Überraschungen bei Drehbewegungen

Transkript

1 Überraschungen bei Drehbewegungen Setzt du dich auf einen leicht drehbaren Sitz, kannst du dich selber um eine Achse drehen und wirst zum Kreisel. Wenn du die Arme erst weit weg hältst und dann zur Achse in die Mitte ziehst, wird die Drehung schneller. Das brauchen Sportler auch bei einem Salto ins Wasser. Arme und Beine zum Körper ziehen macht die Drehung schneller, wenn man sie wegstreckt, langsamer. Ziehst du am Faden einer Spule, die auf dem Tisch liegt, hängt die Bewegung davon ab, ob der Faden vor oder hinter den Drehpunkt zeigt und auch wie weit. Wenn man bei einem Kreisel versucht, seine Achse umzukippen, weicht die Drehachse nach der Seite aus. Dass sich der Kreisel gegen das Kippen wehrt und sich wo anders hin bewegt, kannst du mit einem Spezialkreisel spüren, den du in der Faust halten kannst.

2 Die Schwerkraft kann einen Kreisel nicht umkippen, solange er sich rasch genug dreht. Ist er schief, bewegt sich die Spitze der Achse auf einem Kreis. Man kann einen Kreisel auch so in einem Schiff oder in einem Flugzeug anbringen, dass keine Kraft die Bewegung des Kreisels verändern kann. Dann behält der Kreisel seine Drehachse bei, auch wenn sich das Schiff oder das Flugzeug in alle Richtungen bewegt. Man benutzt diese Eigenschaft beim Kreiselkompass, der die Nordrichtung angibt und beim künstlichen Horizont, der dem Piloten eine Ebene parallel zur Erdoberfläche anzeigt.

3 Die bunte Welt - Licht und Farbe Du wachst morgens auf, schaust zum Fenster hinaus und alles ist bunt. Warum ist das so? Licht (z.b. Sonne) wird von allen Gegenständen und Oberflächen zurückgestrahlt (reflektiert). Die Lichtstrahlen, die in dein Auge gelangen bilden dort die reflektierte Umgebung ab. Woher kommen jetzt die Farben? Du hast sicher schon einen Regenbogen gesehen und weißt, dass das Sonnenlicht aus vielen Farben von violett über blau, grün, gelb, orange bis rot besteht. Zusammen erscheinen diese Spektralfarben als weiß. Die Farben kannst du dir auch als Wellen vorstellen, wobei blau eine kurze und rot eine lange Wellenlänge hat. Wird von einer Oberfläche nur kurzwelliges Licht reflektiert erscheint sie dir blau. Wird langwelliges Licht reflektiert ist sie rot. Werden mehrere Wellenlängen reflektiert entsteht eine Mischfarbe (lila, rosa,...).

4 Werden keine Lichtstrahlen reflektiert, erscheint die Fläche schwarz. Das Licht der Sonne wird in der Atmosphäre an den Luftmolekülen abgelenkt. Blaues Licht wird stärker abgelenkt als rotes. Zu deinem Auge gelangen daher eher die gelben, orangen und roten Lichtstrahlen. Die Sonne erscheint dir daher gelb. Das Himmelsblau ist das mehrfach gestreute Sonnenlicht, das dein Auge über einen Umweg erreicht. Am Abend steht die Sonne sehr tief und der Lichtweg in der Atmosphäre ist sehr lang. Dann wird auch das rote Licht gestreut und gelangt von vielen Punkten in der Atmosphäre zu deinem Auge. Der Himmel erscheint dann rot. Ohne Sonneneinstrahlung siehst du durch die Atmosphäre hindurch direkt in den schwarzen Weltraum.

