Zur Physik des Saughebers: Missverständnisse und fachliche Klarstellungen

Der Saug- oder Winkelheber wird im Allgemeinen so verkürzt erklärt, dass die eigentliche Ursache für den Flüssigkeitstransport unklar bleibt und sogar Fehlvorstellungen geweckt oder verstärkt werden.Diese betreffen u. a. den Druck, dessen Variation allein nicht hinreichend ist, um Strömungen anzutreiben. Die entscheidende physikalische Größe zur Beschreibung ist die potenzielle Energie eines Massen- oder Volumenelementes: Zur Energiedichte tragen sowohl der Schweredruck als auch die Lageenergie pro Volumen bei. Obwohl die Flüssigkeit räumlich über den Rand eines höher gelegenen Gefäßes angehoben wird und in ein niedriger gelegenes strömt, nimmt ihre potenzielle Energie aufgrund innerer Reibung dabei kontinuierlich ab bzw. bleibt im Grenzfall idealer Flüssigkeiten konstant. Dies gilt gleichermaßen für Gase, die sich auch mit einem Heber transpor-tieren lassen. Die Vorstellung, Kohäsionskräfte seien nötig, um das stärkere „Ziehen“ der Schwerkraft an der Fluidsäule im längeren Heberarm auf die Fluidsäule im kürzeren Heberarm zu übertragen, ist irreführend. Wir zeigen, wie die Funktionsweise des Saughebers bereits auf dem Niveau einer universitären Erstsemestervorlesung vermittelt werden kann. Diese Darstellung kann Lehrerinnen und Lehrern auch als Grundlage für die Erarbeitung einer geeigneten Elementarisierung im Rahmen der Schulphysik dienen

Zur Physik des Saughebers: Missverständnisse und fachliche Klarstellungen

Der Saug- oder Winkelheber wird im Allgemeinen so verkürzt erklärt, dass die eigentliche Ursache für den Flüssigkeitstransport unklar bleibt und sogar Fehlvorstellungen geweckt oder verstärkt werden.Diese betreffen u. a. den Druck, dessen Variation allein nicht hinreichend ist, um Strömungen anzutreiben. Die entscheidende physikalische Größe zur Beschreibung ist die potenzielle Energie eines Massen- oder Volumenelementes: Zur Energiedichte tragen sowohl der Schweredruck als auch die Lageenergie pro Volumen bei. Obwohl die Flüssigkeit räumlich über den Rand eines höher gelegenen Gefäßes angehoben wird und in ein niedriger gelegenes strömt, nimmt ihre potenzielle Energie aufgrund innerer Reibung dabei kontinuierlich ab bzw. bleibt im Grenzfall idealer Flüssigkeiten konstant. Dies gilt gleichermaßen für Gase, die sich auch mit einem Heber transpor-tieren lassen. Die Vorstellung, Kohäsionskräfte seien nötig, um das stärkere „Ziehen“ der Schwerkraft an der Fluidsäule im längeren Heberarm auf die Fluidsäule im kürzeren Heberarm zu übertragen, ist irreführend. Wir zeigen, wie die Funktionsweise des Saughebers bereits auf dem Niveau einer universitären Erstsemestervorlesung vermittelt werden kann. Diese Darstellung kann Lehrerinnen und Lehrern auch als Grundlage für die Erarbeitung einer geeigneten Elementarisierung im Rahmen der Schulphysik dienen

Zu den Ursachen der elektromagnetischen Induktion. Ein Gesamtüberblick und Empfehlungen zur Einführung des Faraday‘schen Gesetzes

Gemäß dem Faraday‘schen Gesetz rufen Änderungen des magnetischen Flusses in Leiterschleifen Induktionsspannungen hervor. Bereits einfache Experimente zeigen allerdings, dass ein Unterschied zwischen dem Fluss des End- und des Ausgangszustands keine hinreichende Bedingung für das Auftreten von Induktion ist. Wir nehmen dies zum Anlass, den komplexen fachlichen Hintergrund insbesondere für Studierende und Referendare in kompakter Form aufzubereiten. Entscheidend für alle Induktionsphänomene ist eine auf Ladungen lokal einwirkende elektromagnetische Kraft, die eindeutig mit der integralen Größe Induktionsspannung verknüpft ist. Die in der Oberstufe und in universitären Anfängervorlesungen übliche Vereinfachung des Begriffs Flussänderung macht aus dem Faraday‘schen Gesetz eine nicht mehr allgemeingültige Flussregel, was zum Abbau der fachlichen Komplexität durchaus angebracht ist. Um Fehlinterpretationen und Verständnisschwierigkeiten zu vermeiden, empfehlen wir aber, bereits bei der Einführung des Begriffs Flussänderung den Bezug zur wirkenden Kraft herzustellen. Dies ist auch ohne mathematischen Aufwand möglich und trägt zu einem kohärenten Gesamtbild der elektromagnetischen Induktion bei

