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Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

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Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 14. Dez 2010, 19:22

Hallo zusammen,

ich bin so frei und eröffne einfach mal ein neues Quiz für allgemeine physikalische Fragen.
Warum?

Ganz einfach: Weil mich selbst schon eine ganze Weile ein Problem beschäftigt, das ich noch nicht enträtseln konnte. Wer hilft mir auf die Sprünge:

Wenn ich mein Auto wasche, wird es zuerst mit dem Gartenschlauch nass gemacht, um schon mal groben Staub und Schmutz abzuspülen. Dazu benutze ich ein Düse am Schlauchende, die nur schwach aufgedreht ist und so einen breiten, konischen und milden Sprühstrahl erzeugt.

Bin ich damit fertig, halte ich den Schlauch in einen Eimer, um den mit Wasser zu füllen. Wenn der nun etwas gefüllt ist und ich die Düse in das Wasser tunke, stellt sich der Spühstrahl meistens sofort um und erzeugt eine harten Strahl wie bei voll aufgedrehter Düse - obwohl ich die nicht angefasst bzw. verstellt habe.

Das passiert auch dann, wenn ich wieder mit dem milden Strahl die Kotflügel von innen ausspritze. Auch hier stellt sich plötzlich selbstständig der harte Sprühstrahl ein -ohne Verstellen der Düse.

Dafür hätte ich jetzt gern eine plausible Erklärung. Die Lösung kenne ich selbst wirklich nicht!

Ich habe auch noch ein physikalisches Würstchenproblem, das aber später mal...

Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 14. Dez 2010, 23:33

Erste Vermutung:

Um einen Sprühstrahl zu erzeugen, also kleine Tröpfchen, muss die Oberflächenspannung des Wassers überwunden werden. Das kostet Energie.
Dafür brauchst du eine bestimmte Druckdifferenz in der Düse mit einer sich daraus ergebenden Strömungsgeschwindigkeit. Außerdem muss natürlich auch Luft angesaugt werden, die sich dann mit dem Wasser vermischt.
Wenn du den Schlauchkopf in nen Eimer mit Wasser tunkst oder dem Kotflügelblech zu nahe kommst, dann entsteht ein Rückstau, was zu einer verminderten Druckdifferenz bzw. Strömungsgeschwindigkeit führt. Ist diese zu gering, dann reicht es nicht mehr zum Zerstäuben und du erhältst einen harten Sprühstrahl.
Härter ist dieser, weil die Energie, die normalerweise zum Tröpfchenerzeugen benutzt wird, nun in der kinetischen Energie des Wasserstrahls verbleibt.

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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 15. Dez 2010, 19:27

Hey, das hört sich ja schon richtig gut an!
Es könnte sich so verhalten. Aber - ziehe ich die Düse aus dem Wasser, müsste sich doch wieder der ursprüngliche Zustand einstellen, denn sie wurde ja effektiv nicht verstellt (ich habe sie bewusst schon mal festgehalten, um das zu testen). Aber der harte Strahl bleibt dann bestehen...

Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 15. Dez 2010, 22:12

Das hängt vermutlich mit der inhomogenen Geschwindigkeit des strömenden Wassers in dem Loch in der Düse zusammen.
In der Mitte der Düsenöffnung sind Geschwindigkeit und Druckabfall höher/schneller.
Durch die Geschwindigkeitsdifferenz von Mitte und Außenbereich des Strahls direkt in der Öffnung gibt es durch Impulsaustausch(könnte das als Reibung oder Scherkräfte auffassen) verursachtes Drehmoment, daß von der Mitte nach außen geht. Die Drehmomente in alle Richtungen addiert ergeben zwar null, versuchen aber den Strahl auseinander zu reißen.

Dem Auseinanderreißen wirkt der verminderte Druck in der Strahlmitte, Luftdruck von Außen und die Oberflächenspannung, die den Strahl rund hält entgegen. Solange der Strahl perfekt rund bleibt, kann sich in der Strahlmitte(Unterdruck) kein Bereich bilden, in den von außen Luft nachströmt.

Bricht die Oberflächenspannung zusammen und der Strahl nicht mehr rund, bricht das Druckdifferential zwischen Strahlmitte und Luft (das den Strahl zusammen hällt) durch hinein strömende Luft zusammen. Der Strahl sprüht dann.

