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Physik im Alltag und Naturphänomene, Physikalisches Spielzeug & Freihandversuche

Luftrüssel – der Natur abgeschaut?

Ein durch eine Spiralfeder zusammengerollter flacher Papierschlauch wird durch Einblasen von Luft entrollt. Sobald der Luftstrom nachlässt, rollt sich der Schlauch durch die Federkraft wieder auf.

Manche werden die Luftrüssel-Tröte noch aus der Kindheit kennen (Abbildung a). Es handelt sich um eine einfache Flöte, die beim Blasen durch einen mechanischen Zusatzeffekt überrascht: Sobald man bläst, dringt die Luft in einen spiralförmig aufgerollten Papierschlauch ein und entrollt diesen auf eine Länge von circa 20 cm. Das soll bewirken, dass andere Menschen nicht allein akustisch durch das überfallartige Tröten erschreckt werden, sondern zusätzlich durch das unerwartete Vorschnellen des Schlauches.

Dem Mechanismus des Entrollens und Aufrollens liegen zwei gegeneinander wirkende Kräfte zugrunde. Im Ruhezustand sorgt eine an den Kanten des luftleeren und in diesem Zustand flachen Schlauchs eingearbeitete feine elastische Spiralfeder dafür, dass er nur gegen die elastische Kraft dieser Feder entrollt werden kann (Abbildung b). (Die ausgebaute Spiralfeder in Abbildung c). Beim Aufrollen des luftleeren flachen Papierschlauchs legt seine äußere Fläche eine längere Strecke zurück als seine innere. Da das unelastische Papier weder gestreckt noch gestaucht werden kann, wird die innere Fläche durch aufgeworfene kleine Falten im Papier verkürzt, während der äußere Rand weitgehend glatt bleibt.

Beim Aufblasen des Schlauchs werden ähnlich wie bei einem Luftballon durch die raumgreifende Blasluft Kräfte auf die starren Papierwände ausgeübt, sodass die Luft im Schlauch unter zunehmenden Druck gerät.

Infolgedessen dringt die Luft zwischen die  durch die Spiralfeder eng zusammengepressten Ober- und Unterseiten, sodass diese gegen den Widerstand der elastischen Federkraft auseinander gedrückt werden. Damit ist zwangsläufig verbunden, dass der Schlauch und die Feder entrollt werden. Was hier langsam beschrieben wurde passiert realiter blitzschnell. Bei völlig abgerolltem Schlauch strömt die weiterhin einströmende Luft nunmehr aus der nunmehr entfalteten Öffnung an dessen Ende.

Das bleibt so, solang der erforderliche Luftdruck durch Weiterblasen aufrechterhalten werden kann.

Die Dauer hängt von der Entscheidung der Spielenden ab und wird letztlich vom Lungenvolumen begrenzt. Sobald der Luftstrom und damit der Luftdruck abnehmen gewinnt die rücktreibende Kraft der Spirale wieder überhand. Der Schlauch schnellt in seine aufgerollte Ruheposition zurück und presst dabei die Luft aus sich heraus.

Wenn man beim Zurückrollen einen kleinen Ball in die Papierschnecke klemmt, so kann man diesen beim nächsten Entrollen auf eine Wurfbahn katapultieren. Ein solcher Ballwurf hat ein Vorbild in der Natur. Das Springkraut wirft auf ähnliche Weise seine Samenkörner weit von sich.

Auch einige Schmetterlinge,  etwa das Taubenschwänzchen, können ihren Rüssel je nach Bedarf ausrollen und dadurch verlängern und anschließend platzsparend wieder einrollen (Abbildung 2). Ein langer Rüssel erlaubt es ihnen, auch aus sehr tiefen Blütenkelchen Nektar zu saugen. Da er aber sonst, insbesondere beim Flug, hinderlich wäre, wird er platzsparend spiralförmige eingerollt. Der Schmetterling nutzt allerdings keinen Luftdruck, sondern bestimmte Muskeln, die für das Auf- und Entrollen zuständig sind. Wie der Luftrüssel ist auch der Schmetterlingsrüssel im Ruhezustand aufgerollt, bei entspannten Muskeln.

Wer die Luftrüsseltröte erfunden hat, lässt sich wie bei vielen alten Spielzeugen nicht mehr nachvollziehen.

Ich danke Gerhard Mehler für die Überlassung des Fotos vom Taubenschwänzchen in diesem Beitrag.

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Diskussionen

13 Gedanken zu “Luftrüssel – der Natur abgeschaut?

  1. Wieder was so Interessantes! Auf Abbildung b, das wäre ein rot verpacktes, altes Fieberthermometer, dachte ich. Aber was hätte das dort gesollt, naja, war nur der Anblick.
    Vielen Dank mal wieder, auch dem Gerhard für das passende, wunderbare Foto!

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    Verfasst von wildgans | 27. Januar 2023, 00:08
  2. Danke für die Verwendung des Fotos, Joachim!