Das umgedrehte Wasserglas: Erweiterungen und Hintergrundwissen für Lehrkräfte und Studierende

In Ergänzung einer Versuchsreihe für die Klassenstufe 8 beschreiben wir hier für Lehrkräfte und Lehramtsstudierende die fachwissenschaftlichen Hintergründe eines bekannten  Demonstrationsexperimentes, bei dem ein mit Wasser gefülltes Glas lose abgedeckt und umgedreht wird, ohne dass die Füllung nach dem Loslassen der Abdeckung ausläuft. Wir gehen insbesondere auf die Rolle der Kohäsions- und Adhäsionskräfte und den sich daraus ergebenen Laplace-Druck ein. Dieser bewirkt eine Druckabsenkung im Flüssigkeitsinneren und bestimmt die Tragkraft der Abdeckung. Darüber hinaus diskutieren wir den Fall des teilgefüllten Glases

Das umgedrehte Wasserglas: Erweiterungen und Hintergrundwissen für Lehrkräfte und Studierende

In Ergänzung einer Versuchsreihe für die Klassenstufe 8 beschreiben wir hier für Lehrkräfte und Lehramtsstudierende die fachwissenschaftlichen Hintergründe eines bekannten  Demonstrationsexperimentes, bei dem ein mit Wasser gefülltes Glas lose abgedeckt und umgedreht wird, ohne dass die Füllung nach dem Loslassen der Abdeckung ausläuft. Wir gehen insbesondere auf die Rolle der Kohäsions- und Adhäsionskräfte und den sich daraus ergebenen Laplace-Druck ein. Dieser bewirkt eine Druckabsenkung im Flüssigkeitsinneren und bestimmt die Tragkraft der Abdeckung. Darüber hinaus diskutieren wir den Fall des teilgefüllten Glases

Das umgedrehte Wasserglas – ein Irrweg im Physikunterricht? Fehlvorstellungen zum Druck und Anregungen für den Unterricht

Die Vorstellung, allein die Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule bestimme den Druck an ihrer Unterseite, ist falsch, aber leider weit verbreitet. Die mangelnde Unterscheidung zwischen dem Schweredruck einer Flüssigkeit und dem in ihr herrschenden Druck wird u.a. dadurch begünstigt, dass der Schweredruck in der Schule in der Regel vor Einführung des Luftdrucks behandelt wird. Zu grundsätzlichen Verständnisschwierigkeiten kommt es in Situationen, in denen oberhalb des gewohnten Referenzniveaus, also der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft, scheinbar frei stehende Flüssigkeitssäulen auftreten. Beispiele hierfür sind das Herausziehen eines einseitig verschlossenen Schlauches aus einem Wasserbecken oder auch das wegen seines Überraschungseffekts beliebte Handexperiment, bei dem ein mit einer dünnen Folie abgedecktes Wasserglas umgedreht wird, ohne dass die Abdeckung abfällt und das Wasser ausläuft. Die in vielen Schulbüchern und Fachartikeln angeführte Erklärung, der Luftdruck sei viel größer als der Druck, den die Wassersäule ausübe, ist falsch und erzeugt gerade die genannte Fehlvorstellung. Wir stellen eine Versuchsreihe vor, mit der in der Klassenstufe 8 das Zusammenspiel von Luft- und Schweredruck in Flüssigkeiten vertieft behandelt und die Phänomene erklärt werden können

Zu den Ursachen der elektromagnetischen Induktion. Ein Gesamtüberblick und Empfehlungen zur Einführung des Faraday‘schen Gesetzes

