Naturgesetze in der Kaffeetasse Folien · PDF fileInstitut für Didaktik der Physik Naturgesetze in derNaturgesetze in der Kaffeetasse Zur physikalischen Dimension desZur physikalischen

Institut fürInstitut fürDidaktik der PhysikDidaktik der Physik

Naturgesetze in derNaturgesetze in derNaturgesetze in der Naturgesetze in der Kaffeetasse Kaffeetasse

Zur physikalischen Dimension desZur physikalischen Dimension des Alltäglichen

Für das Können gibt es einen Beweis,Für das Können gibt es einen Beweis,das Tun das Tun

08.09.201508.09.2015 H. Joachim Schlichting WWU MünsterH. Joachim Schlichting WWU Münster 11

Marie von EbnerMarie von Ebner--EschenbachEschenbach

Zur Problematik des Lehrens und LernensZur Problematik des Lehrens und LernensWesentliches Problem des Physiklernens: Wesentliches Problem des Physiklernens: Im Gegensatz zum Anspruch, die natürliche und wissenschaftliche Welt zuIm Gegensatz zum Anspruch, die natürliche und wissenschaftliche Welt zuIm Gegensatz zum Anspruch, die natürliche und wissenschaftliche Welt zu Im Gegensatz zum Anspruch, die natürliche und wissenschaftliche Welt zu beschreiben, beschreiben, •• bleibt Physik auf den Physikunterricht beschränkt.bleibt Physik auf den Physikunterricht beschränkt.

Damit wird gegen Damit wird gegen •• bildungspolitische (Physik muss auf Lebenswelt bezogen werden) undbildungspolitische (Physik muss auf Lebenswelt bezogen werden) und

Lernen im außerphysikalischen Kontext, insbesondere: AlltagsphysikLernen im außerphysikalischen Kontext, insbesondere: Alltagsphysik..

g p ( y g )g p ( y g )•• lerntheoretische (ohne Wiederbegegnung kein Behalten) Ziele verstoßen.lerntheoretische (ohne Wiederbegegnung kein Behalten) Ziele verstoßen.

Lernen im außerphysikalischen Kontext, insbesondere: AlltagsphysikLernen im außerphysikalischen Kontext, insbesondere: Alltagsphysik. .


Zur Problematik des Lehrens und LernensZur Problematik des Lehrens und Lernens„Alltagsphysik“ wird seit langem propagiert. Dabei wird oft unterstellt:„Alltagsphysik“ wird seit langem propagiert. Dabei wird oft unterstellt:Der Alltag habe aufgrund seiner Vertrautheit das Physikalische bereits Der Alltag habe aufgrund seiner Vertrautheit das Physikalische bereits g g yg g yablesbar an sich und sei ablesbar an sich und sei physikalisch einfach zugänglich. physikalisch einfach zugänglich.

Wir wollen etwas verstehen, was schon offen vor unsern Augen liegt. Wir wollen etwas verstehen, was schon offen vor unsern Augen liegt. , g g, g gDenn DAS scheinen wir, in irgendeinem Sinne, nicht zu verstehen.Denn DAS scheinen wir, in irgendeinem Sinne, nicht zu verstehen.Ludwig Wittgenstein.Ludwig Wittgenstein.

Das Problem Das Problem –– der Alltag ist der blinde Fleck unserer Wahrnehmung: der Alltag ist der blinde Fleck unserer Wahrnehmung: Er ist wie eine vertraute Tapete Er ist wie eine vertraute Tapete pp•• selbstverständlich,selbstverständlich,•• wird fraglos akzeptiert, ist daherwird fraglos akzeptiert, ist daher•• unspektakulär bis langweilig und normalerweise unspektakulär bis langweilig und normalerweise •• nicht geeignet, (physikalische) Fragen zu eröffnen.nicht geeignet, (physikalische) Fragen zu eröffnen.


Zur Problematik des Lehrens und LernensZur Problematik des Lehrens und LernensMotivierend sind demgegenüber für die Lernenden Gegenstände, die Motivierend sind demgegenüber für die Lernenden Gegenstände, die •• neu (nicht zu neu) sind und daher neugierig machen,neu (nicht zu neu) sind und daher neugierig machen,•• Überraschung und Verblüffung auslösen undÜberraschung und Verblüffung auslösen und•• zum Staunen und Wundern Anlass geben (Edelmann 2000). zum Staunen und Wundern Anlass geben (Edelmann 2000).

Wie kann es gelingen, Lernende auf das Alltägliche neugierig zu machen?Wie kann es gelingen, Lernende auf das Alltägliche neugierig zu machen?

