Warum dreht sich ein Eiswürfel beim Schmelzen im Wasser immer schneller?

Immer wenn ich einen Eiswürfel in ein Glas mit heißem Wasser stecke, damit er schnell schmilzt und sich zunächst langsam dreht, ist mir aufgefallen, dass seine Rotationsgeschwindigkeit beim Schmelzen zunimmt und „schrumpft“. Warum?

Ich dachte an Drehimpulserhaltung, aber gilt das hier wirklich? Der Teil des Eises, der zu Wasser schmilzt, würde einen Teil des Drehimpulses des Eiswürfels „mitnehmen“, wenn er abbricht und in das umgebende Wasser diffundiert. Ich sehe also keinen Grund dafür, dass sich der verbleibende Eiswürfel schneller dreht.

Mir fällt nur ein möglicher Grund ein, und es ist nur eine Vermutung: Durch die Reibung zwischen Wasser und Eis bildet der schmelzende Teil Wirbel, die sich in die entgegengesetzte Richtung zum Eiswürfel drehen, und so verliert der Eiswürfel viel weniger Impuls beim Schmelzen, da sich seine Grenze tatsächlich zusammen mit den benachbarten Wirbelgrenzen bewegt. Wenn sich die Wirbel beim Schrumpfen des Eiswürfels ausdehnen, müssten wir anscheinend daraus schließen, dass sich der Eiswürfel schneller drehen muss, um den gesamten Drehimpuls zu erhalten.

Aber eine solche Analyse scheint sehr seltsam und kann kein richtiges Bild dessen sein, was wirklich passiert, da die „Anzahl“ der Wirbel abnehmen muss, wenn der Eiswürfel schrumpft, also müssen sie sich auf irgendeine Weise verbinden, und ich habe keine Ahnung, wie überhaupt davon klappt.

Also, was dreht wirklich das Eis?

Ein Video des Schmelzens / Drehens der Eiswürfel wäre nützlich
Wann immer ich dieses Phänomen beobachtet habe, dachte ich, es korreliere mit Luftblasen in der Nähe der weißen Mitte des Würfels, die die Eisoberfläche durchbrechen, und nicht mit dem transparenten festen Eis in der Nähe der Kanten eines frischen Würfels. Ein Video würde helfen zu bestätigen, dass alle über denselben Effekt sprechen.
@rob: Ich habe nicht die Werkzeuge, um ein richtiges Video zu machen, aber ich denke nicht, dass es schwierig zu reproduzieren ist. Mein Eis besteht aus ziemlich reinem, gekochtem Wasser, aber es enthält Luftblasen, die darin eingeschlossen sind. Selbst wenn Luftblasen die Oberfläche des Eises durchbrechen (was in meinem Fall der Fall ist), wie könnte dies dazu führen, dass sich das Eis schneller dreht? Das kann ich nicht verstehen. Entweder wird der Drehimpuls von dem, was das Eis verlässt (ob geschmolzenes Wasser oder Luft), nicht ausreichend weggenommen, oder die Energie aus dem Wärmegradienten trägt bei, wie Lewis Miller vorschlägt.
Mein Eiswürfel ist auch nicht würfelförmig (wegen der Eisschale), sondern sieht ohne Eisdorn so aus. Ich bezweifle, dass die Luftblasen auf eine intrinsisch asymmetrische Weise gefangen sind, so dass ihr Entweichen ein nicht vernachlässigbares Drehmoment aufbringt.
@user21820 Ich denke an die Geschichte des Mpemba-Effekts , bei dem Jahrhunderte sehr kluger Menschen dieselben Worte verwendeten, um über leicht unterschiedliche Dinge zu sprechen, was es unmöglich machte, zu entscheiden, ob das interessierende Phänomen real war oder nicht.
@sammygerbil: Danke für diese Links! Ich konnte sie in meiner Google-Suche nicht finden, um mehr über dieses von mir beobachtete Phänomen herauszufinden.
@sammygerbil - Ich verstehe nicht, warum sich das heiße Wasser zum Würfel bewegt (weil das kalte Schmelzwasser, das dem Würfel den Drehimpuls wegnimmt, unter den Würfel sinkt, der sich synchron mit dem Würfel dreht, und auf dem Weg nach unten nachgibt dieser Drehimpuls auf das heiße Wasser, wodurch seine Rotation verringert wird) beschleunigt den Drehimpuls des Würfels. Beschleunigt das angezogene heiße Wasser nicht nur den Schmelzprozess, ohne die Rotation zu beschleunigen?
Ich habe es! Es ist natürlich der Impuls des angezogenen heißen Wassers, der dem Würfel zusätzlichen Rotationsimpuls verleiht.
Ein Smartphone reicht aus @user21820 .
@my2cts: Nein, meins ist nicht teuer genug, um ein klares Video zu bekommen. Auf jeden Fall hat sammygerbil bereits eine Website gepostet, die die Wirkung bestätigt.

