Warum schwimmt ein Korken an der Seite eines Glases?

Es ist eine Kombination aus zwei Effekten: Auftrieb und Haftung.

Der Auftrieb hebt den Korken so weit wie möglich an, bis er sein eigenes Gewicht an Wasser verdrängt (Archimedisches Prinzip). Aus diesem Grund sucht sich der Korken den höchsten Punkt des Wasserspiegels.

Aufgrund der Adhäsion zwischen den Wassermolekülen und dem Glas ist der Wasserstand an den Rändern am höchsten (der Wasserstand ist konkav). Dadurch bewegt sich der Korken zu den Seiten.

Wenn Sie das Glas bis zum Rand füllen würden, wird der Wasserspiegel konvex (aufgrund der Oberflächenspannung) und der Korken bleibt in der Mitte.

Siehe auch diese Seite und dieses YouTube-Video .

Zusatzinformation

Durch Zufall tauchte gestern in einer niederländischen Wissenschaftssendung eine sehr ähnliche Frage auf, und ich erfuhr, dass es tatsächlich einen Namen für dieses Phänomen gibt: den Cheerios-Effekt . Der Name leitet sich von der Tatsache ab, dass kleine schwimmende Objekte auf einer Flüssigkeit, wie Blasen auf Wasser oder Cheerios auf Milch, dazu neigen, zusammenzuklumpen oder an den Wänden zu haften.

Der Grund ist der gleiche wie bei meiner obigen Antwort: Auf ein schwimmendes Objekt wirken zwei Kräfte: der Auftrieb (der versucht, das Objekt aus der Flüssigkeit zu drücken) und die Oberflächenspannung (die versucht, das Objekt in der Flüssigkeit zu halten). Das Ergebnis ist ein Kompromiss, bei dem das Objekt teilweise aus der Flüssigkeit herausgedrückt wird, wodurch sich die Oberfläche verformt: Es bildet sich ein kleiner Hügel.

Schwimmende Objekte in der Nähe sind von dieser Verformung betroffen: Ein schwimmendes Objekt sucht den höchsten Punkt in einer Flüssigkeit (der Auftrieb bewirkt, dass es aufsteigt und sich entlang der Oberfläche nach oben bewegt), sodass es sich auf den vom anderen Objekt gebildeten „Hügel“ zubewegt. Daher werden sich Blasen (oder Cheerios) zusammenballen.

Ein ähnlicher Effekt tritt bei Gegenständen auf, die dichter als die Flüssigkeit, aber nicht zu schwer sind, damit sie dank der Oberflächenspannung nicht absinken. Büroklammern sind ein Beispiel. Diese Objekte drücken die Flüssigkeit tatsächlich nach unten und erzeugen ein kleines „Tal“ in der Oberfläche um sie herum. Aber ein solches Objekt wird auch den tiefsten Punkt auf der Oberfläche suchen, was bedeutet, dass nahegelegene dichte Objekte wieder voneinander angezogen werden. Also häufen sich auch Büroklammern an.

Was passiert, wenn ein Objekt, das weniger dicht als die Flüssigkeit ist (z. B. ein Cheerio) neben einem Objekt steht, das dichter als die Flüssigkeit ist (z. B. eine Büroklammer)? Der erste erzeugt einen Hügel und sucht den höchsten Punkt, der zweite erzeugt ein Tal und sucht den tiefsten Punkt. Das Ergebnis ist also, dass sie sich gegenseitig abstoßen !

Es gibt ein sehr schönes Papier, das diese Effekte ausführlicher erklärt:

Der „Cheerios-Effekt“ (Vella & Mahadevan, 2004) .

Was zu passieren scheint, ist, dass Kapillareffekte in Gegenwart der Schwerkraft eine Situation schaffen, in der der Korken, der im Glas maximal dezentralisiert ist, einer minimalen Energiekonfiguration entspricht.

