Wasser und Luft

Die Welt besteht aus fünf Elementen Feuer, Wasser, Luft, Erde und Äther. Die ersten vier sind irdischer Natur, das fünfte erfüllt den Himmel.

Aristoteles

Aufsteigende Blasen

Es macht Spaß, Luft in die viskose Flüssigkeit zu pumpen - vielleicht gemeinsam, da die Pumpe recht schwergängig ist. Nun lassen sich die Blasen in Ruhe betrachten - ihre "Überholvorgänge", Kollisionen und Verschmelzungen! Je größer die Gasblasen sind, desto schneller steigen sie in einer Flüssigkeit auf, da mit zunehmender Größe der Auftrieb viel schneller wächst als der Strömungswiderstand. So werden Strömungsphänomene eindrucksvoll vor Augen geführt - ein ästhetischer Genuss!

Auftrieb

Gegenstände erscheinen uns im Wasser leichter als an der Luft, obwohl die Masse des Körpers gleich bleibt! Bei der Station "Auftrieb" wird eine Kugel innerhalb und außerhalb des Wassers per Seil hochgezogen. Im Wasser wirkt die Auftriebskraft der Gewichtskraft entgegen - dadurch erscheint die Kugel leichter.

Cola Light

Der Auftrieb eines Gegenstandes, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, hängt von dessen Volumen ab. Bei einem Gegenstand mit geringerer Dichte als die Flüssigkeit reicht dieser Auftrieb aus, um ihn am Untergehen zu hindern, bei höherer Dichte geht er unter. An einem Bügel sind Literflaschen mit Coca Cola und Coca Cola light aufgehängt, die man in ein Wasserbecken absenkt. Die Cola-light-Flasche schwimmt, denn die kleine Luftblase in der Flasche liefert genügend Auftrieb. Die Cola-Flasche hingegen sinkt, denn sie enthält sehr viel Zucker (106 Gramm pro Liter!) und somit eine deutlich höhere Dichte als Wasser!

Coriolis Brunnen

Ein anschauliches Phänomen mit Wasser! Wasser aus einer horizontal im Kreis geführten Düse, die zur Drehachse zielt, nimmt beim Weg durch die Düse an deren Bewegung teil und wird in die Richtung mitgenommen. Dadurch spritzt das Wasser nicht genau zur Drehachse, sondern in Bewegungsrichtung daneben. Wasser, das von der Drehachse weg spritzt, wird ebenfalls in Bewegungsrichtung mitgenommen. Weiter weg von der Achse müsste es aber schneller werden, um mit der Drehung mitzuhalten, denn „außen herum“ bedeutet einen längeren Weg als „innen herum“. Da das Wasser nach Verlassen der Düse frei fliegt, behält es seine Geschwindigkeit und bleibt zurück.

Eisberg

Unser Eisberg-Modell zeigt klar und ästhetisch, dass nur die Spitze eines Eisbergs über Wasser zu sehen ist, während  sich ca. 85% des gesamten Eisbergs unter Wasser befinden. Beim Annähern ist nur die Spitze des Eisbergs sichtbar. Nach Drücken einer Taste wird die Beleuchtung und die Transparenz der blauen Folie aktiviert. Nun sieht man auch den großen Teil des Eisbergs unter Wasser – schön beleuchtet!

Geysir

Wie beim berühmten und eindrucksvollen Natur-Phänomen spritzen Wasserfontänen kraftvoll und ohne Vorwarnung nach oben. Ist das Wasser im Kolben heiß genug, entsteht Gas. Je höher der Siedepunkt im Kolben – desto höher der erzeugte Druck. Ist er hoch genug, schnellt das heiße Wasser nach oben. Sobald es das kalte Wasser in der Schüssel berührt, spritzt Wasser als Fontäne hoch.

Kartesischer Taucher

Der Kartesische Taucher besteht im Mittelpunkt aus einer durchsichtigen Röhre, die mit Wasser gefüllt ist. Eine kleine Flasche, die etwas Luft enthält und auf den Kopf gestellt ist, kann durch Änderung des Druckes in der Flüssigkeit sinken und wieder aufsteigen. In der Ausgangsstellung schwimmt diese am oberen Ende des Zylinders. Erhöht man den Druck über das Pedal, wird die Luftblase im Objekt zusammen gedrückt und damit der Auftrieb verringert : die Flasche taucht ab. Lässt der Druck nach, taucht das Objekt wieder auf.

