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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubriken: "Spielwiese" und "Blickwinkel"

Der pulsierende Flüssigkeitsstrahl

H. Joachim Schlichting. Physik in  unserer Zeit 50/5 (2019), S. 251

Beim Bestreben eines horizontal aus einer Öffnung austretenden flachen Flüssigkeitsstrahls Zylinderform anzunehmen, schießt er aus Trägheit über das Ziel hinaus.

Man muss schon genau hinschauen, um zu erkennen, dass dieser Wasserstrahl eines Brunnens seinen Querschnitt periodisch verändert (Abbildung links). Er verlässt das Rohr der Breite der Öffnung entsprechend als flacher Strahl. Von den Zwangsbedingungen des Rohrs befreit, schnürt er sich ein und wird abermals flach, nun aber hochkant, also um 90° gedreht (Abbildung Mitte). Auch das ist nicht von Dauer. Bevor er in die Unterwelt absteigend sich unseren neugierigen Blicken entzieht, ist er schon wieder flach geworden – so wie er das Brunnenrohr verließ.
Wenn das Wasser aus dem Rohr ausritt, wird er so flach wie nur eben möglich. Denn nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist die Natur bestrebt, so viel wie unter den gegebenen Umständen möglich an Energie an die Umgebung abzugeben. Betroffen sind im vorliegenden Fall vor allem die Grenzflächenenergie des Strahls und die Höhenenergie. Am meisten Energie könnte an die Umgebung abgegeben werden, wenn die Grenzflächenenergie und die Höhenenergie minimal wären. Der Strahl ist daher sowohl bestrebt, die kleinste Grenzfläche anzunehmen – das wäre der Fall, wenn er eine perfekte Zylinderform ausbildete – als auch so flach wie möglich zu werden. Beides ist nicht gleichzeitig zu haben. Denn je flacher der Strahl, desto mehr weicht er von der Zylinderform ab und je mehr sein Querschnitt die Kreisform annimmt, umso „höher“ ist er. Als Kompromiss stellt sich die Form ein, die der Strahl hat, solange er sich in der flachen Rinne befindet.
Doch sobald er das Rohr verlässt und sich im (fast) freien Fall befindet, ist er schwerelos. Was die Form des Strahls angeht, spielt die Höhenenergie also keine Rolle mehr. Der Strahl hat also nichts Eiligeres zu tun, als sich zum Zylinder zu formen. Doch aus Trägheit schießt er dabei über das Ziel hinaus und nimmt – im Idealfall – eine um 90° verschobene flache Form an. Als rücktreibende Kraft macht sich das Bestreben bemerkbar, wieder zur Zylinderform zurückzufinden. Die Form des Strahls schwingt also erneut in Richtung Zylinder zurück usw. Selbst wenn die Fallhöhe größer wäre, würde dieses Wechselspiel realiter schnell zum Erliegen kommen: innere Reibung, Auswirkungen der Wechselwirkung mit der Luft und schließlich der dadurch bedingte Zerfall in einzelne Tropfen würden Überhand nehmen.
Das Pulsieren eines Flüssigkeitsstrahls kann man im Alltag in zahlreichen Situationen beobachten, etwa beim Ausgießen von Milch oder beim Einschenken von Tee und Kaffee aus einer Kanne (Abbildung rechts).
Der Vorgang erinnert an eine Pendelschwingung. Auch hier entsteht ein periodisches Hin- und-Her, weil das dem tiefsten Punkt zustrebende Pendel aus Trägheit übers Ziel hinausschießt und dies im Idealfall ad infinitum so weiter macht.

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Diskussionen

19 Gedanken zu “Der pulsierende Flüssigkeitsstrahl

  1. Ein spannender Artikel, weil er wieder mal ein Alltagsphänomen, im wahrsten Sinne, ins Auge fasst

    Verfasst von kopfundgestalt | 15. September 2019, 00:17
  2. Sehr instruktiv. das Pulsieren des Wasserstrahls – wie oft habe ich es schon betrachtet. Aber es so, phyikalisch, zu sehen, ist mir nie in den Sinn gekommen.
    Du bringst wiederholt den Hinweis auf den zweiten Hauptsaz der Thermodynamik: dass “ die Natur bestrebt (ist), so viel wie unter den gegebenen Umständen möglich an Energie an die Umgebung abzugeben“. Die Natur ist bestrebt … erstaunlich. Wer ist denn wohl diese „Natur“, die aufgrund von (innerer, äußerer?) Motivation etwas tut, was der Umgebung Energie zur Verfügung stellt? Und um das zu erreichen, den Wasserstrahl sich winden und wenden lässt, dass seine verflochtenen Schnüre im Sonnenlicht funkeln und sich das fallende Wasser mit den Substanzen der Luft anreichert, die er dann dem Boden zur Verfügung stellen kann…..