Es ist von vielen Faktoren abhängig, ob die Störung des runden Strahlquerschnitts den Strahl zusammenbrechen/sprühen lässt. Grob kann man die Störung als Welle auffassen, die sich bis zur Düsenöffnung ausbreitet, wenn das Wasser langsamer fließt, als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung/Welle.

Wenn du das Wasser aufdrehst, veränderst du die Geschwindigkeit des Wassers und die Störung wird ans Strahlende 'ausgespült'. Wirkende Scherkräfte, Druckdifferentiale zwischen Luft-Strahlmitte und vor-hinter der Düse veränderst du beim aufdrehen auch.

Der große Trick ist eine Einstellung zu finden, bei der wellenförmige Störungen der Strahlquerschnittsform sich nahe der Düse schneller ausbreiten als weiter weg.
So kann man durch leichtes stauen des Strahls oder mit der Hand geschickt zwischen sprühen und Vollstrahl umschalten.

Hoffe die Formatierung is lesbar, bei Handy acht ich net so auf Absätze ^^
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 15. Dez 2010, 23:25

Puh!
Skel, ich meine du hast im Prinzip recht. Es sollte m. E. nur noch etwas besser veranschaulicht werden.

Ich versuchs noch etwas zu erläutern:

gravi, du bist mit deiner Schlauchdüseneinstellung offensichtlich in einem Grenzbereich in dem es zwei stabile (bzw. selbststabilisierende) Zustände gibt: A und B.

Wenn ich mich recht erinnere, dann sieht eine Schlauchdüse etwa so wie auf dem folgenden Bild aus: Man erhält direkt an der Düse einen ringförmigen Wasserstrahl.
Wasserstrahl.jpg
Wasserstrahl.jpg (36.17 KiB) 13618 mal betrachtet
Wenn du jetzt von B nach A kommst, indem du deinen Schlauch kurz in einen Eimer tunkst, dann stabilisiert sich dieser Zustand nachher selbst, wenn (wie man auf der Skizze erkennt) sich eine (geschlossene) Luftblase bilden kann. In dieser Luftblase herrscht ein Unterdruck, weil die dortige Luft vom Wasser mitgerissen wird, ohne dass neue Luft nachströmen kann. (Genauer: Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit bzw. dem hohen dynamischen Druck ist der statische Druck senkrecht zur Wasserstrahlrichtung geringer als der Umgebungsdruck. Siehe z.B. hier: dynamischer/statischer Druck, http://de.wikipedia.org/wiki/Str%C3%B6m ... nd_Venturi oder schau dir mal das Prinzip einer Wasserstrahlpumpe an: http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstrahlpumpe) Die dadurch entstehende Druckdifferenz zwischen Blase und Umgebung hält den Wasserstrahl direkt hinter der Düse zusammen und dichtet die Blase so auch nach vorne ab. Ergo: Der Zustand ist stabil, so lange der Unterdruck in der Düsenmitte (Blase) groß genug bleibt.

Wenn du nun diesen Zustand störst, indem du z.B. kurz mit dem Finger auf die Düse gehst, dann kann es sein, dass sich die Blase öffnet, der Unterdruck verschwindet und daher keine Kraft mehr existiert, die den Wasserstrahl einschnürt. Ergo: Das System wechselt in Zustand B. Auch dieser ist stabil, so lange sich keine neue Blase bilden kann.

So in etwa müsste es funktionieren...
Man kann es bestimmt auch überprüfen, indem man z.B. einen Strohhalm in die Düsenmitte/Blase so einbringt, dass sich dort kein genügender Unterdruck mehr bilden kann, weil dann genügend neue Luft einströmt.

P.S.: Mit meiner ersten Vermutung lag ich also wohl einigermaßen neben dem eigentlichen Problem. Der Kern zur Lösung des Problems muss m. E. in dem Unterdruckbereich in der Düsenmitte gesucht werden.

Grüße
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 16. Dez 2010, 18:26

Whow, das ist eine Erklärung!
Danke für die vielen Bemühungen, das klingt wirklich überzeugend. Ich denke auch, ein Zustand im Grenzbereich wird der Knackpunkt sein.

Fantastisch, wie viel Physik man doch in ein eigentlich so kleines Alltagsproblem reinpacken kann.