5 Wenn die Luft flüssig wird: Minus 200 Grad Wasser ist bei Zimmertemperatur flüssig. Wenn man es bis zum Siedepunkt erhitzt, wandelt es sich vollständig in ein Gas um, den Wasserdampf. Wenn man den Wsserdampf wieder abkühlt, wird er wieder flüssig, er wird wieder zu Wasser. So ist es aber mit allen Gasen: wenn man sie nur kalt genug macht, werden sie flüssig. Luft ist bei Zimmertemperatur gasförmig und besteht vor allem aus Stickstoff und Wasserstoff. Wenn man sie auf etwa minus 200 Grad abkühlt, wird eine hellblaue Flüssigkeit. Weil die Flüssigkeit so kalt ist, ist es schädlich, wenn der Körper damit länger in Berührung kommt. Deshalb muss man beim Einfüllen in ein Gefäß vorsichtig sein und am besten eine Sicherheitsbrille oder auch Sicherheitshandschuhe als Schutz tragen. Man bewahrt die flüssige Luft in Isoliergefäßen auf und sie kocht stürmisch, wenn du sie in einen Glasbecher füllst, also wenn Wärme zugeführt wird. Dabei wandelt sich mehr Stickstoff als Sauerstoff in Gas um. Das kann man dazu verwenden, Stickstoff und Sauerstoff voneinander zu trennen. Flüssiger Stickstoff ist farblos und ist ein Sicherheitskühlmittel. Gas braucht immer viel mehr Platz als Flüssigkeit, bei Luft ist es 750 mal mehr Platz. Das siehst du, wenn du einen Luftballon erst aufgeblast und dann mit flüssigem Stickstoff vorsichtig übergiesst Der Luftballon wird ganz klein und flach, wird aber wieder so groß, wie vorher, wenn man ihn warm macht.

6 Flüssiger Sauerstoff ist schön blau und wird für Raketen verwendet. Dabei ist es günstig, dass die Flüssigkeit wenig Platz braucht. Sogar Stahlwolle brennt in flüssiger Luft so heftig, dass sie dabei schmilzt. Mit vielen Experimenten kann man zeigen, dass sich die Eigenschaften ändern, wenn etwas ganz kalt wird. Ein Gummischlauch wird hart wie Glas und kann leicht zerbrochen werden, eine Banane wird so hart, dass man damit einen Nagel einschlagen kann. Zum Schluss kommt noch ein Experiment, bei zu heissem Wasser flüssiger Stickstoff dazu gegossen wird. Der Stickstoff schwimmt auf dem heissen Wasser und es bildet sich Nebel, weil die warme Luft mit dem vielen Wassserdampf abgekühlt wird, sodass sie den Dampf nicht mehr tragen kann und sich Tröpfchen bilden.

7 Vakuumversuche Zu Beginn wird erklärt, was ein Vakuum ist und wie man es erzeugt: Luft besteht aus lauter Teilchen, die so klein sind, dass man sie nicht sehen kann. Wenn man nun aus einem Behälter alle diese Luftteilchen entfernt, so erhält man einen luftleeren Raum und diesen nennt man Vakuum. In unseren Versuchen werden wir mit Hilfe einer Vakuumpumpe in einer Glasglocke so ein Vakuum erzeugen. So eine Vakuumpumpe kann man sich wie einen besonders leistungsstarken Staubsauger vorstellen, der statt Staub Luftteilchen einsaugt. Wenn man nun so ein Vakuum erzeugt hat, dann kann man damit ein paar interessante Sachen anstellen und wird dabei feststellen, dass im Vakuum manche Sachen ein wenig anders sind als sonst. Als erster Versuch wird ein kleiner Luftballon in die Glasglocke gebracht. Wenn man nun die Luft absaugt, beginnt der Luftballon von selbst zu wachsen. Im Luftballon sind nämlich Luftteilchen, die von innen gegen die Luftballonwand stoßen und den Luftballon immer größer machen wollen. Normalerweise befinden sich außerhalb des Luftballons auch Luftteilchen, die von außen gegen die Luftballonwand stoßen. Die Luftteilchen innen und außen drücken gegeneinander und der Luftballon bleibt, wie er ist. Nimmt man nun die Teilchen außen weg, so haben die Teilchen im Luftballon nun keinen Gegner mehr und können den Luftballon größer machen. Auch mit Schallwellen ist es im Vakuum etwas anders als an normalem Luftdruck. Um dies zu untersuchen, bringen wir einen laut klingelnden Wecker ins Vakuum und siehe können feststellen, dass man auf einmal überhaupt nichts mehr hören kann.