    Ich fragte mich kürzlich bei Aufnahmen von Bienen auf Gran Canaria, was solch ein Insekt gewinnt, wenn es bei starkem Wind und stark schwankender Blüte etwas Nektar absaugt. Wie ist da genau die Energiebilanz?! Das würde mich interessieren.
    Manche Schmetterlinge ruhen ja selbst am frühen Nachmittag, wenn ihre Energiebilanz deutlich positiv ist.
    Ich sah Hummeln am Efeu, auch Taubenschwänzchen an für sie eigentlich nicht sonderlich ausgewiesenen Blüten. Offenbar lohnt sich trotzdem bisweilen das Absaugen eines eher winzigen Nektarbeitrags.

    Die Intelligenz von Insekten nehme ich ja auch immer dadurch wahr, daß z.B. ein Taubenschwänzchen seinen Rüssel schon im Vorfeld entrollt, wenn es z.B. auf eine Miniblüte eines grösseren Verbunds zusteuert und so ohne Verluste und Vertun einsticht, wo es einstechen will. Punktgenau.
    Wie diese Intelligenz entstehen konnte, ist mir ein Rätsel. Sicher nicht rein additiv durch hunderte von Millionen Jahren. Das alte Rätsel. wie entstand aus einer Augengrube ein komplexes Auge?

    Rätsel über Rätsel 🙂

    Gefällt 2 Personen

    Verfasst von kopfundgestalt | 27. Januar 2023, 00:51
  3. Lieber Joachim! Mal wieder ein Beitrag ganz nach meinem Geschmack: ein scheinbar unbedeutender Alltagseffekt wird vertieft. So erklärt man die Welt – toll!
    Liebe Grüße Jürgen
    P.S. Da fällt mir ein: ich habe nie verstanden warum Güterzüge sich trotz ihres Gewichtes und der kleinen Auflagefläche ihre Räder in Bewegung setzen können.
    Der Fachmann weiß sicherlich eine Antwort.
    Bis bald!

    Gefällt 1 Person

    Verfasst von juergenkuester | 27. Januar 2023, 07:57
    • Danke, lieber Jürgen. Was deine Frage zum Güterzug betrifft, so ist „aller Anfang schwer“. Wegen seiner großen Masse muss viel Energie hineingesteckt werden, um ihn überhaupt erst in Bewegung zu bringen. Bewegt er sich, ist es fast ebenso „schwer“, ihn wieder zur Ruhe zu bringen (bremsen). Die Rollreibung mit den Schienen ist dabei verhältnismäßig gering. Daher ist der Fortbewegung auf Schienen trotz aller Neuerungen im Bereich der Fortbewegung nun schon eine so lange Lebensdauer beschieden.
      Als Kind habe ich in der Nähe eines Rangierbahnhofs gelebt und mit Interesse verfolgt, wie ein einzelner Mensch einen Waggon mit einer Brechstange in Bewegung gesetzt hat. Dabei setzte er die Brechstange schräg unter ein Rad und hob sie an. Nach mehreren solcher Aktionen sah man, wie der Waggon zunächst unendlich langsam in Gang kam. Dann genügte einfaches Schieben. Der Waggon rollte dann zu dem bereitstehenden Zug, mit dem er verkoppelt werden sollte. Wir Kinder sind dann manchmal auf den rollenden Waggon aufgesprungen und mitgefahren.
      Jedenfalls geht beim Güterzug alles mit rechten (physikalischen) Dingen zu. Nur die Trägheit ist eben sehr groß, viel größer als die Alltagsgegenstände, mit denen wir Erfahrung haben…

      Gefällt 2 Personen

      Verfasst von Joachim Schlichting | 27. Januar 2023, 08:47
  4. Ja, diese Tröte ist mir bekannt.

    Gefällt 1 Person

    Verfasst von Gisela Benseler | 27. Januar 2023, 09:11
  5. Dieses Taubenschwänzchen so klar beim sammeln von Nektar zu sehen ist schon etwas Besonderes, was man ja auch bei Gerhard immer wieder ganz faszinierend zu sehen bekommt und an diese Tröten erinnere ich mich auch noch sehr gut aus meiner Kindheit, weil man damit auch andere Kinder so schön ärgern konnte. 😀
    Hatte mir aber bisher noch nie darüber Gedanken gemacht und ist schon sehr interessant nun zu wissen wie sowie wodurch es immer so gut funktionierte, lieber Joachim!
    Liebe Grüße, Hanne

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    Verfasst von hanneweb | 27. Januar 2023, 10:27
    • Die Erfinder solcher Spielzeuge und ähnlicher Dinge bleiben meist anonym. Dabei steckt oft viel Kreativität in diesen vermeintlich einfachen Gegenständen. Mein Interesse für deren Innenleben und Funktion habe ich seit meiner Kindheit und pflege es auch heute noch.
      Vielen Dank für dein Interesse und liebe Grüße, Joachim.

      Gefällt 1 Person

      Verfasst von Joachim Schlichting | 27. Januar 2023, 13:06

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