Wassertropfenparabel

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Verändere die Spritzhöhe und -weite! Beobachte den Wasserstrahl auch unter Stroboskoplicht!

WORUM GEHT ES?
Mit einem Taster startet der Besucher die Pumpe, die Wasser getaktet aus der Düse spritzt. Das Ventil ist in der Taktung (Pausen und Aktivphasen) vom Besucher über einen Drehregler einstellbar. Auch der Winkel des Strahls kann über einen weiteren Drehregler variiert werden. Zusätzlich kann man ein Stroboskop hinzu schalten, dann scheinen die Wassertropfen in der Luft zu schweben.

WESHALB IST DAS SO?
Gleich drei Phänomene zeigt das Exponat: Die Möglichkeit, Wasser in Einzelportionen aufzuteilen, die Parabelbahn des Wassers, die durch die Bewegung im Schwerefeld der Erde entsteht und natürlich die Trägheit des Auges beim Stroboskop-Effekt.

Die Zerlegung des Wasserstrahls in Einzelportionen geschieht mithilfe eines Magnetventils. Dieses kann durch elektrisch erzeugte Magnetfelder sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden und ist z.B. in Wasch- oder Spülmaschinen eingebaut.

Auf den einzelnen Wassertropfen wirkt – wie auf jeden Körper auf der Erde – immer eine Kraft, die Gewichtskraft. Man bezeichnet sie kurz als Gewicht und sie zieht den Körper nach unten in Richtung auf den Erdmittelpunkt zu. Wenn ein Körper auf einer Waage liegt, können wir sein Gewicht messen, wenn er nicht unterstützt wird, fällt er. Da aber die Kraft ständig auf den Körper wirkt, ihn also dauernd nach unten zieht, wird er immer schneller, er beschleunigt. Diese Beschleunigung nennt man Fallbeschleunigung und sie ist für alle Körper gleich. Deshalb fallen auch alle Körper gleich schnell, solange sie keinen Luftwiderstand erfahren.

Wenn man nun einen Wassertropfen schräg nach oben spritzt, wirkt auf ihn von Anfang an die Fallbeschleunigung. Diese bewirkt am Anfang eine Verringerung der Geschwindigkeit, mit der er nach oben gespritzt wird. Am Scheitelpunkt ist die Aufstiegsgeschwindigkeit Null, ab dann geht es schneller werdend abwärts. Spritzt man senkrecht nach oben, hat man einen Springbrunnen. Spritzt man schräg, so überlagert sich eine gleichförmige horizontale Bewegung, d.h. die Anfangsgeschwindigkeit des Wassertropfens in horizontale Richtung bleibt gleich. Dadurch ergibt die Flugbahn eine Kurve, die man auch Parabelbahn nennt.

Im Scheitelpunkt der Flugbahn ist der Wassertropfen schwerelos, kurz davor und dahinter beinahe. Diese Tatsache nutzt man bei Parabelflügen, bei denen man in Flugzeugen für etwa 20 Sekunden den Zustand der Schwerelosigkeit erzeugen kann. In diesem kurzen Zeitintervall kann man naturwissenschaftliche Experimente ohne den Einfluss der Schwerkraft durchführen. Und jetzt wird auch klar, warum man die Suppenkelle vom Topf zum Teller intuitiv auf einer Parabelbahn führt: Der unten anhaftende Tropfen ist nahezu schwerelos und tropft nicht auf die Tischdecke.

Als Stroboskop bezeichnet man eine Lampe, die in regelmäßigen Abständen kurz aufblitzt. Nimmt man zum Beispiel eine schnell drehende Scheibe mit einem Punkt als Markierung, kann man diesen Punkt nicht scharf erkennen. Blitzt man die Scheibe jedoch mit einem Stroboskop an, scheint die Scheibe still zu stehen, aber der Punkt springt immer an eine andere Stelle. Entspricht die Blitzabfolge der Drehzahl oder dem ganzzahligen Vielfachen, erscheint der Punkt immer an der gleichen Stelle. Misst man die Anzahl der Blitze pro Zeit, kann man auch die Drehzahl der Scheibe ermitteln.

An dieser Station kann man die Taktfrequenz der Wassertropfen so einstellen, dass sie zur Taktfrequenz des Stroboskops passt und die Tropfen immer an der gleichen Stelle zu stehen scheinen. Dies ist jedoch nicht der Fall, es sind jedesmal andere Tropfen. Man kann durch leichtes Verändern der Taktfrequenz den Strahl sogar „rückwärts“ laufen lassen.