Antworten (2)

Dieselbe Physik, die erklärt, warum Wasser dazu neigt, sich zu drehen, wenn Sie Ihre Badewanne entleeren, beantwortet auch diese Frage. In beiden Situationen gibt es einen abwärts gerichteten Wasserfluss, der die Restrotation verstärkt, die nach dem Füllen des Behälters verbleibt. Bei Ihrer Badewanne entsteht der Abfluss durch das Öffnen des Abflusses. Für den Eiswürfel in heißem Wasser entsteht die Abwärtsströmung, wenn das gerade geschmolzene Wasser absinkt, weil es kälter ist als das umgebende Wasser. Diese Abwärtsströmung erzeugt einen Wirbel und es ist die Wechselwirkung zwischen dem Eiswürfel und dem Wirbel, die die Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Eiswürfels verursacht.

Es gibt eine urbane Legende, die behauptet, dass die Drehrichtung in Abflüssen mit dem Coriolis-Effekt verbunden ist und sich zwischen der nördlichen und der südlichen Hemisphäre unterscheidet. Während dies auf Hurrikane und Wirbelstürme zutreffen mag, ist es ein zu geringer Effekt, um ihn auf Badewannenabflüsse oder Gläser mit heißem Wasser mit Eiswürfeln anzuwenden. Bei diesen kleineren Systemen wird die Rotationsrichtung durch die Restrotation bestimmt, die beim Füllen des Behälters entsteht. Diese kleine Restdrehung ist möglicherweise nicht wahrnehmbar, bis die Abwärtsströmung sie verstärkt.

Bearbeiten: @sammygerbil hat eine Website gefunden , die dieses Phänomen diskutiert und es demselben Mechanismus zuschreibt, den ich oben beschrieben habe.

