höhere Dichte als Wasser.
Jain. Nicht grundsätzlich. Aber Du hast natürlich Recht: Der Schmutz, dem sich am Boden des Beckens sammelt, hat wohl eine höhere Dichte.
Folglich erfährt er bei der
Stimmt. Ab hier stimme ich zu und bedecke mein Haupt mit Asche.
Nein. Die Schwerkraft zeigt nach unten, die Zentrifugalkraft
nach außen.
Nur, damit Du mich nicht für total blöd hälst: Das war mir schon klar. Ich hab’s zu flapsig geschrieben.
Danke jedenfalls für Deine Richtigstellung. Ob und warum, wie nach Deinem Einstein-Zitat bzw. Deiner ASCII-Art, es in der rotierenden Flüssigkeitssäule auch eine Rotation senkrecht zur Haupt-Rotationsache gibt (also so wie eine Konvektionsströmung), habe ich noch nicht so ganz verstanden. Warum soll das Wasser am Rand nach unten sinken? Liegt das daran, dass die die Schwerkraft-/Fliehkraft-Vektoren außen wegen der geringeren Winkelgeschwindigkeit am Rand eher nach unten zeigen als die in der Mitte des Beckens?
LG
Jochen
Hi Michael,
erst mal vielen lieben Dank für Deine Antwort und die Mühe, die Du Dir auch noch mit der Zeichnung gemacht hast!
Jetzt muß ich als Überhaupt-nicht-Physikerin mal versuchen, zu verstehen, wo genau diese kreisförmige Bewegung, die den Schmutz nach innen spült, entsteht. Die Sache mit der geringeren Winkelgeschwindigkeit am Rand und am Boden leuchtet mir spontan ein. Aber ich müßte lügen, um zu behaupten, daß ich den Rest wirklich begriffen hätte…
Ich geh noch mal in mich und frage evtl. später noch mal nach.
Danke!
Hallo,
Jetzt muß ich als Überhaupt-nicht-Physikerin mal versuchen, zu
verstehen, wo genau diese kreisförmige Bewegung, die den
Schmutz nach innen spült, entsteht.
Bei der Teetasse ist das leicht: Das Wasser ist heiss, in der Nähe der Wände kühlt daher das Wasser ab und sinkt dann Richtung Boden. Das funktioniert auch ganz ohne rühren.
Ich glaube allerdings nicht, dass sich diese Erklärung auf das Schwimmbecken übertragen lässt.
Grüße,
Moritz
Hi,
Bei der Teetasse ist das leicht: Das Wasser ist heiss, in der
Nähe der Wände kühlt daher das Wasser ab und sinkt dann
Richtung Boden. Das funktioniert auch ganz ohne rühren.
Das wird wohl in der Teetasse auch eher der untergeordnete Beitrag sein. Sowohl für Teetasse als auch für den Pool gilt folgendes: Die rotierende Flüssigkeit wird durch Reibung am Boden abgebremst. Sie rotiert also unten am Boden langsamer als oben. Das heißt auch, dass die «Zentrifugalkraft» am Boden geringer ist als an der Oberfläche. Das Wasser resp. der Tee wird oben stärker nach außen gedrückt als unten, so dass sich die von Michael skizzierte, torusförmige (http://de.wikipedia.org/wiki/Torus) Strömung ausbildet.
Gruß,
V.
PS: Nicht zu viel Zucker in den Tee tun, das ist ungesund.
Oje, hier wird die räumliche Vorstellungskraft - so gar nicht meine Stärke - aber arg gefordert! Ich muß mir das alles mal in Ruhe vorzustellen versuchen, bislang gelingts nicht so ganz. Zumal wir ja offenbar in zwei Ebenen mit dieser merkwürdigen Strömung zu tun haben, oder? Einmal in der Vertikalen und einmal in der Horizontalen?
Ich bin ja zumindest schon mal beruhigt, daß die Erklärung nicht ganz so nahe liegt, daß man hätte selbst drauf kommen müssen…
Gedanklich weiterhin intensivst am Ball bleibend,
Aia
P.S. Das muß sich erst alles mal setzen. Einschl. Schmutz. Heute ist kein Planschbeckenwetter…
Von Eppis und Teetassen
Hallo!
Seit wann sammeln sich feste
Bestandteile beim Zentrifugieren am Deckel des Eppis?Das kannst Du hier nicht ins Feld führen! INNERHALB der Eppis
hast du keine Rotation! Hier erhöhst du nur den
Schwerkraftvektor.
Im Inneren des Eppis hat man selbstverständlich eine Rotation. Es rotiert mit genau derselben Drehzahl wie der Rotor der Zentrifuge. Der einzige Unterschied ist, dass die Drehachse weit außerhalb des Eppis liegt.
Danke jedenfalls für Deine Richtigstellung. Ob und warum, wie
nach Deinem Einstein-Zitat bzw. Deiner ASCII-Art, es in der
rotierenden Flüssigkeitssäule auch eine Rotation senkrecht zur
Haupt-Rotationsache gibt (also so wie eine
Konvektionsströmung), habe ich noch nicht so ganz verstanden.
Warum soll das Wasser am Rand nach unten sinken? Liegt das
daran, dass die die Schwerkraft-/Fliehkraft-Vektoren außen
wegen der geringeren Winkelgeschwindigkeit am Rand eher nach
unten zeigen als die in der Mitte des Beckens?
Nein. Oben (nahe der Wasseroberfläche) hast Du eine größere Rotationsgeschwindigkeit als unten (wo sie durch die Reibung abgebremst wird. Die entstehende Zentrifugalkraft treibt das Wasser nach außen. An der Seitenwand treffen sich die oberen und die unteren Wassermassen. Die oberen gewinnen, weil sie stärker nach außen getrieben werden.
Michael
Hallo!
Im Inneren des Eppis hat man selbstverständlich eine Rotation.
Im INNEREN? Nein, das glaube ich nicht. Innerhalb des „Systems Eppi“ entsteht (wenn man mal die Beschleunigungsphase der Zentrifuge unberücksichtigt lässt) doch einfach nur ein größeres Schwerefeld. Wenn das Eppi sehr nahe an der die Rotationsachse ist, wirkt die Kraft in der Rotationsebene leicht nach außen (relativ zur Mittelachse des Eppis), und zwar umso stärker, je näher das Teilchen an der Rotationsachse sitzt und je weiter außen am Rand es ist. Das sollte aber, wenn ich das recht überblicke, doch dazu führen, dass die Flüssigkeit sich am Rand hochstellt, aber nicht, dass sie relativ zum Eppi rotiert.
Bitte korrigier mich und erklär es mir genau - sonst steh ich wohl weiter auf dem Schlauch…
Nein. Oben (nahe der Wasseroberfläche) hast Du eine größere
Rotationsgeschwindigkeit als unten (wo sie durch die Reibung
abgebremst wird. Die entstehende Zentrifugalkraft treibt das
Wasser nach außen. An der Seitenwand treffen sich die oberen
und die unteren Wassermassen. Die oberen gewinnen, weil sie
stärker nach außen getrieben werden.
Ich weiß nicht, reden wir aneinander vorbei? Ich glaube genau das gemeint zu haben. Naja, wie dem auch sei, ich bin mir soweit jetzt recht sicher, es verstanden zu haben und habe Dank Dir was gelernt.
LG
Jochen