Das Vertraute als etwa Unvertrautes darstellen durch verschiedene Formen Das Vertraute als etwa Unvertrautes darstellen durch verschiedene Formen d V f dd V f dder Verfremdung:der Verfremdung:•• Kontextwechsel,Kontextwechsel,•• Ansichtswechsel (extreme Nähe oder Ferne Ausschnitt Überhöhung)Ansichtswechsel (extreme Nähe oder Ferne Ausschnitt Überhöhung)•• Ansichtswechsel (extreme Nähe oder Ferne, Ausschnitt, Überhöhung),Ansichtswechsel (extreme Nähe oder Ferne, Ausschnitt, Überhöhung),•• vermeintliche Inkonsistenzen, vermeintliche Inkonsistenzen, •• Inszenierung (spektakulär, aisthetische Wirkung),Inszenierung (spektakulär, aisthetische Wirkung),g ( p , g),g ( p , g),•• ungewöhnliche (rätselhaft, seltsam erscheinende) Situationen.ungewöhnliche (rätselhaft, seltsam erscheinende) Situationen.


Das Seltsame fordert uns heraus, und wir fordern ihm das Einfache ab.Das Seltsame fordert uns heraus, und wir fordern ihm das Einfache ab.Martin WagenscheinMartin Wagenschein

Abschweifungen beim CappuccinotrinkenAbschweifungen beim CappuccinotrinkenExperiment: Cappuccino umrühren,Experiment: Cappuccino umrühren,•• danach mit dem Löffel gegen die Wand/den danach mit dem Löffel gegen die Wand/den

EE Boden schlagen und Boden schlagen und dabei aufmerksam zuhören.dabei aufmerksam zuhören.Diese „Spieluhr“ kann erneut aufgezogen werdenDiese „Spieluhr“ kann erneut aufgezogen werden

EE

CappucinoCappucino Effekt, Hot chocolate Effekt, Hot chocolate EffectEffect

Alternativ: Umrühren vonAlternativ: Umrühren von•• Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,•• Sprudelwasser mit SalzSprudelwasser mit Salz•• Heiße Schokolade nach Einfüllen Heiße Schokolade nach Einfüllen des Pulversdes Pulvers


Abschweifungen beim CappuccinotrinkenAbschweifungen beim CappuccinotrinkenExperiment: Cappuccino umrühren,Experiment: Cappuccino umrühren,•• danach mit dem Löffel gegen die Wand/den danach mit dem Löffel gegen die Wand/den

EE Boden schlagen und Boden schlagen und dabei aufmerksam zuhören.dabei aufmerksam zuhören.Diese „Spieluhr“ kann erneut aufgezogen werdenDiese „Spieluhr“ kann erneut aufgezogen werden

EE

CappucinoCappucino Effekt, Hot chocolate Effekt, Hot chocolate EffectEffect

Alternativ: Umrühren vonAlternativ: Umrühren von•• Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,Wasser mit Brausetablette,•• Sprudelwasser mit SalzSprudelwasser mit Salz•• Heiße Schokolade nach Einfüllen Heiße Schokolade nach Einfüllen des Pulversdes Pulvers


Zur Geschwindigkeit der TöneZur Geschwindigkeit der TöneFrequenz Frequenz ff nimmt zu nimmt zu Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit ccnimmt wnimmt wegen egen c = f c = f λλ ((λλ = = konstantkonstant) ) zu.zu.D ü d h t W il L ftblä hD ü d h t W il L ftblä h

.

Das würde man auch erwarten: Weil Luftbläschen Das würde man auch erwarten: Weil Luftbläschen entweichen nehmen Dichte entweichen nehmen Dichte ρ ρ und und cc zu, denn im zu, denn im (dichteren) Wasser ist sie größer als in der Luft. (dichteren) Wasser ist sie größer als in der Luft.

Aber: Aber: Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit sinkt mit sinkt mit zunehmender Dichte zunehmender Dichte ρρundund KompressibilitätKompressibilität κκ

1c

Trotzdem: Trotzdem: ccWW > > ccLL weil c c auch mit auch mit κκ abnimmt. abnimmt. Wasser hat aber ein sehr kleines Wasser hat aber ein sehr kleines κκ ((inkompressibel)

undund Kompressibilität Kompressibilität κκ

Durch Einbringen der Luftblasen Durch Einbringen der Luftblasen (Rühren) sinkt (Rühren) sinkt Dichte Dichte nur wenig, Kompressibilität nur wenig, Kompressibilität steigt aber stark an steigt aber stark an Weitere Weitere MöglichkeitenMöglichkeiten

Geschwindigkeit Geschwindigkeit und Tonhöhe nehmen abund Tonhöhe nehmen ab Aufsteigen und Verschwinden der Aufsteigen und Verschwinden der Blasen Blasen Kompressibilität sinkt Kompressibilität sinkt Tonhöhe steigtTonhöhe steigt


Tonhöhe steigtTonhöhe steigt

Zur Melodie des WasserkochensZur Melodie des Wasserkochens

100f/kHzf/kHz

Es werden Frequenzen, Häufigkeit der Töne und Lautstärke aufgezeichnetEs werden Frequenzen, Häufigkeit der Töne und Lautstärke aufgezeichnetT/T/°°CC

60708090

100

33

2030405060

T in

°C22

11 ss0

1020

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110iSt tSt t

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100100

ss

t/st/st insStartStart

RuheRuhe BlubbernBlubbern

1. Gelöste Luft sammelt sich in Blasen und steigt auf.1. Gelöste Luft sammelt sich in Blasen und steigt auf.2 E D fbl i f d i l di2 E D fbl i f d i l di W l ?W l ?

