BERLIN-NORD. Verändern sich die Oberflächenwellen (Kapillarwellen) bei verschiedenen Flüssigkeiten?

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht BERLIN-NORD Verändern sich die Oberflächenwellen (Kapillarwellen) bei verschiedenen Flüssigkeiten? Maren Helfer Lili Verseck Schule: Romain-Rolland-Gymnasium Berlin Jugend forscht 2015

2 jugend forscht 2015 Schüler experimentieren Fachgebiet Physik Wettbewerb Berlin-Nord Entstanden am Romain-Rolland-Gymnasium Betreut von Fr. Dr. Köhler-Krützfeldt Verändern sich die Oberflächenwellen (Kapillarwellen) bei verschiedenen Flüssigkeiten? von Maren Helfer Lili Verseck

3 Kurzfassung In diesem Beitrag werden in einem kleinen, offenen Gefäß die Oberflächenwellen (Kapillarwellen) von verschiedenen Flüssigkeiten untersucht. Dazu wird das Gefäß mit einem Lautsprecher in Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen versetzt. Es können stehende Wellen beobachtet werden, mit denen die Wellenlänge bestimmt werden kann. Die untersuchten Flüssigkeiten zeigten, dass Flüssigkeiten mit Zucker oder Salz die kürzesten gemessenen Wellenlängen in dem Experiment hatten. In weiteren Versuchen könnten wir noch mehr Zusammenhänge zwischen Oberflächenwellen und den verschiedenen Eigenschaften von Flüssigkeiten erforschen.

4 Schriftliche Arbeit Inhalt 1. Themenfindung als Einleitung Ziele Rechercheergebnisse über Wellen und Frequenz Entwicklung eines Versuchsaufbaus Vorgehensweise Unsere Versuche und Bilder Beobachtungen Auswertung Ausblick und Zusammenfassung Quellen... 9 Danksagung : Wir danken Fr. Dr. Köhler-Krützfeldt, die uns während der Schulzeit geholfen hat und bei allen Eltern, die uns immer unterstützt haben.

5 1. Themenfindung als Einleitung Einmal musste eine Freundin von uns abwaschen. Dabei legte sie ein Messer in das Spülbecken und beobachtete dabei die Wellen an der Oberfläche des Spülbeckens. Danach gab sie Spülmittel hinzu und die Wellen bekamen eine andere "Struktur". Als sie dann eine Gabel hinein legte, bewegte sich das Wasser zwar, aber es gab keine Wellen an der Oberfläche mehr so wie zuvor. Sie erzählte es uns und wir wollten zusammen diese Erscheinungen als Jugend-forscht-Projekt näher untersuchen. 2. Ziele Unser Ziel ist es herauszufinden, welche Formen und Strukturen die Wellen an einer Flüssigkeitsoberfläche annehmen können. Dazu wollen wir untersuchen, wie viele Wellen durchschnittlich in einem kleinen Wasserbecken entstehen können. Außerdem möchten wir untersuchen, ob es einen Zusammenhang zwischen der Wellenform und den verwendeten Flüssigkeiten gibt. Dazu wollen wir die Veränderung der Wellen von süßen, sauren oder salzigen Flüssigkeiten beobachten. 3. Rechercheergebnisse über Wellen und Frequenz 3.1 Was sind Wellen? Größere Wellen im Wasser, wie wir sie vom Strandurlaub her kennen und im Meer sehen, sind vom Wind und vor allen Dingen von der Schwerkraft beeinflusst und heißen daher Schwerewellen. An der Wasseroberfläche entstehen in kleinen Bädern an der Oberfläche im entsprechenden Größenbereich Oberflächenwellen [1]. Diese Art von Wellen an einer Flüssigkeitsoberfläche nennt man Kapillarwellen: Die Eigenschaften hängen hauptsächlich von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit ab [2]. L Abb. 1 Darstellung von Oberflächenwellen in einem Wasserbecken 1