Okay, mit diesen Erläuterungen kann ich leben. Womit ich zum versprochenen Würstchenproblem komme:

Habt Ihr Euch schon mal gefragt, weshalb ein Würstchen auf dem Grill oder in der Pfanne überhaupt nach einiger Zeit unvermeidlich platzt? Nicht? Dann frage ich das jetzt mal die Gemeinde. Und lege gleich noch einen drauf: Wieso platzen die stets nur der Länge nach, niemals auf dem Umfang?

Zur Lösung schlage ich vor, einfach mal ne Wurst in die Pfanne legen und genauestens beobachten... beim Vertilgen kann man bestimmt besser nachdenken :lolol:

Schönen Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von tomS » 16. Dez 2010, 18:38

ich verstehe die Frage nicht; ich komme aus Nürnberg, habe einen Webergrill und war früher bei den Pfadfindern: bei mir platzen keine Würstchen!
Gruß
Tom

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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 16. Dez 2010, 19:49

Schwer zu umschreiben. ist ähnlich wie mit Luftbläschen im Wasser.
Oder noch besser:
Zwei Luftbläschen im Wasser kollidieren und kleben zusammen. Nach einiger Zeit löst sich die Oberflächenspannung zwischen den beiden.
Die kleinere Luftblase gibt ihren Inhalt in die größere ab; nicht umgekehrt. Das hat was mit dem Druck pro Oberflächenkrümmung zu tun.
Muss mir nachher in meiner Pause mal kurz angucken, wie man das geometrisch am besten umschreiben kann.
Bin nicht mehr der 3D Formelkonstrukteur wie früher, im Alter braucht man immer länger Zeit ^^
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 16. Dez 2010, 23:36

Was soll man sagen?

Entgegen der Meinung mancher Leute bestehen Würstchen nicht nur aus nahrhaftem Eiweiß und Fett, sondern enthalten auch eine große Menge Wasser, welches in dem Brei fein verteilt vorliegt (wie in ner Creme, falls es eine "feine" Bratwurst ist).

Nun, Wasser siedet bei 100° C. Es entsteht Überdruck: Die Wurst "will" sich ausdehnen.
Da das Wasser fein verteilt vorliegt dehnt sich alles Material aus, das den Siedepunkt erreicht. (So ähnlich kann man übrigens auch Schäume herstellen.)
So weit so gut.
gravi hat geschrieben:Wieso platzen die stets nur der Länge nach, niemals auf dem Umfang?
Das möchte ich anzweifeln: Ich habe auch schon gesehen, dass Würste manchmal auch am Umfang aufplatzen - aber gut.

Gegenfrage: Wenn du ein Wasserdämpfchen wärst, das in der Mitte der Wurst sitzt und aus der Wurst hinaus will, was wäre der kürzeste Weg?

Darin liegt wohl des Rätsels Lösung: Stell dir vor du hättest eine dicke Wurst, in deren Mitte (dreidimensional gesehen, also in allen Raumrichtungen der gleiche Abstand zur Wurstoberfläche!) ein beidseitig geschlossenes Gummischläuchlein eingelassen ist. So! Nun stell die vor das Schläuchlein wird aufgeblasen - wo gibt die Wurst nach?

Es ist wie bei einem Luftballon: Die günstigste Form eines Luftballons ist eine Kugel. Wenn man eine Wurstform hat, dann müsste sich der Querschnitt der Wurst vergrößern (und nicht die Länge), damit sich die Wurst einer Kugel annähern kann. Wenn sich der Querschnitt vergrößert, reißt irgendwann die Haut - und zwar in Längsrichtung. Anders gesagt: Senkrecht zur Wurst-Längsrichtung wirken größere Kräfte als parallel dazu.
Darin müsste m. E. der Grund liegen...
Genauer können dir das bestimmt unsere besser in Geometrie bewanderten Leute erklären.