Gemäß dem Faraday‘schen Gesetz rufen Änderungen des magnetischen Flusses in Leiterschleifen Induktionsspannungen hervor. Bereits einfache Experimente zeigen allerdings, dass ein Unterschied zwischen dem Fluss des End- und des Ausgangszustands keine hinreichende Bedingung für das Auftreten von Induktion ist. Wir nehmen dies zum Anlass, den komplexen fachlichen Hintergrund insbesondere für Studierende und Referendare in kompakter Form aufzubereiten. Entscheidend für alle Induktionsphänomene ist eine auf Ladungen lokal einwirkende elektromagnetische Kraft, die eindeutig mit der integralen Größe Induktionsspannung verknüpft ist. Die in der Oberstufe und in universitären Anfängervorlesungen übliche Vereinfachung des Begriffs Flussänderung macht aus dem Faraday‘schen Gesetz eine nicht mehr allgemeingültige Flussregel, was zum Abbau der fachlichen Komplexität durchaus angebracht ist. Um Fehlinterpretationen und Verständnisschwierigkeiten zu vermeiden, empfehlen wir aber, bereits bei der Einführung des Begriffs Flussänderung den Bezug zur wirkenden Kraft herzustellen. Dies ist auch ohne mathematischen Aufwand möglich und trägt zu einem kohärenten Gesamtbild der elektromagnetischen Induktion bei

Das umgedrehte Wasserglas – ein Irrweg im Physikunterricht? Fehlvorstellungen zum Druck und Anregungen für den Unterricht

Die Vorstellung, allein die Gewichtskraft einer Flüssigkeitssäule bestimme den Druck an ihrer Unterseite, ist falsch, aber leider weit verbreitet. Die mangelnde Unterscheidung zwischen dem Schweredruck einer Flüssigkeit und dem in ihr herrschenden Druck wird u.a. dadurch begünstigt, dass der Schweredruck in der Schule in der Regel vor Einführung des Luftdrucks behandelt wird. Zu grundsätzlichen Verständnisschwierigkeiten kommt es in Situationen, in denen oberhalb des gewohnten Referenzniveaus, also der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft, scheinbar frei stehende Flüssigkeitssäulen auftreten. Beispiele hierfür sind das Herausziehen eines einseitig verschlossenen Schlauches aus einem Wasserbecken oder auch das wegen seines Überraschungseffekts beliebte Handexperiment, bei dem ein mit einer dünnen Folie abgedecktes Wasserglas umgedreht wird, ohne dass die Abdeckung abfällt und das Wasser ausläuft. Die in vielen Schulbüchern und Fachartikeln angeführte Erklärung, der Luftdruck sei viel größer als der Druck, den die Wassersäule ausübe, ist falsch und erzeugt gerade die genannte Fehlvorstellung. Wir stellen eine Versuchsreihe vor, mit der in der Klassenstufe 8 das Zusammenspiel von Luft- und Schweredruck in Flüssigkeiten vertieft behandelt und die Phänomene erklärt werden können

Zur Anregung thermomechanischer Schwingungen: Wärmekonvektion, Wärmeübertrag und Modulationsformen

Wir untersuchen thermomechanische Schwingungen, bei denen eine eingespannte Saite durch einen Gleichstrom erwärmt und so angeregt wird, dass mechanische Oszillationen mit Temperaturvariationen gekoppelt sind. Ursache des Phänomens ist der geschwindigkeitsabhängige Wärmeübertrag an die Umgebungsluft. Wir untersuchen die Frage, wie es zur resonanten Anregung kommt und inwieweit sich das Anregungsspektrum von dem einer rein mechanischen Resonanz unterscheidet. Dazu stellen wir auch vergleichende Experimente vor, bei denen eine Saite mit  einer Lautsprechermembran verbunden und durch diese zur parametrischen Resonanz gebracht wird (eine Variation des Experiments von Melde)

Influence of the Laplace pressure on the elasticity of argon in nanopores

At the beginning of an isothermal desorption process with the adsorbate argon, the nanopores of the porous glass sample remain virtually completely filled over a certain pressure range. A reduction of the external pressure p below the bulk vapour pressure of argon, p0, results, however, in the formation of concave menisci at the pore ends. The related decrease of the radius of curvature causes an increase of the negative Laplace pressure. This occurance is known to provoke a contraction of porous samples. Here we show that the Laplace pressure also influences the elastic properties of the filled porous sample. A decrease of the radius of curvature at the pore ends becomes noticeable in a decrease of the effective longitudinal modulus. The analysis of our ultrasonic measurements reveals that this decrease of the effective longitudinal modulus originates in a reduction of the longitudinal modulus of the adsorbate