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Monatsrätsel, Physik im Alltag und Naturphänomene

Rätselfoto des Monats November 2018

Warum rotiert die Kugel fast reibungsfrei?


Erklärung des Rätsels des Monats Oktober 2018

Frage: Wie kommt es zu diesen Strukturen auf einem Waldweg?

Antwort: Um es gleich vorwegzunehmen, auch wenn das Foto unter dem Blätterdach von Bäumen aufgenommen wurde, handelt es sich bei den Kreisen nicht um Sonnentaler. Im Gegenteil, es regnete gerade, als diese Aufnahme gemacht wurde.
Wir sehen kraterähnliche Hinterlassenschaften von Wassertropfen, die von den Ästen und Zweigen herunterfallen. Wenn ein Wassertropfen auf den Boden auftrifft, hängt sein weiteres Schicksal davon ab, wie hart oder wie weich der Boden ist. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen relativ harten, lehmigen Sandboden, der von einer mehr oder weniger dünnen Schicht von pflanzlichen Rückständen bedeckt ist, die aus verfallenen Blättern und Tannennadeln besteht.
Trifft nun ein relativ dicker Tropfen auf den Boden auf, durchdringt er die weiche Schicht von Rückständen, dringt zur harten Lehmfläche vor und breitet sich mit großer Geschwindigkeit radial zu den Seiten aus. Dabei reißt er die pflanzlichen Rückstände geringer Dichte mit sich und deponiert sie kreisförmig um das Aktionsfeld. Während des Vorgangs versickert ein Teil des Tropfens, ein anderer Teil wird von den saugfähigen Pflanzenresten aufgenommen und erst danach an den Boden abgegeben.
Auffallend sind die einheitliche Größe der flachen Krater (in etwa Durchmesser einer 1 Euro-Münze) und ihre weitgehende Kreisförmigkeit. Das lässt auf einheitlich große Tropfen schließen. Die weitgehend einheitliche Größe kommt folgendermaßen zustande: Die von den Blättern und Zweigen des Baums aufgenommenen Regentropfen fließen an den Zweigen herab und sammeln sich an den (lokal) tiefsten Stellen. Sobald die Gewichtskraft der so entstehenden, durch die Grenzflächenkraft zusammengehaltenen Tropfen die Adhäsionskraft überschreitet, durch die sie am Zweig fixiert werden , fallen sie ab. Unter einheitlichen Bedingungen ist das bei etwa derselben Tropfengröße der Fall.
Mit zunehmender Tropfengröße wächst aber nicht nur die Gewichtskraft der Tropfen, sondern – da die gemeinsame Fläche zwischen Tropfen und Zweig ebenfalls zunimmt – auch die Adhäsionskraft. Aber letztere wächst nicht in demselben Maße wie erstere. Während die Gewichtskraft proportional zur Masse und das heißt proportional zum Volumen (Radius hoch 3) zunimmt, wächst die Adhäsionskraft nur mit der Fläche (Radius hoch 2). Daher überholt die Gewichtskraft die Adhäsionskraft, sodass es zum Tropfenfall kommt.
Dass der Vorgang so gut reproduzierbar ist, liegt an den günstigen Bedingungen des vorliegenden Falls: Einheitlich glatter und fester Untergrund bedeckt mit einer leicht verschiebbaren Masse geringer Dichte, durch die das Geschehen „aufgezeichnet“ wird.
Natürlich ändert sich das individuelle Muster ständig. Bei längerem Tropfenfall werden ältere Krater immer wieder von neuen überlagert, sodass das Foto auch in dieser Hinsicht nur eine Augenblicksansicht zeigt.

Diskussionen

12 Gedanken zu “Rätselfoto des Monats November 2018

  1. liegt sie in Wasser?

    Verfasst von gkazakou | 1. November 2018, 00:14
  2. Ich finde, eine sehr dichte Erklärung des Oktoberrätsels. Daher werde ich das nochmal durchlesen.

    Das reibungsfreie Gleiten würde ich einer Luftschicht zwischen Wasser und Kugel zuordnen…aber auch das werde ich morgen nochmal in Augenschein nehmen.

    Verfasst von kopfundgestalt | 1. November 2018, 00:48
    • Meist kommt man weiter, wenn man mit der Kugel (die an vielen Orten im öffentlichen Raum vorzufinden ist) „experimentiert“, indem man sie mit der Hand in Bewegung versetzt, sie abbremst, sich die Wasserbenetzung anschaut…

      Verfasst von Joachim Schlichting | 1. November 2018, 08:41
      • Das habe ich noch nie gemacht, aus Respekt!