1. Kavitation1. Kavitation 2. Kavitation2. Kavitation

2. Erste Dampfblasen steigen auf und implodieren. 2. Erste Dampfblasen steigen auf und implodieren. Warum so laut?Warum so laut?

4. 4. Zunahme der implodierenden Blasen, nur wenige Frequenzen verstärkt. Zunahme der implodierenden Blasen, nur wenige Frequenzen verstärkt. 3. Konvektion setzt ein, zunächst weniger implodierende Dampfblasen3. Konvektion setzt ein, zunächst weniger implodierende Dampfblasen


p , g qp , g q5. 5. Dampfblasen erreichen die Oberfläche und entweichen Dampfblasen erreichen die Oberfläche und entweichen BlubbernBlubbern

TantalusbecherTantalusbecher -- erzieht zur Mäßigungerzieht zur MäßigungEE


SiphonierenSiphonieren ohne Flüssigkeitohne Flüssigkeitlange Seite ist schwerer als kurze lange Seite ist schwerer als kurze

Kette wird aus Becher gezogen.Kette wird aus Becher gezogen.EE

Warum steigt sie in die Höhe?Warum steigt sie in die Höhe?

Ist das Verhalten mit dem EnergieIst das Verhalten mit dem Energie-- und und Impulssatz verträglich?Impulssatz verträglich?

Zusätzlich zur „ziehenden“ Kraft tritt stoßende Zusätzlich zur „ziehenden“ Kraft tritt stoßende Kraft aufKraft auf

Impulssatz verträglich?Impulssatz verträglich?

Kraft auf. Kraft auf. Ursache für Lift liegt in Konstruktion der Kette.Ursache für Lift liegt in Konstruktion der Kette.

KugelkettengliederKugelkettengliederKugelkettenglieder Kugelkettenglieder können eine minimale können eine minimale Krümmung nicht Krümmung nicht

t h it Sit h it Siunterschreiten: Sie unterschreiten: Sie bestehen aus bestehen aus einzelnen „Stäbchen“.einzelnen „Stäbchen“.


EE LinealLineal

Schnelles Abkühlen des GetränksSchnelles Abkühlen des GetränksWas macht man, wenn der Kaffee zu heiß ist?Was macht man, wenn der Kaffee zu heiß ist?•• SchlürfenSchlürfen•• PustenPusten•• RührenRühren

Fü d Ph ik t i ht bi t i h hi h di kl i h “ ThFü d Ph ik t i ht bi t i h hi h di kl i h “ ThFür den Physikunterricht bieten sich hier auch die „klassischen“ Themen Für den Physikunterricht bieten sich hier auch die „klassischen“ Themen an:an:•• Kühlen durch Hinzufügen von Milch und Zucker (Was sollte zuerst hinzu Kühlen durch Hinzufügen von Milch und Zucker (Was sollte zuerst hinzu gegeben werden.gegeben werden.•• Berechnung der AbkühlkurveBerechnung der Abkühlkurve•• Mischungsversuche Mischungsversuche gg•• Eiswürfel in ErfrischungsgetränkenEiswürfel in Erfrischungsgetränken


SchlussbemerkungenSchlussbemerkungenDer Alltag ist erfüllt von naturwissenschaftlich interessanten Ansichten, man Der Alltag ist erfüllt von naturwissenschaftlich interessanten Ansichten, man muss ihrer nur ansichtig werden.muss ihrer nur ansichtig werden.

E t d d h d t t E h i t tE t d d h d t t E h i t t

Dabei hilft ein zumindest grobes naturwissenschaftliches Verständnis. Die Dabei hilft ein zumindest grobes naturwissenschaftliches Verständnis. Die Belichtung der Netzhäute reicht nicht aus.Belichtung der Netzhäute reicht nicht aus.

