Dieses physikalische Phänomen, bekannt als der "Bashilin-Effekt", erstaunt uns mit seiner Ungewöhnlichkeit und zieht die Aufmerksamkeit von Forschern aus der ganzen Welt auf sich. Es besteht darin, dass es sich langsam und allmählich dreht, wenn Flüssigkeit aus einem geschlossenen Gefäß austritt. Warum passiert das?
Wie sich herausstellte, liegt der Grund für dieses Phänomen darin, dass die ausströmende Flüssigkeit einen Teil des Impulsmoments des Systems mit sich führt, was zu einer Drehung des Gefäßes führt. Der Arbeitsmechanismus ist ziemlich komplex und erfordert Kenntnisse der Grundlagen der Physik, aber Sie können versuchen, dies im Allgemeinen zu erklären.
Wenn Flüssigkeit aus dem Gefäß austritt, tritt eine Druckdifferenz zwischen dem oberen und unteren Teil des Gefäßes auf, was zu einer entlang der Gefäßachse gerichteten Kraft führt. Als Ergebnis dieser Kraft entsteht eine Drehung des Gefäßes.
Wie funktioniert der physische Prozess?
Der physikalische Prozess, bei dem sich ein an einem Strang hängendes Gefäß beim Austreten von Wasser zu drehen beginnt, wird als Corioliseffekt bezeichnet. Dieser Effekt entsteht durch die Rotation der Erde und verändert die Richtung des Wasserflusses.
Wenn das Wasser aus der Öffnung des Gefäßes zu fließen beginnt, bewegt es sich in einer geraden Linie. Aufgrund der Rotation der Erde bewegt sich der Abflusspunkt auf der Erdoberfläche jedoch schneller als Wasser, wodurch das Wasser in seiner Bewegung zurückbleibt. Dies führt dazu, dass sich die Richtung des Wassers relativ zur Erde ändert und gekrümmt wird.
Die Änderung der Wasserrichtung wirkt sich auf das Gefäß aus, das an den Fäden aufgehängt ist. Wenn Wasser fließt, nimmt der Fluss eine spiralförmige Form an und das Gefäß beginnt sich von der Richtung des Wasserflusses in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Dies liegt an der Beibehaltung des Winkelmoments des Systems - wenn sich die Richtung des Wasserflusses ändert, bewirken die Reibungskräfte, dass sich das Gefäß dreht.
Die Wirkung von Coriolis ist nur wichtig, wenn große Mengen Wasser oder Gas über große Entfernungen bewegt werden. Im täglichen Leben ist es normalerweise nicht sichtbar. Bei Experimenten oder bei größeren Systemen kann die Wirkung von Coriolis jedoch signifikant werden.
Warum fließt Wasser aus dem Gefäß?
Das Wasser fließt aufgrund des Gesetzes, das Momentum des Impulses zu erhalten, aus dem Gefäß aus. Wenn das Wasser zu fließen beginnt, bildet es einen Strahl, der eine gewisse Menge an Impuls hat. Das Gefäß, in dem sich das Wasser befindet, hat auch eine gewisse Menge an Impuls. Beim Austreten überträgt das Wasser den Impuls in Form einer jetzigen Bewegung an das Gefäß und verursacht seine Rotation.
Dieser Prozess basiert auf dem Prinzip des Handelns und der Gegenwirkung. Wenn das Wasser ausläuft, beginnt es sich nach unten zu bewegen, was eine Strahlbewegung in die entgegengesetzte Richtung am Gefäß verursacht. Das Momentum-Erhaltungsgesetz verlangt, dass die Summe der Momentum-Impulse des Systems unverändert bleibt. Um das Momentum des Impulses zu erhalten, beginnt sich das Gefäß daher in die entgegengesetzte Richtung zu drehen.
Somit führt das Austreten von Wasser aus dem Gefäß zu seiner Rotation, da die Bewegung des Wassers die entgegengesetzte Strahlbewegung des Gefäßes nach dem Gesetz der Momentumspeicherung des Impulses bewirkt.
Warum beginnt sich das Gefäß zu drehen?
Der Effekt, dass sich das Gefäß dreht, wenn Wasser austritt, wird durch eine Ursache erklärt, die als Coriolis-Effekt bekannt ist. Der Coriolis-Effekt entsteht durch die Rotation der Erde und beeinflusst die Bewegung aller Körper, einschließlich des Wassers. Wenn Wasser aus dem Gefäß zu den Fäden fließt, nimmt das Wasser eine Winkelgeschwindigkeit um die vertikale Achse an. Dies liegt daran, dass die vertikale Drehachse des Gefäßes stationär bleibt und das Gefäß selbst sehr leicht ist und Wind oder kleinen Kräften ausgesetzt sein kann.
Wenn also Wasser aus dem Gefäß zu fließen beginnt, erhält es einen Kraftmoment, der durch die Wirkung von Coriolis entsteht. Dieser Kraftmoment bewirkt, dass sich das gesamte System, einschließlich des Gefäßes, um die vertikale Achse dreht. Dadurch beginnt sich das Gefäß zu drehen.
Warum verhält sich das Gefäß so?
Ein Gefäß, das an einem Faden aufgehängt ist, beginnt sich zu drehen, wenn Wasser aus ihm austritt. Dieses Phänomen wird durch das Gesetz der Momentumspeicherung erklärt.
Wenn das Wasser aus dem Gefäß zu fließen beginnt, nimmt es eine gewisse Geschwindigkeit an, was bedeutet, dass es einen Impuls hat. Das Gefäß hat zusammen mit dem darin verbliebenen Wasser auch seinen Impuls, da das gesamte Gefäß zusammengedrückt ist und sich mit der Flüssigkeit nach unten bewegt.