Klebeluft

Überraschendes Experiment: Die von oben herausströmende Luft sorgt dafür, dass die Platte an der Öffnung „klebt“, da ein Unterdruck entsteht. Aber: Die Platte muss gegen den Druck des Luftstroms nahe genug an die Austrittsöffnung herangebracht werden, damit die Strömungsgeschwindigkeit groß genug und der Druck über der Platte klein genug ist, um frei zu schweben.

Knickwasser

Die sogenannte optische Dichte von Wasser ist größer als die von Luft. Dieser Umstand führt dazu, dass Licht beim Übergang von Wasser zu Luft von seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt wird (Lichtbrechung) — es verläuft flacher oder wird sogar reflektiert. Schaut man durch eine Wasseroberfläche einen untergetauchten Gegenstand an, so erscheint er unter einem flacheren Winkel, als wenn das Wasser nicht vorhanden wäre. Er wird also scheinbar angehoben. Ein schräg in Wasser eingetauchter Stab scheint an der Wasseroberfläche einen Knick zu haben, da der unter Wasser befindliche Abschnitt angehoben erscheint.

Parabel

Auf Grund der Fliehkräfte strebt die Flüssigkeit von der Drehachse weg, wenn man dem Behälter Anschwung gibt. Die Oberfläche ist bei der Drehachse am tiefsten und steigt nach außen hin parabelförmig an – je stärker die Rotation, desto steiler. In jeder Variante (Behälter rundum gefüllt oder nur in einem abgetrennten Schlitz) ist dies ein schönes Phänomen, das vorerst einige Action erfordert!

Paraboloid

Auf Grund der Fliehkräfte strebt die Flüssigkeit von der Drehachse weg, wenn man dem Behälter Anschwung gibt. Die Oberfläche ist bei der Drehachse am tiefsten und steigt nach außen hin parabelförmig an – je stärker die Rotation, desto steiler. In jeder Variante (Behälter rundum gefüllt oder nur in einem abgetrennten Schlitz) ist dies ein schönes Phänomen, das vorerst einige Action erfordert!

Rippelbecken

Hin und her strömendes Wasser kann auf Sanduntergrund eine wellenförmige Struktur erzeugen. Kleinste Unregelmäßigkeiten in einer anfangs ebenen Sandoberfläche vergrößern sich, da durch das Wasser Sandkörner von ebenen Sandflächen weg bewegt werden und vorzugsweise dort liegen bleiben, wo sich schon andere Körner angesammelt haben. In einem aufgehängten Becken befindet sich ein wenig Sand, der etwa 2 mm hoch mit Wasser bedeckt ist. Lässt man das Becken sanft hin und her schaukeln, bilden sich auffällige wellenförmige Strukturen im Sand — wie im flachen Wasser an der Küste.

Sandrifuge

Wird der Glasbehälter, der mit Wasser und Sand gefüllt ist, gedreht, entstehen schöne, sinnliche Muster. Durch verschiedene Geschwindigkeiten oder plötzliches Stoppen kann der Besucher immer wieder neue Bilder erzeugen!

Schwebeball

Es ist schon geheimnisvoll, wie der Ball im Luftstrom schwebt und nicht wegfliegt, herunterfällt oder zu den Seiten ausschert. Durch den freien Zugang lässt sich das beeindruckende Phänomen leicht erleben, indem das Gebläse geneigt oder der Luftstrom mit den Händen beeinflusst wird. Verantwortlich für das Phänomen ist der geringere Druck in der strömenden Luft. Auf eine in der Strömung befindliche Fläche wirkt daher an der Oberfläche eine kleinere Kraft, so dass der Ball, vergleichbar mit dem Flügel eines Flugzeuges, einen Auftrieb erfährt.

Sedimentationsröhren

Sobald der Rahmen mit den Röhren gedreht wird, sinkt der Sand durch das Wasser nach unten und die verschiedenen Sinkgeschwindigkeiten lassen sich gut beobachten und vergleichen. Die vier Röhren sind mit Wasser und unterschiedlich grobem Sand gefüllt. Ein großes Sandkorn sinkt im Wasser schnell nach unten - zerbröselt man es in viele kleine Körnchen, sinken diese viel langsamer. Durch die größere Querschnittfläche steigt der Strömungs-widerstand, obwohl das den Sand nach unten treibende Gewicht unverändert bleibt.