        Verfasst von kopfundgestalt | 1. November 2018, 08:45
      • Okay, dann habt ihr das Monatsrätsel meiner Respektlosigkeit zu verdanken. Die Kugeln fordern doch geradezu dazu heraus, mit der Hand berührt und bewegt zu werden. Das ist doch eines ihrer Alleinstellungsmerkmale. Der Zwischenraum zwischen der sphärischen Pfanne und der Kugel ist übrigens kindersicher. Er ist so schmal, dass keine Postkarte dazwischen passt und daher erst recht keine Kinderfinger.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 1. November 2018, 08:56
      • Joachim, bei mir ist es (leider) eine irrationale Angst, irgendetwas an einer öffentlichen Plastik zu verderben und zu beschädigen.
        Ich habe in meinem Garten eine Art Bambusplastik mit 1,40 m Höhe. Natürlich ist sie aus zwei Teilen und verklebt., da Teile höchstens mal 80 cm hoch sein können. Tatsächlich bewegte mal eine Verwandte spielerisch das Objekt wie einen Kreisel, weil sie nicht wusste, daß es verklebt war. Gottseidank passierte der Skulptur nichts.
        Ich hätte jedenfalls nie so etwas gemacht.
        Das nur zur Klarstellung meiner Bemerkung.

        Verfasst von kopfundgestalt | 1. November 2018, 09:22
      • Das kann ich gut verstehen, und bei Kunstwerken und anderen empfindlichen Objekten ginge es mir vermutlich ähnlich. Aber diese rotierenden Kugeln sind wirklich robust und sie werden m.E. erst dadurch zum Kunstwerk, dass man mit ihnen nicht nur in visuellen Kontakt tritt.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 1. November 2018, 10:06
  3. Diesen Effekt kann man wunderbar in der Aquarellmalerei nutzen, besonders schön für Sternenhimmel. Man muss nur schnell sein, denn wenn die Farbe trocken ist, funktioniert es nicht mehr. Ich nehme an, die Tropfen werden dann nicht nur rund, sondern bilden auch noch „Strahlen“, weil die nasse Farbe weniger Widerstand gibt also die Pflanzenoberfläche…? (Beispiel siehe hier: https://annchristina.com/2018/08/22/water-coloring-october/)

    Verfasst von ann christina | 1. November 2018, 08:11
  4. Auch ich finde, die Erklärung des Oktoberrätsels sehr vielschichtig. Umso mehr erstaunt es mich, mit welcher nachvollziehbaren Klarheit du diese beschreiben kannst!!!!!
    Die drehende Kugel im Wasser habe ich auch schon gesehen und „Hand“ angelegt ;-), Was mich dabei so fasziniert, ist die Tatsache, dass sich die Kugel, die auch ein paar huntert Kilo wiegen kann, einmal in Schwung gebracht, sich ohne weiteres immer schneller bewegen lässt, bzw das Anhalten der Kugel einiges an Kraftaufwand braucht.
    Wird sich Wassermenge zwischen der Kugel und dem Kugelgefäss, mit veränderter Drehgeschwindigkeit der Kugel entsprechen mit verändern?

    Verfasst von Malabar | 1. November 2018, 09:58
    • Entschuldige für die Vielschichtigkeit. Für mich war dieses meist übersehene Phänomen: Tropfen fallen vom Baum und hinterlassen Spuren, eine Gelegenheit zu zeigen, dass auch im Unscheinbaren eine ganze Menge interessanter Physik steckt. Dabei versuche ich die Dinge so einfach wie möglich zu beschreiben, aber nicht einfacher.
      Was die Kugel betrifft, so kann sie locker auch mal 1000 Kilogramm und mehr wiegen. Wenn man sie in Bewegung versetzt, so muss man schon einige Mühe aufwenden: erst ganz langsam und dann immer schneller. Das liegt an ihrer Masse bzw. Trägheit. Genauso mühselig ist es, sie wieder zur Ruhe zu bringen oder in eine andere Richtung zu drehen. Die Wassermasse zwischen Kugel und Lager wird sich dabei kaum ändern. Näheres zu Beginn des nächsten Monats.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 1. November 2018, 10:20

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