6 Wenn man in einem Becken eine stehende Wellen hat, kann die Länge der Welle beschrieben werden. In Abb. 1 ist eine stehende Welle mit der Wellenlänge eingezeichnet. Das Wasserbecken hat dabei die Gesamtlänge L. Eine stehende Welle ist eine Welle, deren Auslenkung an bestimmten Stellen immer den Wellenberg zeigt. In der Abb. 1 ist die Wellenlänge von Wellenberg zu Wellenberg eingezeichnet. Sie kann als Überlagerung zweier gegenläufig fortschreitender Wellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude aufgefasst werden. Die gegenläufigen Wellen können aus zwei verschiedenen Erregern stammen oder durch Reflexion einer Welle an einem Hindernis entstehen. [3] In der nächsten Abb. 2 ist die Simulation von Wellen zu sehen. 3.2 Was ist Frequenz? Abb. 2 Simulation von reflektierten Wellen [5] "Frequenz ist ein Maß dafür, wie schnell bei einem periodischen Vorgang die Wiederholungen aufeinander folgen, z.b. bei einer fortdauernden Schwingung. Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer. [4]. Mit der Änderung der Frequenz zum Anregen der Oberflächenwellen kann versucht werden, in einem Flüssigkeitsbad stehende Wellen zu erzeugen. 4. Entwicklung eines Versuchsaufbaus 4.1 Vorüberlegungen Als erstes mussten wir uns eine Messeinrichtung überlegen. Wir wollten die Wellen ausmessen, benötigten also einen Versuchsaufbau, der die Flüssigkeit im unserem Wasserbecken in Bewegung setzt. Der Vater von Maren hat uns einen Lautsprecher geborgt und uns bei dem Aufbau und den elektrischen Verbindungen geholfen. Was sind Lautsprecher? "Ein Lautsprecher ist ein Wandler, der elektrische Signale in mechanischen Schwingungen(Schall) überträgt. Lautsprecher werden überwiegend zur Tonerzeugung in dem für Menschen hörbaren Frequenzspektrum verwendet. Typische Einsatzgebiete 2

7 sind Beschallungen, Lautsprecherboxen, AV-Geräte und Kopfhörer. Je nach Anforderung bezüglich Lautstärke und Tonumfang variieren Bauart sowie Größe der Wandler beträchtig. Im Extremfall der Schallkanone können sie sogar als Waffe dienen." [5]. Dieser Lautsprecher diente dazu, das Wasserbad in Bewegung zu setzen. Der prinzipielle Aufbau, den wir dann nutzten, ist in der Abb. 1 dargestellt. Netbook mit Tongenerator Verstärker Lautsprecher zum Bewegen Bad mit verschiedenen Flüssigkeiten Abb. 3 Prinzip des Messaufbaus mit Lautsprecher Der Tongenerator ist ein Programm, mit dem Töne verschiedender Frequenzen erzeugt werden können. Diese werden mit dem Verstärker über den Lautsprecher ausgegeben. Durch die Membran des Lautsprechers kann das Bad mit verschiedenen Flüssigkeiten in Schwingungen versetzt werden. Einstellung der Frequenz Abb. 4 Bildschirmkopie des Programms zum Ansteuern 3

8 Danach haben wir unsere Messapparatur mit verschiedenen Formen von Wasserbädern getestet, oval (Form A) und rechteckig (Form B) nach Abb. 5. Form A Form B Abb. 5 Formen der Wannen zum Erzeugen der stehenden Wellen mit Blick von oben. Besonders in Form B mit länglicher rechteckiger Form konnten gut stehende Wellen erzeugt werden. Insgesamt war der Aufbau wasserdicht und wir konnten Wellen produzieren und die Wellenbildung beeinflussen. 4.2 Verwirklichter Versuchsaufbau Netbook mit Ansteuersoftware Verstärker Lautsprecher Wasserbecken Abb. 6 Messaufbau mit Wasserbad, Verstärker und Lautsprecher aufgenommen von Maren Helfer 4

9 Ein Wasserbecken mit der Größe 4,3cm x 2,2cm hat sich als bestes Format erwiesen. Mit der Software ist es möglich, verschiedene Frequenzen einzustellen,um das Wasserbad in Schwingungen zu versetzen. Wellenbad Abb. 7 Offenes Gefäß mit Oberflächenwellen durch Schwingungen vom Lautsprecher aufgenommen von Maren Helfer 5. Vorgehensweise 1. Erst experimentierten wir mit Leitungswasser, Wasser und Zucker (Zuckerlösung) und Wasser und Salz (Salzlösung) mit dem Volumen von 2,3 ml. Wir färbten es auch mit grüner Lebensmittelfarbe. Die Frequenz des Tons für den Lautsprecher wurde so lange verändert, bis sich eine stehende Welle im Flüssigkeitsbad bildete. Diese konnte dann bei bekannter Länge des Beckens über die Wellenberge ausgemessen werden. 2.Wir nahmen 1 g Zucker bzw Salz und 10 ml Wasser. Beides fügten wir zusammen und vermischten es gut miteinander. Dann nahmen wir mit einer Pipette 2,3 ml Lösung heraus und gaben es in das Wasserbad. 3. Wir experimentierten dann auch mit Sonnenblumenöl, weil es dickflüssiger ist. Wir experimentierten auch mit Coca Cola Light, weil sie auch Kohlensäure enthält. Wir führten alle Versuche mindestens 2 Mal durch und werteten dann alle Versuche aus. So kamen wir auf die Ergebnisse in der Tabelle. 5