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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 17. Dez 2010, 04:25

hab ne Weile überlegt und bin auf mehrere Erklärungsversuche gekommen. Leider sind die interessantesten gar net der wirkliche Grund.
Bevor alle anderen Mechanismen greifen liegt es wohl daran, daß man das Würstchen der Länge nach erwärmt...
Immer nur eine Seite liegt längs auf dem Grill auf oder ist dem Feues zugewandt. Wegen der molekularen Veränderung der Oberfläche hat man hier längs die größten Scherkräfte zwischen verhärteter/angetrockneter geschrumpfter Schale und normaler. Die Wurst reißt dann am Übergang zwischem hart/spröde gewordenem und noch weichen nicht geschrumpften Material der Oberfläche.
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 17. Dez 2010, 08:36

Hmm...
Wenn du aber ein Wiener Würstchen (zu lange) in Wasser kochst hast du den gleichen Effekt: Es platzt meistens längs auf.
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 17. Dez 2010, 09:33

Es ist die Geometrie und hängt damit zusammen, dass ein Volumen mit ^3 wächst , eine Oberfläche nur quadratisch.
Der Stress, den die Oberfläche erfährt ist dort am größten, wo die Krümmung am stärksten ist.

Thin-Walled Pressure Vessels:
The hoop stress is twice as much as the longitudinal stress for the cylindrical pressure vessel. This is why an overcooked hotdog usually cracks along the longitudinal direction first (i.e. its skin fails from hoop stress, generated by internal steam pressure).
http://www.efunda.com/formulae/solid_me ... vessel.cfm

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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 17. Dez 2010, 18:04

@ seeker: :verygood:
Genau das ist es. Dass die Wurscht überhaupt platzt liegt an den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Inhalt und Pelle. Der Inhalt dehnt sich weit mehr aus, als die Pelle mitmachen kann und so wird sie halt etwas nachgiebig. Der entstehende Wasserdampf spielt bei der Ausdehnung natürlich mit.

Das Platzen in Längsrichtung ist eine rein geometrische Frage. Die Wurst ist im Grunde ein Zylinder. Seeker hat völlig korrekt erkannt, dass solche Körper stets in Längsrichtung bersten:
Es ist die Geometrie und hängt damit zusammen, dass ein Volumen mit ^3 wächst , eine Oberfläche nur quadratisch.
Der Stress, den die Oberfläche erfährt ist dort am größten, wo die Krümmung am stärksten ist.
Na, ich sehe schon, für Euch Fachleute muss man sich schon etwas Schwierigeres ausdenken.
Nun, vielleicht hat jemand anderes ein Problem, das gelöst werden will?

Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 17. Dez 2010, 19:07

gravi hat geschrieben: Das Platzen in Längsrichtung ist eine rein geometrische Frage. Die Wurst ist im Grunde ein Zylinder. Seeker hat völlig korrekt erkannt, dass solche Körper stets in Längsrichtung bersten:
Es ist die Geometrie und hängt damit zusammen, dass ein Volumen mit ^3 wächst , eine Oberfläche nur quadratisch.
Der Stress, den die Oberfläche erfährt ist dort am größten, wo die Krümmung am stärksten ist.
Aber daß Volumen und Oberfläche unterschiedlich schnell wachsen verursacht im Körper keine Spannungen(bei vierfacher Oberfläche passt ja auch acht mal so viel rein). Das würde ja auf jede Stahlkugel zutreffen.
Grund für die Spannungen is der unterschiedliche Ausdehnungskoeffizient wie ihr erwähnt habt, aber damit daß der Inhalt mit r³ und die Oberfläche mit r² wächst hat das ja nicht wirklich was zu tun.

Man kann die Kraft, mit der der Inhalt in längsrichtung drückt, mit der kreisförmigen Querschnittsfläche proportional annehmen.
Nun kann man in Relation setzen, wieviel Kraft(äquivalent zur Fläche bei konstanter Temperatur) ein Umfangsegment des Kreisumfangs abfangen können muss, um nicht zu platzen:
Q1= Fläche1/Umfang = (pi r²) / (2 pi r) = r/2 [Einheiten lass ich mal weg]

Orthogonal dazu muss die Würstchenhaut pro Länge auch einer gewissen Kraft entgegen wirken.
Die Rechnung hierzu ist aber etwas komplizierter, man kann aber annehmen, daß egal welches Ergebniss man bekommen mag eine sehr dünne Würstchenhaut der Hebelwirkung der auf der Kreisfläche um Pi/2 versetzt wirkenden Kraft nichts entgegenzusetzen hat.

Bei einer unendlich dünnen Würstchenhaut geht der Hebelfaktor gegen (sin alpha)/(cos alpha) für alpha gegen Pi/2.