Erst dadurch, dass man vertraute Erscheinungen aus unvertrauter Erst dadurch, dass man vertraute Erscheinungen aus unvertrauter Perspektive sieht, erschließt sich das Vertraute möglicherweise als nicht Perspektive sieht, erschließt sich das Vertraute möglicherweise als nicht nur interessanter, sondern auch ästhetisch ansprechender Aspektnur interessanter, sondern auch ästhetisch ansprechender Aspekt

In der Alltagsphysik gehtIn der Alltagsphysik geht eses „ immer um die Selbstverständlichkeit, die man„ immer um die Selbstverständlichkeit, die manIn der Alltagsphysik geht In der Alltagsphysik geht es es „ immer um die Selbstverständlichkeit, die man „ immer um die Selbstverständlichkeit, die man hinnimmt und über die plötzlich hinnimmt und über die plötzlich aufzustaunenaufzustaunen so schwer ist“.so schwer ist“.

Hans BlumenbergHans Blumenberg


Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitVielen Dank für Ihre AufmerksamkeitVielen Dank für Ihre AufmerksamkeitVielen Dank für Ihre AufmerksamkeitEigene Literatur zur Vertiefung und weiteren Eigene Literatur zur Vertiefung und weiteren AnregungAnregungAnregungAnregung

Schlichting, H. J.: Naturgesetze in der Kaffeetasse. Schlichting, H. J.: Naturgesetze in der Kaffeetasse. Physikalische Überraschungen im Alltag. Heidelberg:Physikalische Überraschungen im Alltag. Heidelberg:Physikalische Überraschungen im Alltag. Heidelberg: Physikalische Überraschungen im Alltag. Heidelberg: Spektrum 2014Spektrum 2014

Schlichting, H. J.: Wenn der Pool ins Schwimmen gerät. Schlichting, H. J.: Wenn der Pool ins Schwimmen gerät. Darmstadt: Primus 2012Darmstadt: Primus 2012

UckeUcke/Schlichting: Spiel, Physik und Spaß. Physik zum /Schlichting: Spiel, Physik und Spaß. Physik zum Mitmachen und Mitdenken Berlin:Mitmachen und Mitdenken Berlin: WileyWiley 20112011Mitmachen und Mitdenken. Berlin: Mitmachen und Mitdenken. Berlin: WileyWiley 20112011

Für weitere Probleme Aufgaben Anregungen:Für weitere Probleme Aufgaben Anregungen:

Fragen, Anforderung von Materialien:Fragen, Anforderung von Materialien:

Für weitere Probleme, Aufgaben, Anregungen:Für weitere Probleme, Aufgaben, Anregungen:hjschlichting.wordpress.comhjschlichting.wordpress.com ((VerschiedenesVerschiedenes))


g gg gschlichting@[email protected]

Kavitation ist im SpielKavitation ist im SpielExperiment: Experiment: Wassersäule im Wassersäule im Gleichgewicht mit seinem Dampf wird Gleichgewicht mit seinem Dampf wird

EE

nach oben beschleunigt nach oben beschleunigt UnterdruckUnterdruckSiedepunkterniedrigungSiedepunkterniedrigungg gg g Sieden und Verdampfen von WasserSieden und Verdampfen von Wasser

Wassersäule fällt wieder herabWassersäule fällt wieder herab DruckerhöhungDruckerhöhung DruckerhöhungDruckerhöhung Kondensation und Implosion der Kondensation und Implosion der DampfblaseDampfblase Flüssigkeit prallt Flüssigkeit prallt ungedämpftungedämpft gegen gegen die Glaswanddie Glaswand klirrendes Geräusch (Wasserhammer)klirrendes Geräusch (Wasserhammer)

FazitFazit: : Kavitation: Schlagartiges Entstehen und Vergehen von Dampfblasen Kavitation: Schlagartiges Entstehen und Vergehen von Dampfblasen


Kavitation in zahlreichen anderen Kavitation in zahlreichen anderen KontextenKontexten

Kühlen einer Flüssigkeit durch BlasenKühlen einer Flüssigkeit durch BlasenDamit Flüssigkeit dampfförmig wird, ist Energie Damit Flüssigkeit dampfförmig wird, ist Energie nötig. Diese wird der Umgebung nötig. Diese wird der Umgebung entzogen entzogen Temperatur derTemperatur der Flüssigkeit sinktFlüssigkeit sinktHeißer wird Dampf Heißer wird Dampf weggeblasen, weggeblasen, mit ihm viel mit ihm viel Energie (latente Wärme) Energie (latente Wärme) kühle Luft strömt kühle Luft strömt