Meine Vermutung ist, dass der Korken nicht benetzt und daher von einer Wasseroberfläche umgeben ist, die sich in der Nähe des Korkens nach unten biegt, wodurch eine geringfügige Gesamterhöhung des Wasserspiegels im Glas entsteht. Da der Korken am Rand des Glases anliegt, wird dieser Anstieg des Wasserspiegels minimiert.

Wenn das alles stimmt, sollte der Effekt verschwinden, wenn der Kork durch ein wasserbenetztes Schwimmmaterial ersetzt wird.

Ich habe die Antwort auf diese Frage in einem 1914 veröffentlichten Buch nachgeschlagen - man wird mit 99 Jahren nicht oft zitiert! Für die Interessierten ist das Buch "A Textbook of Physics Vol 1" von JH Poynting und JJ Thompson, Seite 188 in meinem Exemplar. Das ist übrigens derselbe JJ Thompson, der das Elektron entdeckt hat – Poynting hat einen nach ihm benannten Vektor, von dem aber wahrscheinlich nur Physiker gehört haben.

Angenommen, Sie haben zwei parallele Platten, die teilweise in eine Flüssigkeit eingetaucht sind. In unserem Fall ist eine Platte die Wand des Bechers und die andere die Seite des Korkens (sie sind nicht genau parallel, aber es ist eine vernünftige Annäherung.

Die Flüssigkeit zwischen den Platten steigt durch Kapillarwirkung nach oben . Die Steighöhe ergibt sich aus :

Wo$\gamma$ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und$\theta$ist der Kontaktwinkel,$\rho$ist die Dichte der Flüssigkeit und$g$die Erdbeschleunigung. Es ist der Kapillaranstieg, der die Anziehungskraft zwischen den Platten oder in diesem Fall zwischen dem Korken und dem Becher verursacht, aber die Erklärung für diese Kraft ist wahrscheinlich nicht das, was Sie denken.

Es ist verlockend zu glauben, dass es die Oberflächenspannung ist, die die Platten zusammenzieht, aber Poynting zeigt, dass sich die Oberflächenspannung auf den beiden Seiten jeder Platte immer ausgleicht, dh die Oberflächenspannung verursacht keine Nettokraft auf die Platte. Das Argument dafür ist subtil und ich werde es hier nicht wiedergeben – überprüfen Sie Poyntings Buch für die blutigen Details.

Die Kraft wird erzeugt, weil der Bereich des angehobenen Wassers zwischen den Platten einen Druck von weniger als dem atmosphärischen Druck hat, sodass der Druck außerhalb der beiden Platten 1 atm beträgt, aber in der Flüssigkeit zwischen den Platten weniger als 1 atm. Das Ergebnis ist eine Nettokraft, die die Platten zusammenzieht. Diese Druckminderung geschieht, weil die Krümmung des Meniskus an der Spitze des angehobenen Wassers eine Spannung auf das Wasser ausübt, was offensichtlich ist, weil das Wasser dadurch nach oben gezogen wird. Der durchschnittliche Druckunterschied zwischen dem erhabenen Film zwischen den Platten und der Atmosphäre außerhalb ist einfach:

Verwenden Sie also unsere Gleichung für$h$oben erhalten wir:

wobei das Minuszeichen anzeigt, dass der Druck zwischen den Platten geringer ist.

Es gibt also immer eine Anziehungskraft zwischen den Platten, und diese Kraft ist proportional zu$d^{-1}$, weshalb der Korken beschleunigt, wenn er sich der Seite des Bechers nähert.

Faszinierend! Ich vermute, dass der Korken von der Seite des Glases angezogen wird, da er die Oberflächenspannung des Wassers minimiert. Zur Verdeutlichung bearbeiten: Indem der Korken zur Seite des Glases geht, minimiert er die Länge der Grenzfläche zwischen dem Wasser und den anderen Materialien, die mit dem Wasser in Kontakt kommen.