Längs kann sich die "Rückstellkraft" der Würstchenhaut voll und ganz der wirkenden Kraft des Druckes in Längsrichtung entgegenstemmen.
Quer herscht eine Hebelwirkung, der die Oberflächenspannung der Wurst nichts entgegenzusetzen hat. Die Wurst hat keine andere Wahl als der plastischen verformung nachzugeben.

Die Hebelwirkung nimmt mit abnehmender Hautdicke des Würstchens und abnehmenden Radius überproportional zu
Werde morgen wenn ich Zeit habe eine kleine Skizze dazu anfertigen.

Schöne Grüße, Skel
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 17. Dez 2010, 19:47

Die arme Wurst wird am Ende noch ne Dissertation...bin ich froh, dass ich keine Fleischfüllung im Darm bin :lolol:

Bin aber gespannt auf Deine Skizze!

Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 18. Dez 2010, 22:52

Sodele, hier meine versprochene Skizze, ist eigentlich alles Grundwissen Physik mit Hebelarmen.

Okay, Bild nachgeladen:
Würstchen Spannung.jpg
Würstchen Spannung.jpg (19.49 KiB) 13194 mal betrachtet
Sorry, habs mit Paint gemacht, hab nix anderes hier.

Okay, vorab schonmal folgendes:
Der Druck der runden Querschnittsfläche drückt die Wurst der Länge nach auseinander und sie wird länger. Die Haut der Wurst muss und kann dieser Kraft durch eine genau antiparallel gerichtete Zugspannung entgegenwirken. Die Wurst sei lang genug, um andere Effekte vernachlässigen zu können.

Quer dazu hat der radial gerichtete Innendruck/Kraft F1 einen Hebelarm und nur ein Teil der zur Längsachse orthogonalen und zum Radius fast orthogonalen Zugspannung/Kraft F2 kann dem Innendruck entgegenwirken.
Der Winkel @ des Kräfteparallelograms ist von der Dicke der Haut abhängig. Hier sei a Innen- und b Außendurchmesser der Würstchenhaut. F2 wirkt entlang der Tangente zum Innendurchmesser der Haut!
Der Winkel ist @ = Pi/2 - cos^-1 (a/b)

F1 muß vom dem ihm antiparallelen Teil F3 der Zugkraft F2 kompensiert werden.
F1=sin@ F2
Für a gegen b geht jedoch sin@ auch gegen 0.
Das heißt, daß nur ein geringer Bruchteil der Kraft F2 der radial wirkenden Kraft F1 entgegenwirken kann. Um der Kraft von Innen entgegenzuwirken müsste F2 etliche Größenordnungen höher sein als F1.

In meiner Begründung ist ein Fehler, der aber für das Prinzip der Erklärung vernachlässigbar sein müsste. Die Skizze editier ich heute abend hier rein.

Gruß, Skel
Zuletzt geändert von Skeltek am 19. Dez 2010, 23:01, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 19. Dez 2010, 18:41

Bei meinem letzten Post gabs übrigens ein update.
Wo bleibt das nächste Rätsel? ^^
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 19. Dez 2010, 19:49

Editiere doch mal Deinen vorigen Beitrag und lade das Bild neu hoch, es müsste doch jetzt funktionieren.

Na, wenn keiner will dann nimm dieses:

Zu Weihnachten brennen jetzt ja wieder überall die Kerzen.
  • Wieso ist die Kerzenflamme gelb?
  • Wo ist die heißeste und wo die kälteste Stelle der Flamme?
  • Was passiert grundsätzlich beim Abbrennen der Kerze?

Gruß
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 20. Dez 2010, 23:21

Zur Kerze:

Wieso ist die Kerzenflamme gelb?

Die Kerzenflamme ist gelb, weil heiße (ca. 1000°C ?), noch unverbrannte Rußpartikel in der Flamme vorliegen.
Sie wirken wie ein schwarzer Strahler. Bei der Temperatur, die sie erreichen liegt ein Großteil des emittierten Spektrums im IR-Bereich, ein Teil aber auch schon im sichtbaren Licht, wobei die langwelligen Rotanteile stärker ausgeprägt sind als die Blauanteile. Deshalb erscheint die Flamme gelblich und nicht weiß-bläulich (dafür ist sie zu kalt). Außerdem würde ich vermuten, dass (praktisch immer in Spuren vorhandenes) Natrium die Flamme zusätzlich gelb färbt.