Temperatur der Temperatur der Flüssigkeit sinktFlüssigkeit sinkt

Andererseits: Atemluft ist warm man kann mitAndererseits: Atemluft ist warm man kann mit

nach nach Luftfeuchte sinkt Luftfeuchte sinkt Verdunstungsrate Verdunstungsrate steigt steigt Temperatur sinktTemperatur sinktAndererseits: Atemluft ist warm, man kann mit Andererseits: Atemluft ist warm, man kann mit ihr z.B. trockene kalte Hände erwärmen (ihr z.B. trockene kalte Hände erwärmen (ÄsopÄsop).).Experimente: Experimente: pp•• Abkühlung einer Flüssigkeit in offenem Gefäß Abkühlung einer Flüssigkeit in offenem Gefäß ohne und mit Blasen (Haartrockner) ohne und mit Blasen (Haartrockner) größere Temperaturabnahme mit Blasengrößere Temperaturabnahme mit Blasengrößere Temperaturabnahme mit Blasengrößere Temperaturabnahme mit Blasen•• Wegblasen von Wegblasen von EtherdämpfenEtherdämpfen in flache Schale in flache Schale auf Wasserfilm auf Wasserfilm Schale friert festSchale friert festB i i l fü V d t kühlB i i l fü V d t kühl V til t Kühl h kV til t Kühl h k


Beispiele für Verdunstungskühlung: Beispiele für Verdunstungskühlung: Ventilator, Kühlschrank,Ventilator, Kühlschrank,frischer Wind beim Schwitzenfrischer Wind beim Schwitzen

Schlürfen gehört sich nicht!Schlürfen gehört sich nicht!Schlürfen ist eine effektive Methode den Schlürfen ist eine effektive Methode den Tee sehr heiß zu trinken.Tee sehr heiß zu trinken.•• Tee in dem durch Saugen erzeugten Tee in dem durch Saugen erzeugten Luftstrom Luftstrom zersprühtzersprüht. . •• Durch Variation von Einlassöffnung und Durch Variation von Einlassöffnung und Abstand zum Getränk kann Menge Abstand zum Getränk kann Menge Mischung von Luft und Flüssigkeit Mischung von Luft und Flüssigkeit gesteuert werden und wohldosiert in gesteuert werden und wohldosiert in gesteue t e de u d o dos e tgesteue t e de u d o dos e tTropfen aufgenommen werden. Tropfen aufgenommen werden. •• Wärmekapazität der kleinen Tropfen ist gering (ähnlich Feuerfunken).Wärmekapazität der kleinen Tropfen ist gering (ähnlich Feuerfunken).

Weiterer VorteilWeiterer Vorteil: Entfaltung des Aromas durch Sauerstoff, außerdem: : Entfaltung des Aromas durch Sauerstoff, außerdem: AromarezeptorenAromarezeptoren in Rachenraum und Nase werden erreichtin Rachenraum und Nase werden erreichtBei der Verkostung z.B. von Kaffeesorten wird diese Technik ausgenutztBei der Verkostung z.B. von Kaffeesorten wird diese Technik ausgenutztDies gilt auch für Kaltgetränke: Dies gilt auch für Kaltgetränke: Lieber ein Glas Sekt schlürfen, als Lieber ein Glas Sekt schlürfen, als abwarten und Tee trinken!abwarten und Tee trinken!


abwarten und Tee trinken!abwarten und Tee trinken!

Rühren Rühren –– ein effektiver Kühlmechanismusein effektiver KühlmechanismusNatürliches „Rühren“: Konvektion, tritt meist von selbst aufNatürliches „Rühren“: Konvektion, tritt meist von selbst auf

Konvektion ist umso stärker je größer TemperaturdifferenzKonvektion ist umso stärker je größer TemperaturdifferenzKonvektion ist umso stärker, je größer TemperaturdifferenzKonvektion ist umso stärker, je größer TemperaturdifferenzKonvektion führt zu einer Paradoxie: Mpemba Konvektion führt zu einer Paradoxie: Mpemba –– Effekt.Effekt.Heißes Wasser (z.B. 70Heißes Wasser (z.B. 70°° C) gefriert unter ansonsten gleichen C) gefriert unter ansonsten gleichen (( ) g g) g gBedingungen schneller durch als kaltes Wasser (20Bedingungen schneller durch als kaltes Wasser (20°°C).C).Schon von Aristoteles bemerkt: Schon von Aristoteles bemerkt: »Wenn das Wasser vorher erwärmt ist,»Wenn das Wasser vorher erwärmt ist,dann kühlt es schneller abdann kühlt es schneller ab

In 1960er Jahren von In 1960er Jahren von ErastoErasto Mpemba wiederentdeckt. Seitdem Mpemba wiederentdeckt. Seitdem Gegenstand der ForschungGegenstand der Forschung

dann kühlt es schneller ab.«dann kühlt es schneller ab.«

Gegenstand der ForschungGegenstand der Forschung

Thesen:Thesen:•• UnterkühlungUnterkühlungU te ü u gU te ü u g•• Gelöste StoffeGelöste Stoffe•• Flüssigkeitsverlust durch VerdunstungFlüssigkeitsverlust durch Verdunstung•• Konvektion von Julian Schneider (Rottweil) in JugendKonvektion von Julian Schneider (Rottweil) in Jugend--forschtforscht-- ArbeitArbeit