Sinkendes Schiff

Luftblasen im Wasser verringern den Auftrieb eines darin schwimmenden Gegen-standes, da das Wasser sozusagen mit Luft „verdünnt“ ist und damit nicht mehr so gut trägt. Die Besucher können Luft in das Wasser pumpen. Sobald die Bläschen das Boot erreichen, sinkt es. Erreicht es bläschenfreies Wasser, steigt es wieder auf.

 

 

Strömungskugel

Die Acrylkugel ist mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt, die die Verwirbelungen, die bei Rotation im Inneren der Kugel entstehen, besonders gut sichtbar macht.

Tornado

Kaum wahrnehmbare Luftbewegungen werden verstärkt, wenn Luft sich der Drehachse eines Tornados nähert - wie bei einer Pirouette. Steigt die Luft in der Drehachse auf, strömt weitere Luft nach und verstärkt die Drehung. Ein breiter Schlitz im Zylinder ermöglicht es, den Nebelschlauch mit den Händen oder durch Pusten zu beeinflussen und seine Reaktion auf diese Störungen zu studieren.

Vakuumbrunnen

Wasser kann in einem Rohr auch stellenweise aufwärts fließen, wenn es sich insgesamt von höherem zu tieferem Wasserstand bewegt. Aus einem offenen Vorratsbehälter mit hohem Wasserstand steigt das Wasser in den oberen geschlossenen Behälter, erzeugt durch eine Düse einen Springbrunnen und fließt anschließend in den zweiten unteren Behälter ab. Der Springbrunnen wird durch die unterschiedlichen Wasserstände im leerlaufenden und im volllaufenden Behälter angetrieben. Wenn sich die Wasserstände in den beiden unteren Behältern angeglichen haben, versiegt der Brunnen. Mit einer Handpumpe lässt sich Wasser wieder zurück transportieren und so der ursprüngliche Niveauunterschied wieder herstellen.

Wassernetz

Grundregeln: Kohäsion (und die dadurch hervorgerufene Oberflächenspannung) hält Flüssigkeiten zusammen, durch Adhäsion haften sie an Oberflächen. Werden zwei aufeinander liegende Platten auseinander gezogen, zwischen denen sich ein wenig Flüssigkeit befindet, so zieht sich der benetzte Bereich zusammen, da durch den größeren Abstand mehr Höhe zur Verfügung steht, also seitlich nicht mehr so viel Platz benötigt wird. Die Adhäsion „will aber nicht loslassen“, und so kommt es zu einem interessanten Wechselspiel zwischen Adhäsion und Kohäsion. Dieses führt zu faszinierenden filigranen Strukturen.

Wasserspringschale

Am Schluss – so moderne Physik und alte Weisheitslehre unisono – ist alles „Welle“. So auch bei dieser bronzenen Wasserspringschale, die zu zwei Dritteln mit Wasser gefüllt wird. Reibt man mit feuchten Händen über die beiden Griffe, gerät sie in eine Schwingung, die sich hörbar in einem Ton und sichtbar in zahlreichen kleinen Fontänen an der Wasseroberfläche manifestiert.

Wellenbecken

Wellen sind uns durch viele Erfahrungen vertraut – ihre genaue Beobachtung ist in der Natur jedoch nur schwer möglich. Bei dem ästhetischen Wellenbecken kann der Besucher die Bewegungen gut beobachten. Die Schichtung zweier Flüssigkeiten verlangsamt die Bewegungsabläufe so, dass Entstehung und Ausbreitung von Wellen gut verfolgt werden können. Wird das Becken immer im richtigen Moment gekippt und die Energie dadurch phasenrichtig zugeführt, entwickeln sich die Wellen zu Brechern, die sich wie in der freien Natur verhalten und kippen.

Windtisch

Testen Sie eines der Flugobjekte. Wie lange kann es schweben?

Wirbelzylinder

Hier entsteht eine trichterförmige Vertiefung, die bei hoher Rotationsgeschwindigkeit als dünner Schlauch weit nach unten reichen kann. Die Fliehkräfte lassen die rotierende Flüssigkeit von der Drehachse weg streben. Da sich der Behälter nicht mit dem Wasser mit dreht (wie beim Paraboloid), ist durch Reibung des Wassers an der Zylinderwand die Rotation in der Mitte schneller als außen, die Fliehkräfte wirken deshalb hauptsächlich in der Mitte.