    Verfasst von gkazakou | 15. September 2019, 09:47
    • Okay, „Natur“ ist vielleicht ein nicht so geeigneter Ausdruck, da er zu viele emotionsbeladene Konnotationen enthält. Gemeint ist, dass vor dem Hintergrund der physikalischen Begrifflichkeit, die Erfahrung gemacht wird, dass Systeme dazu tendieren, unter den gegebenen Umständen so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben. Mit dieser im zweiten Hauptsatz konzeptualisierten Erfahrung, kann man auf einer sehr allgemeinen Ebene viele Phänomene einheitlich beschreiben, u.a. eben auch das Verhalten des Wasserstrahls. Vom Funkeln in der Sonne u.ä. oder Reflexionen von Licht ganz allgemein, die ja auch beobachtet werden, habe ich dabei abgesehen. Das wäre ggf. Stoff für einen weiteren Beitrag.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 15. September 2019, 17:08
      • danke für die korrekte Formulierung, die allerdings weniger poetisch ist. „Systeme tendieren dazu“ klingt viel trocken-gelehrter als „die Natur ist bestrebt.“ Immerhin wird aber deutlich, dass es sich bei „System“, „Energie“, „Phänomn“, „Erfahrung“ um wissenschaftliche Konstrukte handelt, die der verallgemeinernden Beschreibung dienen – fern aller ontologischen Spekulation… 😉

        Verfasst von gkazakou | 15. September 2019, 17:58
      • Genau so ist es. Es gibt viele Sehweise, eine Sehweise ist die physikalische. Und der versuche ich neben anderen Dingen in diesem Blog etwas mehr „Gehör“ zu verschaffen. 🙂

        Verfasst von Joachim Schlichting | 15. September 2019, 18:42
      • „Systeme“ klingt für mich nicht trocken, das möchte ich an dieser Stelle einflechten. Der Begriff beschreibt doch nichts anderes, als das man bestimmte „Dinge“ so zusammenfasst/zusammenfassen kann, daß man sie studieren kann. Nichts anderes ist ein System. Ein geeigneter Ausschnitt der Wirklichkeit. Etwass was man betrachten und analysieren kann.

        Verfasst von kopfundgestalt | 16. September 2019, 11:32
      • Das ist im Wesentlichen korrekt. In den Wissenschaften schafft man eigene Begriff, um sie von den Alltagsbegriffen abzugrenzen und damit eine eindeutige „Sprache“ zu haben. Statt „Ding“ zu sagen, das viele andere Konnotationen mit sich bringt, ist bei einem System für Insider sofort klar, was gemeint ist, insbesondere wenn man dann noch die Systemgrenzen und andere Charakteristika benennt.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 16. September 2019, 13:05
      • Was das Schöne ist, solche Systeme kann man im Prinzip am Computer testen, auch biologische Systeme. Diesen Weg ging ja auch u.a. Wagner, der das in seinem Buch „Arrival of the fittest“ demonstrierte.

        Verfasst von kopfundgestalt | 16. September 2019, 20:28
      • Aber daran erkennt man natürlich auch, dass die naturwissenschaftliche Beschreibung als Abbildung auf mathematische Algorithmen/Gleichungen nur einen Aspekt erfassen können. Denn dass zum Beispiel die eigene Frau mehr ist als eine mathematische Gleichung würden wohl auch Physiker zugeben. Dazu ein schönes Zität von Sir Arthur Eddington, einem britischen Physiker, der in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts seine große Zeit hatte: „The materialist who is convinced that all phenomena arise from electrons and quanta and the like controlled by mathematical formulae, must presumably hold the belief that his wife is a rather elaborate differential equation; but he is probably tactful enough not to obtrude this opinion in domestic life“ 🙂 .

        Verfasst von Joachim Schlichting | 16. September 2019, 21:25
      • „nur einen Aspekt erfassen können“ – sicherlich.
        Frauen in dieser Art zu betrachten, kann nur als ein Riesenfehler betrachtet werden.
        Noch schlimmer dürfte das allerdings bei den eigenen Kindern sein.