Wo ist die heißeste und wo die kälteste Stelle der Flamme?

Die kälteste Stelle ist direkt am Docht, da wo die Flamme bläulich leuchtet. Das bläuliche Leuchten dort kommt vom verbrennenden Wasserstoff und ist keine Schwarzkörperstrahlung.
Die heißeste Stelle fast ganz oben, etwas unter der Flammenspitze, in der Hauptoxidationszone.

Was passiert grundsätzlich beim Abbrennen der Kerze?

Durch die Wärme, die die Flamme erzeugt, wird das darunterliegende Wachs flüssig. Dieses steigt durch Kapillarkräfte den Docht hoch. Da es am Docht noch heißer ist, verdampft das Wachs dort. Der Wachsdampf erreicht schließlich durch die dort herrschende Hitze die nötige Temperatur um die Aktivierungsenergie zur chemischen Umsetzung mit vorhandenem Luftsauerstoff zu bekommen: Der Wachsdampf oxidiert. Dabei entstehen vorwiegend Wasser und Kohlendioxid, evtl. noch etwas Ruß (Kohlenstoffstaub), Kohlenmonoxid und weitere Verbindungen in geringen Spuren.
So in etwa läuft es ab würde ich sagen...

@Skeltek:
Zu deiner Erklärung, speziell deiner Zeichnung rechts mit dem Kreis:

Du hast dort eine Kraft F1 nach oben und eine Gegenkraft F2 eingezeichnet (auf 12 Uhr).
Hast du bedacht, dass die Wursthaut in deiner Zeichnung nicht bei 12 Uhr reißt, sondern bei 3 Uhr und/oder bei 9 Uhr?

Grüße
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 21. Dez 2010, 01:53

hmm, verstehe nicht, weshalb sie auf 3 Uhr reißen sollte. F2 und ein weiterer Pfeil sollten eigentlich die Zugspannung rundherum repräsentieren bzw deren tangentiale Ausläufer, die ist ja rundherum gleich. Es geht ja nur darum, daß der Innendruck die Haut nach außen drückt, und eine winzige Komponente F3 der Zugspannung dem entgegenwirkt, während der Großteil der Zugspannung die Schale zum zerreißen bringt.
F3 ist die Gegenkraft zu F1.
F3 ist eine Komponente der Zugkraft.

Sorry, is die Skizze überhaupt verständlich? Hoffe ich konnts halbwegs gut rüber bringen.
Eigentlich müsste ich über die Dicke der Schale integrieren, alle Winkel zw 0 und @ berücksichtigen usw, ist aber für das Kernstück der Erklärung mit dem Sinus eigentlich kaum von Bedeutung.
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 21. Dez 2010, 17:31

@Skeltek:
Ich find Deine Skizze prima und verständlich.

@seeker: :well:
Besser hätte ich es auch nicht erklären können. Die Gelbfärbung stammt übrigens vom Kohlenstoff selbst - der brennt halt mit gelber Flamme. Natrium ist in Paraffin bzw. Stearin wohl weniger drin.

Gruß
gravi
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seeker
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von seeker » 2. Feb 2011, 08:49

Ich habe da noch etwas aus dem Bereich Haushaltsphysik:

Ihr kennt doch diese Eierkocher?

Unten ist eine Heizplatte, wo man Wasser einfüllt. Darüber werden Eier in einem Gestell eingehängt und über das Ganze kommt dann ein Deckel mit einem kleinen Loch in der Mitte.

Dabei gibt es eine Variante, die dann abschaltet oder zu summen anfängt, wenn alles Wasser auf der Heizplatte verdampft ist und diese deshalb über 100° C erreicht, was mit einem Sensor gemessen wird. Wenn dies geschieht sind die Eier fertig.

Als Zubehör dazu gibt es einen Messbecher, wo eine bestimmte Wassermenge abgemessen werden muss, die man anschließend auf die Heizplatte gießt. Die abzumessende Wassermenge richtet sich dabei nach dem Härtegrad und der Anzahl der Eier, die gekocht werden sollen.

Das Interessante dabei ist nun, dass man für wenig Eier mehr Wasser einfüllen muss, als für viele Eier: z.B. muss für 1 hart gekochtes Ei mehr Wasser eingefüllt werden , als für 5 hart gekochte Eier! Das ist tatsächlich so, wie jeder Besitzer eines solchen Eierkochmessbechers selbst nachprüfen kann...