10 6. Unsere Versuche und Bilder Wir benutzten immer 2,3 ml Flüssigkeit und wir haben die Ergebnisse in der Abb. 6 zusammengefasst. Flüssigkeiten in Hz Frequenz des Lautsprechers [HZ] Durchschnittliche Wellenzahl Wellenlänge in mm bei der Länge des Bades von 43 mm Salzwasser 150, , ,58 Zuckerwasser 150,17 9 4, ,07 Leitungswasser 150, , ,38 Coca Cola Light 150, , ,38 gefärbtes Wasser (grün) ,91 Abb. 8 Messergebnisse Abb. 9 Cola als Messflüssigkeit aufgenommen von Lili Verseck 7. Beobachtungen Zuerst experimentierten wir nur mit Leitungswasser. Dort gab es keine auffallenden Besondernisse.Wir haben 8 Wellen gezählt. Als wir Wasser mit Salz gemischt haben (V=2,3 ml), haben wir 12 Wellen gezählt. Bei Zucker und Wasser haben wir 14 Wellen gezählt und es gab ebenfalls keine Besonderheiten. Danach ist uns eingefallen, dass man die Wellen vielleicht farbig besser erkennen könnte. Deswegen haben wir Lebensmittelfarbe in das Wasser gemischt. Unser erster Versuch mit Lebensmittelfarbe 6

11 lief nicht nach Plan. Dann hat eine von uns einen Finger leicht auf den Anschluss gelegt und es erschienen Wellen. Bei diesem Versuch haben wir 11 Wellen gezählt. Mit Sonnenblumenöl haben wir es auch versucht: Bei dem Sonnenblumenöl haben wir nur Längswellen erkannt. Diese Wellen konnten wir nur erkennen, als wir den Lautsprecher berührten, indem wir leicht mit dem Finger drauftippten. Bei dem Versuch waren es dann 4 Wellen. Wir haben auch reines Leitungswasser und Coca-Cola verwendet. Bei diesen Stoffen verlief alles problemlos. Für die Auswertung mussten wir alles noch einmal in einer anderen Frequenz messen. Als Frequenz nahmen wir 150,174 HZ. 8. Auswertung Die Zusammenstellung der Messergebnisse ist in Abb. 8 und Abb. 9 mit Balkendiagrammen dargestellt. Abb. 10 Wellenlängen für die Erregerfrequenz von 150 Hz 7

12 Gemessene Wellenlänge für Lautsprecherfrequenz f = 100 Hz gefärbtes Wasser (grün) Coca Cola Light Leitungswasser Zuckerwasser Wellenlänge 1 Salzwasser 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 Wellenlänge in mm Abb. 11 Wellenlängen für die Erregerfrequenz von 100 Hz Die Wellenanzahl unterscheidet sich bei verschiedenen Flüssigkeiten. Im Vergleich zu Leitungswasser entstanden bei Zucker- und Salzwasser mehr Wellen bei beiden Frequenzen (150,174 und 100). Die gleichen Ergebnisse fanden wir bei gefärbtem Wasser (grün) und Coca-Cola light. Bei Leitungs-, Zucker- und Salzwasser nimmt die durchschittliche Wellenanzahl bei einer höheren Frequenz jeweils ab. Bei Sonnenblumenöl haben wir nur Längswellen erkennen können, was bei sonst keiner anderen Flüssigkeiten geschah. Die längste Wellenlänge trat bei Leitungswasser(150,174) auf. Unser Vergleich : 150,174 HZ: Bei allen anderen Flüssigkeiten hat sich die Wellenlänge bei gleicher Frequenz ungefähr halbiert. Bei einer Frequenz von 100 HZ traten überall (mit Ausnahme von Coca-Cola light) geringere Wellenlängen auf.die höchsten Werte fanden wir bei Leitungswasser und Coca-Cola light. Salz-,Zucker- und gefärbtes Wasser hatten eine geringere Wellenlänge. 8

13 9. Ausblick und Zusammenfassung Mit den gemessenen Wellenlängen bei verschiedenen Frequenzen könnte man nach der theoretischen Betrachtung die Dichte von Flüssigkeiten oder z.b. den Salzgehalt bestimmen, was uns in dem Experiment leider nicht gelungen ist. Es konnte aber grundsätzlich festgestellt werden, dass die Wellenlängen mit den Flüssigkeitseigenschaften zusammenhängen. Vielleicht haben wir in nächster Zeit noch die Gelegenheit, die Experimente fortzuführen. 10. Quellen [1] Vinzent: Tigges Schüler experimentieren 2013 im Fachbereich Physik [2] abgerufen am [3] abgerufen am [4] abgerufen am [5] de.wikipedia.org/wiki/lautsprecher) abgerufen am