Da das Gefäß jedoch an einem Faden aufgehängt ist und keine Stütze hat, kann es sich frei um seine Achse drehen. Wenn Wasser ausläuft, muss das Systemimpulsmoment (Gefäß + Wasser) erhalten bleiben.
Aus diesem Grund beginnt sich das Gefäß in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, um das Momentum des Impulses beizubehalten. Da das Wasser beim Austreten eine gewisse Masse und Geschwindigkeit aufweist, ist sein Impuls wesentlich größer als der Impuls des im Gefäß verbleibenden Wasservolumens.
Somit verhält sich das Gefäß aufgrund des Gesetzes, das Momentum des Impulses zu erhalten, so - wenn Wasser aus dem Gefäß austritt, um das Gesamtmoment des Systemimpulses zu erhalten, beginnt sich das Gefäß in die entgegengesetzte Richtung zu drehen.
Die Rolle des Eckmomentschutzgesetzes
Bei der Untersuchung der Drehung eines an einem Faden hängenden Gefäßes, wenn Wasser austritt, spielt das Gesetz zur Erhaltung des Winkelmoments eine wichtige Rolle. Um dieses Gesetz zu verstehen, müssen die grundlegenden Konzepte der Winkelbewegung berücksichtigt werden.
Das Winkelmoment ist ein Wert, der die Fähigkeit des Körpers charakterisiert, eine Drehbewegung um die Achse zu machen. Es wird durch das Produkt des Kraftmoments in der Entfernung von der Rotationsachse zum Anwendungspunkt dieser Kraft bestimmt. Das Winkelmoment wird in N · m (Newtonmeter) ausgedrückt.
Das Gesetz zur Erhaltung des Winkelmoments besagt, dass das Winkelmoment des Körpers in einem Rotationssystem, in dem die äußeren Momente der Kräfte nicht wirken, während der gesamten Bewegungszeit konstant bleibt.
Bei einem Gefäß, das an einem Strang hängt, wirken beim Auslaufen von Wasser zwei Faktoren, die zur Rotation beitragen:
- Das Gravitationsmoment der Kraft. Die Drehung erfolgt unter dem Einfluss der Schwerkraft, die auf den Massenmittelpunkt des Gefäßes aufgebracht ist und senkrecht nach unten wirkt.
- Trägheitsmoment. Das Trägheitsmoment eines Körpers bestimmt seine Rotationsträgheit und hängt von seiner Form und der Verteilung der Masse relativ zur Rotationsachse ab. Je größer das Trägheitsmoment ist, desto geringer ist die Winkelgeschwindigkeit und umgekehrt.
Wenn das Wasser aus dem Gefäß zu fließen beginnt, ändert sich das Trägheitsmoment des Systems: wenn der Abstand von der Drehachse zum Punkt der Kraftanwendung abnimmt, beginnt sich das Wasser schneller zu bewegen, was zu einer erhöhten Winkelgeschwindigkeit und dementsprechend zu einem erhöhten Winkelmoment führt.
Infolgedessen erfordert das Gesetz zur Erhaltung des Winkelmoments eine Kompensation der Änderung des Trägheitsmoments, die durch Drehen des Gefäßes in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Dies erzeugt eine Drehung des Gefäßes, wenn Wasser austritt und das System im dynamischen Gleichgewicht hält.
Das Gesetz der Erhaltung des Winkelmoments spielt nicht nur eine wichtige Rolle beim Verständnis der Drehung des Gefäßes beim Auslaufen von Wasser, sondern auch bei der Lösung vieler anderer Probleme, die mit der Winkelbewegung von Körpern verbunden sind.
Die Rolle des Energieerhaltungs-Gesetzes
Wenn Wasser aus dem Gefäß austritt, verschwindet die Energie des Systems nicht, sondern wird einfach umgewandelt. Zu Beginn hat das System eine potentielle Energie, die mit der Höhe der Position des Gefäßes zusammenhängt. Wenn Wasser zu fließen beginnt, beginnt diese potentielle Energie in die kinetische Energie der Gefäßrotation umzuwandeln.
Um diesen Prozess zu verstehen, kann man sich ein Gefäß vorstellen, das an einem Strang hängt, als mathematisches Pendel. Bei Beginn des Austritts wirkt das Wasser auf das Gefäß mit einer Kraft, die in Richtung des Austrittsstopps gerichtet ist. Aber da das System Energie sparen muss, bewirkt diese Kraft, dass sich das Gefäß dreht.
Das Gesetz zur Energieeinsparung erklärt auch, warum das Gefäß beginnt, sich in eine Richtung zu drehen. Die Drehung erfolgt in der entgegengesetzten Richtung zum Wasseraustritt. Dies liegt daran, dass das Wasser beim Auslaufen zusätzliche kinetische Energie erhält und das Gefäß einen Teil seiner potentiellen Energie verliert. Infolgedessen versucht das System, die Gesamtenergie zu speichern und bewirkt, dass sich das Gefäß in die entgegengesetzte Richtung dreht.
Daher spielt das Gesetz zur Erhaltung der Energie eine wichtige Rolle bei der Erklärung der Rotation eines Gefäßes beim Auslaufen von Wasser. Dieses Gesetz bestätigt, dass die Energie nicht verschwindet, sondern von einer Form in eine andere umgewandelt wird, was die Bewegung und Rotation des Gefäßes ermöglicht.