Frage: WARUM?

Eigene Überlegungen wären Recherchen zunächst vorzuziehen…
Spekulationen sind erwünscht!

Wer es schon kennt, der möge sich bitte einen Tag mit der Auflösung zurückhalten. Danke!

Grüße
seeker
Grüße
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von gravi » 13. Feb 2011, 16:38

Kann es vielleicht sein, dass bei vielen Eiern und weniger Wasser dieses schneller verdampft und somit die Eier viel schneller mit Wärme "versorgt" werden?

Alternativ könnte es evtl. auch sein, dass bei gleicher Energiezufuhr der Wasserdampf eher überhitzt, die Temperatur also höher ansteigt...?

Also, gegoogelt habe ich nicht - die korrekte Lösung kenne ich daher nicht.

Gruß
gravi
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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von deltaxp » 13. Feb 2011, 20:01

soweit ich weiss ist die rötlich gelbe strahlung wie seeker schrieb auf die schwarzkörper-strahlungseigenschaften der russpartikel zurückzuführen. es hängt nicht mit dem kohlenstoff an sich zusammen. wenn kohlenwasserstoffe vollständig verbrennen sieht man zb auch fast kein gelb. bekanntes beispiel ist alkohol, oder wenn der bunsenbrenner auf maximal luftzuführ geschaltet ist.

der blaue anteil von elektronen-übergängen in den elektronen hüllen der angeregten freien radikale die als zwischenschritt bei der oxidation entstehen.

der hohe ir-anteil ist auf die rotations und schwingungsspektren der heissen verbrenneungsprodukte, also vor allem wasser und co2 zurückzuführen. und was sonst noch beiner unvollständigen verbrennung so rumschwingt.

kurz, das spektrum einer typoschen kohlenwasserstoffflamme ist also ein mischung zwischen elektronen-übergängen, schwingungsspektren und schwarzkörperstrahlung.

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Re: Einsteiger-Quiz#3: Allgemeine Physik

Beitrag von Skeltek » 14. Feb 2011, 02:36

Ich habe noch nie so einen Eierkocher gesehen, aber der Beschreibung nach würde ich folgendes annehmen:

Das Loch im Deckel fungiert lediglich als Überdruckventil, bzw damit der Wasserdampf zwar entweichen kann, die Atmosphäre innerhalb des Kochers aber ca bei 100 Grad bleibt und sich kein nennenswertes Temperaturgefälle von der 100 Grad heißen Wasseroberfläche zur Deckeloberfläche bildet.
Ein Eindringen kalter Luft wird verhindert, die Atmosphäre im Kocher ist relativ homogen bei 100 Grad und überschüssiger Druck kann trotzdem entweichen.

Im Kocher verdampft das Wasser an der Oberfläche relativ gleichmäßig, weshalb die Wassersäule pro Sekunde immer um die gleiche Höhe absinkt, egal, wie groß die Wasseroberfläche gerade ist(die wird ja durch mehr Eier verringert).
Das heißt man muss unabhängig davon wie viele Eier man kochen möchte die Wassersäule immer ca gleich hoch füllen.

Man kann es mit einem Stromleiter vergleichen:
Das Wärmegefälle von der Heizplatte über die Wasseroberfläche bis hoch hinter das Loch im Deckel entspricht der Spannung im Stromleiter.
Dabei hat man einen größeren Widerstand an der Wasseroberfläche, einen sehr kleinen Widerstand beim Loch im Deckel.
Der Strom der Wassermoleküle würde bei dieser Analogie dann der Stromstärke entsprechen.

Bei dem Vergleich kann man denke ich erkennen, daß die Geschwindigkeit mit der die Wassermenge verdampft relativ proportional zur Wasseroberfläche(fungiert als Leitwert) sein müsste. Die Abnahmegeschwindigkeit der Wassersäule ist also relativ konstant, egal wie groß die frei liegende Wasseroberfläche gerade ist.

Standbei all dieser Überlegungen ist natürlich, daß die Heizplatte eine konstante Temperatur hat und nicht wärmer wird, falls sich der Kühleffekt durch die verringerte Wasseroberfläche verkleinert.
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