        Verfasst von kopfundgestalt | 17. September 2019, 00:02
  3. Was hat es mit dieser Trägheit auf sich?
    Das System will/strebt zur Zylinderform. Man könnte ja meinen, daß in jedem Moment „geprüft“ wird, ob diese Form schon erreicht ist. Da aber die Fortpflanzung zur Zylinderform mit Geschwindigkeit und Druck passiert, wird der ideale Moment wohl übergangen. Aber ab wann findet die Umkehr statt?

    Verfasst von kopfundgestalt | 15. September 2019, 18:44
    • Das kannst du dir sehr schön an einem Pendel klarmachen, also z.B. eine an einem Faden hängede Kugel. Wenn du die auslenkst, „möchte“ die wieder zur tiefsten Stelle zurück. Dabei schießt sie – eben aus Trägheit (ein Aspekt der Masse) über das Ziel hinaus uns steigt in der anderen Richtung ein Stück auf, kehrt um, sinkt wieder ab usw. Auch der Strahl schießt über das Ziel einer Zylinderform hinaus, weicht also in der anderen Richtung von der Zylinderform ab und bewegt sich zurück … bis durch Reibung die Bewegungenergie verbraucht ist. Der Wasserstrahl hat aber in der Regel vorher das Becken erreicht oder ist in Tropfen zerstäubt.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 15. September 2019, 19:21
  4. Die Kugel möchte fallen, wird von der Masse Erde angezogen. Die Geschwindigkeit, die sie dabei bekommt, lässt sie, da am Draht befindlich, aufsteigen, solange, bis die Erdanziehung genug wirkt, um eine Umkehr zu ermöglichen.

    Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik entspricht in deinem Bild quasi der Gravitation.?!

    Verfasst von kopfundgestalt | 16. September 2019, 11:28
    • Die Sache ist leider etwas komplizierter.
      Wenn ich den Pendelkörper fallen lasse, nimmt er aus dem Gravitationsfeld Bewegungsenergie auf, solange er sich nach unten bewegt. Durch die Fixierung bewegt er sich dann wieder nach oben und gibt die Energie wieder ans Gravitationsfeld zurück, bis er keine mehr hat und momentan zur Ruhe kommt. Dann nimmt er mit dem erneuten Fall wieder Energie auf und würde es im Idealfall ewig so weiter machen (ideales Pendel). Aber auf dieser unserer „unvollkommenen“ Welt geht nichts ohne Reibung, d.h. Abgabe von Energie an die Umgebung. Im Falle des Pendels kommt dieser schließlich an der tiefsten Stelle zur Ruhe. Die Gravitationskraft wirkt nach wie vor in gleichem Maße, wegen der Fixierung des Pendels an der tiefsten Stelle, kann dieser aber keine Energie aufnehmen.
      Die durch Reibung an die Umgebung abgegebene Energie kann erfahrungsgemäß nicht wieder von selbst auf das Pendel übergehen. Sie wird also in dem Sinne entwertet als sie nicht noch einmal für denselben „Zweck“ (Pendelbewegung) dienen kann. Diese Erfahrung wird im zweiten Hauptsatz zum Ausdruck gebracht. In diesem Fall: Bewegungsenergie geht von selbst an die Umgebung über aber nicht umgekehrt. Die Entwertung wird auch als Dissipation bezeichnet oder Zunahme der Entropie. Allgemein gilt: In einem abgeschlossenen (realen) System kann Energie nur entwertet werden, bzw. Entropie nur zunehmen.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 16. September 2019, 12:59
      • Man muß solche Sachen immer wieder lesen, stellte ich unlängst fest, dann wird es sozusagen einverleibt – und dafür bin ich Dir sehr dankbar.

        Die Sprechweise „nimmt er aus dem Gravitationsfeld Bewegungsenergie auf“ ist mir noch unvertraut.

        Verfasst von kopfundgestalt | 16. September 2019, 20:32
      • Du hast Recht, das wissenschaftliche Studium dient zu einem erheblichen Teil der Einübung in diese Sehweise, diese Art und Weise zu sprechen…
        Da die Energie eine Erhaltungsgröße ist, muss ein fallender Dachziegel ja seine Energie irgendwo her haben. Da das Gravitationsfeld ursächlich mit dem Fall zusammenhängt, sagt man, dass der Ziegel die Energie aus dem Feld aufnimmt. Was letztlich gilt ist die mathematische Beschreibung dieses Vorgangs.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 16. September 2019, 21:30
      • Oh!
        Das muß ich nochmal lesen, das klingt gut.

        Verfasst von kopfundgestalt | 17. September 2019, 00:03

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