Sie sagen also, dass der Temperaturgradient den Whirlpool antreibt. Es wäre interessant, visuelle Beweise für eine solche Bewegung im Wasser zu sehen, das einen gefärbten Eiswürfel abschmilzt. Ich habe diesen Effekt nur bemerkt, als das Wasser relativ heiß war, daher ist Ihr Vorschlag eigentlich ganz plausibel.
Zwei weitere "keine Fragen" 1. Geometrie (wenn Eis schmilzt, ändert sich die geometrische Form von einem kubischen zu eher einem schlanken Eis, wodurch die ursprüngliche Rotationsachse zu einer (von zwei) wurde, die sich leicht drehen lässt.) 2. Ich bin immer noch ein wenig misstrauisch, was die Hauptursache für "Strom" angeht, die durch die Diffusion verursacht wird. Ich dachte, vielleicht wurde der Rotationsimpuls erhalten, weil das Schmelzen beim Wegnehmen des Rotationsimpulses keine gute Arbeit geleistet hat. (Die Rotationsenergie wurde durch die Bruchkraft weggenommen, aber nicht geschmolzen)
Um einen Eindruck vom Ausmaß des Coriolis-Effekts in einem menschengroßen Wasserbehälter zu erhalten, sehen Sie sich diese synchronisierten multihemisphärischen Videos an .
@rob: Ich liebe SmarterEveryDay und Veritasium, aber es kommt mir seltsam vor, dass sie die möglichen Störvariablen nicht analysiert haben. Erstens, wenn es zufällig wäre, dann wäre die Wahrscheinlichkeit, dass das Wasser in jede Richtung wirbelt, 1/2. Zweitens, selbst wenn das Wiederholen des Experiments viele Male das gleiche Ergebnis liefert, kann dies auf eine Unregelmäßigkeit im Auslassloch oder -rohr zurückzuführen sein, die leicht die Wirbelrichtung bestimmen kann, und es wäre äußerst schwierig zu beweisen, dass keine solche Unregelmäßigkeit vorhanden war Dort...
@Lewis Miller- Nimmt der nach unten gerichtete Strudel aus kaltem Schmelzwasser unter dem Eiswürfel nicht synchron mit der abnehmenden Größe des Würfels ab? Oder anders gesagt, ist dieser Prozess nicht maßstabsinvariant, so dass er nicht für die erhöhte Drehzahl verantwortlich ist? Was würde bedeuten, dass ein anderer Mechanismus dafür verantwortlich ist?
@descheleschilder Um Ihre Frage zu beantworten, wäre wahrscheinlich ein Forschungsprojekt zur numerischen Strömungsdynamik erforderlich. Ich dachte an diesen Aspekt, entschied aber, dass die Whirlpool-Rotation anfangs schneller sein würde als die Würfelrotation. Die Reibungskraft auf den Würfel würde die Rotation des Würfels beschleunigen, bis er sich der Rotationsgeschwindigkeit des Whirlpools annähert. Schließlich wird Ihr Punkt dominieren, aber der Drehimpuls, den der Würfel während dieser anfänglichen "Beschleunigungsphase" erlangt, bleibt bestehen es bewegt sich eine Weile schnell. Ein aktuelles Video, um dieses Problem in der Nähe des Endpunkts anzugehen, würde helfen.
Haben Sie etwas dagegen, die Links aufzunehmen, die Sammy Rennmaus gefunden hat? Danke!
@Lewis Miller- Ist der von Ihnen beschriebene Prozess, aufgrund dessen der Würfel eine erhöhte Rotation hat, nicht ein anderer als der Prozess, der auf der von sammygerbil eingesandten Website beschrieben wird? Ich denke, eine entscheidende Zutat fehlt: die Anziehung von heißem Wasser durch das sinkende kalte Wasser (das heiße Wasser füllt sozusagen den Hohlraum auf, den das nach unten strömende kalte Wasser hinterlässt), das einen linearen Impuls hat und dieser lineare Impuls ist (durch ein Drehmoment) in eine zunehmende Rotationsgeschwindigkeit des Eiswürfels umgewandelt. Ihre Antwort ist jedoch sehr inspirierend!
@Lewis Miller - Ich glaube nicht, dass es der gleiche Mechanismus ist, weil in dem von sammygerbil bereitgestellten Link nicht geschrieben steht, dass es einfacher ist, sich im Whirlpool zu drehen, weil der Eiswürfel kleiner wird, weil auch der Whirlpool kleiner wird. Das sinkende kalte Wasser zieht heißes Wasser an, das einen linearen Impuls erhält, der wiederum ein Drehmoment erzeugt, das auf den Würfel wirkt und ihn schneller drehen lässt.
@descheleschilder Sie haben wahrscheinlich Recht, dass der Hauptgrund für die Beschleunigung der Eiswürfeldrehung nicht ihre abnehmende Größe ist. Ich vermute, dass es wirklich seine Wechselwirkung mit dem Vortex ist, die ihn beschleunigt. Das war wirklich das, was ich in meiner Antwort mit "dem Mechanismus" gemeint habe. Die von Sammy gefundene Website schlägt tatsächlich vor, den Eiswürfel "vorsichtig" in das Wasser zu legen, während er (das Wasser) sich nach dem Rühren noch dreht. Die Frage legt nahe, dass es der Eiswürfel war, der sich „langsam drehte“. Ich werde meine Antwort bearbeiten, um den Verweis auf die abnehmende Größe des Würfels zu entfernen.
Als Referenz habe ich jetzt einige Male beobachtet, wie sich der eigentliche Wirbel bildet (wahrscheinlich aufgrund mikroskopisch kleiner Blasen, die im Eis eingeschlossen sind und nach unten gezogen werden), und er wird mit der Zeit stärker, während das Eis schmilzt, also denke ich, dass Ihre ursprüngliche Intuition das ist Der Wirbel beschleunigt tatsächlich (anstatt sich nur zu drehen), das Eis war richtig.

Das ist eine sehr schöne Frage, um damit zu beginnen! Lassen Sie mich auf das zurückkommen, was bereits auf der von sammygerbil eingesandten Website beschrieben ist. Wenn der rotierende Eiswürfel schmilzt, bewegt sich das kalte Schmelzwasser unter dem Würfel nach unten und nimmt ihm Drehimpuls. Der Wirbel unter dem rotierenden Würfel wird bei Annäherung an den Boden geringer, da der Drehimpuls von dem ihn umgebenden heißen Wasser aufgenommen wird.
Das nach unten fließende kalte Wasser zieht heißes Wasser an (das nach unten fließende kalte Wasser muss durch anderes Wasser aufgefüllt werden, und dies kann sowohl heißes Wasser als auch Schmelzwasser sein, aber das heiße Wasser überwiegt möglicherweiseklar sein), der einen linearen Impuls gewinnt, und dieser lineare Impuls wird anschließend (durch ein Drehmoment, das auf den Würfel wirkt, das durch das angezogene heiße Wasser verursacht wird) in einen erhöhten Drehimpuls des Eiswürfels umgewandelt.
Ich glaube also nicht, dass sich der Würfel schneller dreht, weil sich ein kleinerer Würfel im Whirlpool leichter drehen lässt, weil der Whirlpool unter dem Schmelzwürfel beim Schmelzen auch kleiner wird (Skaleninvarianz).

Warum dreht sich ein Eiswürfel beim Schmelzen im Wasser immer schneller?
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