Konvektion von Julian Schneider (Rottweil) in JugendKonvektion von Julian Schneider (Rottweil) in Jugend--forschtforscht-- Arbeit Arbeit nachgewiesennachgewiesen

Aktuelle Ergebnisse zum Mpemba Aktuelle Ergebnisse zum Mpemba -- EffektEffekt

Temperaturabnahme als Funktion der Zeit (aus: Julian Schneider „JugendTemperaturabnahme als Funktion der Zeit (aus: Julian Schneider „Jugend--


Temperaturabnahme als Funktion der Zeit (aus: Julian Schneider „JugendTemperaturabnahme als Funktion der Zeit (aus: Julian Schneider „Jugendforscht“forscht“-- ArbeitArbeit

Lass knacken!Lass knacken!»Nachdem er … seine Finger, einen nach dem andern, nach »Nachdem er … seine Finger, einen nach dem andern, nach unten unten ineinandergesteckt ineinandergesteckt hatte, zog er, und die Finger knackten in den hatte, zog er, und die Finger knackten in den Gelenken. Diese Geste Gelenken. Diese Geste –– eine üble Angewohnheit eine üble Angewohnheit –– hatte stets eine hatte stets eine beruhigende Wirkung auf ihn ausgeübt und ihm das Gleichgewichtberuhigende Wirkung auf ihn ausgeübt und ihm das Gleichgewichtwieder verliehen, das ihm auch jetzt so notwendig war.«wieder verliehen, das ihm auch jetzt so notwendig war.«wieder verliehen, das ihm auch jetzt so notwendig war.wieder verliehen, das ihm auch jetzt so notwendig war.

Tolstoi: Anna KareninaTolstoi: Anna Karenina

Viele Viele Menschen empfinden Menschen empfinden das das Geräusch als unangenehm; Geräusch als unangenehm; es es erinnert erinnert an etwas Gewaltsames an etwas Gewaltsames wie brechende Knochen.wie brechende Knochen.

Das Das Knacken Knacken •• tritt tritt unwillkürlich unwillkürlich auf, auf, •• wird willkürlich erzeugt,wird willkürlich erzeugt,•• bereitet bereitet i. A. keine i. A. keine Schmerzen,Schmerzen,


•• die Gelenke bleiben eine Weile die Gelenke bleiben eine Weile nach der Aktion stumm.nach der Aktion stumm.

Ein Randphänomen?Ein Randphänomen?•• Erst spät Gegenstand der ForschungErst spät Gegenstand der Forschung•• Grund: vermutlich fehlende Schmerzen und Grund: vermutlich fehlende Schmerzen und VerletzungenVerletzungen•• keine abschließenden Ergebnisse über keine abschließenden Ergebnisse über gesundheitliche Einschränkungengesundheitliche Einschränkungengesundheitliche Einschränkungengesundheitliche Einschränkungen

Untersuchungen:Untersuchungen:Studie Studie »Annals of the Rheumatic Diseases«,»Annals of the Rheumatic Diseases«,1990, 300 Fingerknacker untersucht:1990, 300 Fingerknacker untersucht:

kein offensichtlicher Zusammenhang mitkein offensichtlicher Zusammenhang mit

Rö t f h FiRö t f h Fi

•• kein offensichtlicher Zusammenhang mit kein offensichtlicher Zusammenhang mit Auftreten von Arthritis.Auftreten von Arthritis.•• keine Anzeichen keine Anzeichen für Beeinträchtigungen für Beeinträchtigungen

Röntgenaufnahmen FingerRöntgenaufnahmen Fingervor dem Knacken (links)vor dem Knacken (links)Nach dem Knacken (rechts) Nach dem Knacken (rechts) Zwischenraum vergrößertZwischenraum vergrößert

g gg gder Gelenkkapseln der Gelenkkapseln und der Greiffähigkeit.und der Greiffähigkeit.

Keine abschließende Erklärung, aber:Keine abschließende Erklärung, aber:


Zwischenraum vergrößertZwischenraum vergrößertKeine abschließende Erklärung, aber:Keine abschließende Erklärung, aber:KavitationKavitation spielt eine wichtige Rollespielt eine wichtige Rolle..

Kavitation in den GelenkkapselnKavitation in den GelenkkapselnGelenkkapseln enthalten schmierende FlüssigkeitGelenkkapseln enthalten schmierende Flüssigkeit•• hält Gelenke auf Abstand,hält Gelenke auf Abstand,,,•• reduziert Reibungreduziert ReibungBeim Auseinanderziehen Beim Auseinanderziehen Volumenvergrößerung = UnterdruckVolumenvergrößerung = Unterdruck Lokales Verdampfen = DampfblaseLokales Verdampfen = Dampfblase

GG GG Austreten gelöster Gase Austreten gelöster Gase GasblasenGasblasen

Schnelle Druckzunahme Schnelle Druckzunahme D fbl k d iD fbl k d i I l iI l i S h k llS h k ll K kK k•• Dampfblasen kondensieren Dampfblasen kondensieren Implosion Implosion Schockwelle Schockwelle KnackenKnacken

•• freigewordene Gase werden wieder gelöst.freigewordene Gase werden wieder gelöst.