8 Schallwellen brauchen nämlich die Luft um sich auszubreiten und wenn man die Luft absaugt, dann können sie sich nicht mehr ausbreiten und darum kann man den Wecker nicht mehr hören. Wie sieht es mit Funkwellen aus? Um das herauszufinden bringen wir ein Handy in Vakuum und probieren aus, ob man es anrufen kann. Und siehe da, der Anruf kommt durch. (Wie ihr nun wisst, können wir das Klingeln nicht hören, aber wir sehen den Anruf auf dem Bildschirm). Funkwellen können sich also im Gegensatz zu Schallwellen im Vakuum ausbreiten. Als nächstes werden wir zeigen, dass man im Vakuum Wasser ganz ohne Herd sieden lassen kann. Dazu bringen wir ein Glas mit Leitungswasser in Vakuum und stellen ein Thermometer hinein. So können wir während des ganzen Versuches die Temperatur des Wassers überprüfen. Saugt man nun die Luft ab, so fängt das Wasser tatsächlich zu Sieden an, was man am heftigen Blubbern sehr gut erkennt. Ein Blick auf das Thermometer zeigt uns, dass dies bei ca. 25 Grad Celsius passiert. Und mehr noch: je länger wir das Wasser sieden lassen, desto kälter wird es. Warum siedet Wasser im Vakuum schon bei so niedrigen Temperaturen und nicht erst bei ca. 100 Grad Celsius, so wie normal? Und warum wird es immer kälter? Wasser besteht aus lauter Wasserteilchen, die sich umher bewegen. Ab und zu wird eines aus dem Wasser heraus in die Luft gestoßen. Wenn man lange genug wartet dann sind irgendwann einmal alle Teilchen in der Luft und das Wasser ist verdunstet. Das kann man zu Hause selbst gut ausprobieren. Man stellt dazu ein Glas mit Wasser irgendwo hin und wartet. Wenn man nach ein paar Tagen wieder hinsieht, wird man feststellen, dass nun viel weniger Wasser da ist. Je wärmer das Wasser ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen darin und desto mehr Teilchen werden in die Luft gestoßen. Natürlich drücken die Luftteilchen (wie wir vom Luftballon schon wissen) gegen die Wasseroberfläche und erschweren es den Wasserteilchen an die Luft zu gelangen. Man muss die Wasserteilchen schon sehr schnell machen damit genügend an die Luft gelangen - und das ist genau das, was man macht, wenn man das Wasser am Herd zum Sieden bringt. Wenn allerdings der Gegendruck fehlt, so können die Wasserteilchen viel leichter heraus und so siedet Wasser im Vakuum schon bei viel kleineren Temperaturen. Geht auch das Gegenteil? Wenn man den Druck erhöht, dann siedet Wasser erst bei über 100 Grad Celsius.

9 Diesen Trick verwendet man zum Beispiel bei einem Druckkochtopf. Und warum wird das Wasser nun immer kälter? Immer wenn ein Teilchen aus dem Wasser in die Luft gestoßen wird, dann nimmt es eine kleine Portion Energie mit und das Wasser wird dadurch ein Wenig kälter. Am Herd merkt man das nicht, weil die heiße Herdplatte die verlorene Energie wieder nachliefert, aber ohne Herdplatte wird das Wasser immer kälter. Diesen Trick benutzt übrigens unser Körper, um sich abzukühlen. Wenn uns sehr heiß ist, dann beginnen wir zu Schwitzen: Wasser verdunstet auf unserer Haut und so wie zuvor das Wasser, so wird auch unser Körper ein Wenig kälter. Zum Schluss sehen wir noch, was mit einer Schwedenbombe im Vakuum passiert. Die Schwedenbombe beginnt zu Wachsen und kann sogar so groß werden, wie ein Handball. Der Schaum in der Schwedenbombe hat nämlich lauter kleine Luftblasen und die wachsen, wie auch der Luftballon zu Beginn. Leider werden die Schwedenbomben wieder klein, wenn sie wieder dem normalen Luftdruck ausgesetzt werden, aber man kann sie ja auch klein ganz gut essen. Mahlzeit!