Implosion stärker als Explosion der Blasen: schlagartige Verringerung desImplosion stärker als Explosion der Blasen: schlagartige Verringerung desImplosion stärker als Explosion der Blasen: schlagartige Verringerung des Implosion stärker als Explosion der Blasen: schlagartige Verringerung des Volumens Volumens Flüssigkeit prallt von allen Seiten kommend aufeinanderFlüssigkeit prallt von allen Seiten kommend aufeinanderStarkes Knacken deutet auf energiereiche Vorgänge hinStarkes Knacken deutet auf energiereiche Vorgänge hin


11

Auswirkung von Kavitation auf GrenzflächenAuswirkung von Kavitation auf GrenzflächenIn der Nähe von festen Gegenständen keine kugelsymmetrische ImplosionIn der Nähe von festen Gegenständen keine kugelsymmetrische Implosion•• Nachströmen von Flüssigkeit wird behindert.Nachströmen von Flüssigkeit wird behindert.

•• Entstehung von Entstehung von hochenergetischen hochenergetischen Mikrojets,Mikrojets,•• schießen auf schießen auf Grenzfläche,Grenzfläche,•• bewirken Erosionbewirken Erosion

Ob Erosion bei häufigem Knacken schädlich ist? Ob Erosion bei häufigem Knacken schädlich ist?

In anderen Kontexten kann Erosion durch Kavitation In anderen Kontexten kann Erosion durch Kavitation zerstörendzerstörend aber auch aber auch nützlichnützlich seinsein


Schäden durch KavitationSchäden durch KavitationDie Implosion von Blasen in der Nähe von Gegenständen Die Implosion von Blasen in der Nähe von Gegenständen

Alufolie (0,02 mm breit), durch Alufolie (0,02 mm breit), durch highhigh--speedspeed--Flüssigkeitsjets demoliertFlüssigkeitsjets demoliert

Durch Kavitation zerstörte SchiffsschraubeDurch Kavitation zerstörte Schiffsschraube


Mit (UltraMit (Ultra--) Schall erzeugte Kavitation) Schall erzeugte KavitationSchallwelle breitet sich mit ÜberdruckSchallwelle breitet sich mit Überdruck-- und und Unterdruckphasen ausUnterdruckphasen ausUnterdruckphase: Siedepunkterniedrigung Unterdruckphase: Siedepunkterniedrigung Dampfblasen (Dampfblasen (schrittweiseschrittweise))Überdruckphase: KondensationÜberdruckphase: KondensationÜberdruckphase: Kondensation Überdruckphase: Kondensation Implosion der Blasen (Kavitation) Implosion der Blasen (Kavitation) Schockwellen mit FlüssigkeitsjetsSchockwellen mit FlüssigkeitsjetsSchockwellen mit FlüssigkeitsjetsSchockwellen mit Flüssigkeitsjets Jets knallen auf Grenzfläche, lösen Jets knallen auf Grenzfläche, lösen Schmutzpartikel abSchmutzpartikel ab

Wie beim Händewaschen: zusätzlich zur Wie beim Händewaschen: zusätzlich zur Mechanik, chemische Stoffe und WärmeMechanik, chemische Stoffe und Wärme

Schall > 20000 Hz = Ultraschall (unhörbar)Schall > 20000 Hz = Ultraschall (unhörbar)


Dampfblasen als filigrane Dampfblasen als filigrane StrukturenStrukturen11

Anwendungen der KavitationAnwendungen der KavitationMedizinMedizin•• Fettreduktion: Durch Ultraschall wird Flüssigkeit von Fettzellen in Fettreduktion: Durch Ultraschall wird Flüssigkeit von Fettzellen in S h i t tS h i t tK it ti bl b i I l i d BlK it ti bl b i I l i d Bl Schwingung versetzt Schwingung versetzt Kavitationsblasen, bei Implosion der Blasen Kavitationsblasen, bei Implosion der Blasen Zerstörung der ZellmembranenZerstörung der Zellmembranen•• Zertrümmerung von Nierensteinen (durch Ultraschall)Zertrümmerung von Nierensteinen (durch Ultraschall)

TechnikTechnikB V i h St ff i L b itt li d t iB V i h St ff i L b itt li d t i•• Bessere Vermischung von Stoffen in LebensmittelindustrieBessere Vermischung von Stoffen in Lebensmittelindustrie

•• Reinigung von Ballastwasser bei Tankschiffen,Reinigung von Ballastwasser bei Tankschiffen,•• Abtötung von MikroorganismenAbtötung von Mikroorganismen•• Ultraschallbäder zur Reinigung (z.B. Brillenreinigung..), Schmutzpartikel Ultraschallbäder zur Reinigung (z.B. Brillenreinigung..), Schmutzpartikel werden von der Oberfläche wegerodiertwerden von der Oberfläche wegerodiert

BiologieBiologieKnallkrebse: erzeugen Kavitationsblasen Knallkrebse: erzeugen Kavitationsblasen Schädigung von GegnerSchädigung von Gegner


((an der Schere entsteht beim Zuklappen Unterdruck an der Schere entsteht beim Zuklappen Unterdruck KavitationsblasenKavitationsblasen11

Die KettenfontäneDie Kettenfontäne

Die Kette besteht aus einzelnen kurzen Stäben.Die Kette besteht aus einzelnen kurzen Stäben.

Wenn Stäbe angehoben werden Wenn Stäbe angehoben werden DrehmomentDrehmomentggKraft auf Unterlage übt gleichgroße Kraft auf Stab aus.Kraft auf Unterlage übt gleichgroße Kraft auf Stab aus.

J d St b i d l i ht h b d h d U t lJ d St b i d l i ht h b d h d U t l

SeileSeile und Bänderund Bänder


Jeder Stab wird also nicht nur gehoben, sondern auch von der Unterlage Jeder Stab wird also nicht nur gehoben, sondern auch von der Unterlage abgestoßen abgestoßen Kette steigt an kurzer SeiteKette steigt an kurzer Seite ModellexperimentModellexperiment

Was passiert am unteren Ende?Was passiert am unteren Ende?Kettenfontäne: Start der stabförmigen Kettenglieder Kettenfontäne: Start der stabförmigen Kettenglieder entscheidend. entscheidend. Landung: Man sollte den umgekehrten Vorgang erwarten: Landung: Man sollte den umgekehrten Vorgang erwarten: kein Anschubs, sondern ein Sog. kein Anschubs, sondern ein Sog. Das legt auch die Rechnung nahe.Das legt auch die Rechnung nahe.

Realisierung eines ExperimentsRealisierung eines Experiments•• Zwei gleichlange Ketten werden Zwei gleichlange Ketten werden gleichzeitig fallen gelassen.gleichzeitig fallen gelassen.

Realisierung eines ExperimentsRealisierung eines Experiments

•• Die rechte Kette landet auf einen Tisch, Die rechte Kette landet auf einen Tisch, während die linke weiterfällt.während die linke weiterfällt.

Vorgang ist zu schnell, um direkt Vorgang ist zu schnell, um direkt beobachtet zu werdenbeobachtet zu werden


beobachtet zu werden beobachtet zu werden SlowSlow--MotionMotion--AufnahmenAufnahmen..

Der Sog an der KetteDer Sog an der KetteDas untere Ende der zwei gleich langen Ketten vom Start bis zur Landung Das untere Ende der zwei gleich langen Ketten vom Start bis zur Landung der Kette auf dem Tisch.der Kette auf dem Tisch.

Das Ende der frei fallenden Kette bleibt gegenüber der anderen ein StückDas Ende der frei fallenden Kette bleibt gegenüber der anderen ein StückDas Ende der frei fallenden Kette bleibt gegenüber der anderen ein Stück Das Ende der frei fallenden Kette bleibt gegenüber der anderen ein Stück zurück.zurück.

K tt l t t ff it d i E d f d i h dK tt l t t ff it d i E d f d i h dKettenelemente treffen mit dem einen Ende auf und ziehen am anderen…Kettenelemente treffen mit dem einen Ende auf und ziehen am anderen…

…wie beim Freihandexperiment:…wie beim Freihandexperiment: Schneller als der freie FallSchneller als der freie Fall


…wie beim Freihandexperiment: …wie beim Freihandexperiment: Schneller als der freie FallSchneller als der freie Fall

Schneller als der freie FallSchneller als der freie Fall

Ein an einem Ende Ein an einem Ende aufliegendes Brett fälltaufliegendes Brett fälltaufliegendes Brett fällt aufliegendes Brett fällt

Weil der Schwerpunkt Weil der Schwerpunkt des Bretts frei“ fällt fälltdes Bretts frei“ fällt fälltdes Bretts „frei fällt, fällt des Bretts „frei fällt, fällt das obere Ende das obere Ende schneller als die Kugel, schneller als die Kugel, di i d S h l l ddi i d S h l l ddie in der Schale landetdie in der Schale landet

Ähnlich geht es den beim Auftreffen brettartig versteiften Kugelbögen.Ähnlich geht es den beim Auftreffen brettartig versteiften Kugelbögen.

Dieses bekannte Freihandexperiment erhält hier den Status eines Dieses bekannte Freihandexperiment erhält hier den Status eines erklärenden Modellexperimentserklärenden Modellexperiments


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