Was passiert mit der Luft in einer Wasserflasche, wenn sie herunterfällt?

Wenn Sie eine Flasche ohne Restbewegung fallen lassen (dh sie dreht sich nicht usw.), befindet sich alles in dieser Flasche im "freien Fall". Die Luft und das Wasser werden versuchen, mit der gleichen Geschwindigkeit zu fallen.

Es gibt ein nettes Video darüber, was mit Wasser passiert, wenn es in der Internationalen Raumstation "verschüttet" wird : Es wird aufgrund der Oberflächenspannung zu einem "Klecks". Fügen Sie dazu eine kleine Anziehungskraft zwischen der Flüssigkeit und der Flasche hinzu, in der sie sich befindet (hydrophile Oberfläche - zieht Wasser eher an als ab), und Sie sehen, dass das Wasser aktiv am Boden der Flasche bleiben möchte: Es gibt keine Kraft dazu Bewegen Sie es weg, und es gibt tatsächlich eine (schwache) Kraft, die es dort hält.

So bleibt die Luft oben und das Wasser unten. Wenn es auf dem Boden aufschlägt, wird es ein großes Durcheinander geben - aber das ist nicht das, wonach Sie gefragt haben ...

Ich denke nichts. Beispiel 1: Berechnen Sie die effektive Geschwindigkeit eines Sauerstoffgasmoleküls, O2, bei 31,0 °C

Lösung:

$v=\sqrt{\frac{3RT}{M}}=\sqrt{\frac{3 \times 8.31447 \times 304.0}{0.0319988}}=486.8 m/s$

Das ist eine ziemlich hohe Durchschnittsgeschwindigkeit von Sauerstoffmolekülen. Die Beschleunigung der Flasche ändert daran anfangs nicht viel. Die Bewegungsrichtung der Moleküle ist zufällig, wenn die Geschwindigkeit der Flasche viel geringer ist als die oben berechnete Zahl, aber mit der Zeit driften sie relativ zur Flasche langsam nach oben.

Die Umgebung in einem frei fallenden Objekt ist die gleiche wie in einem ohne Gravitationsfeld (unter Vernachlässigung von Gradienten im Gravitationsfeld, dh Gezeitenkräften).

Bevor Sie also die Flasche fallen lassen, hält die Schwerkraft das Wasser am Boden und erzeugt einen leichten Luftdruckgradienten zwischen der Oberseite und der Wasseroberfläche sowie einen Wasserdruckgradienten zwischen der Oberfläche und dem Boden.

Wenn Sie die Flasche fallen lassen, "verschwindet" die Schwerkraft. Die Druckgradienten verschwinden. Die Luft an der Oberfläche zieht sich etwas nach oben, wenn ihr Druck sinkt. Noch wichtiger ist, dass, wenn es sich nicht um ein starres Material handelt, der Boden der Flasche etwas zurückprallt, da er keinem Wasserdruck mehr entgegenwirkt.

Der Nettoeffekt besteht darin, dass das Wasser auch ohne Luftwiderstand oder vorherige Wasserströmungen dazu neigt, zu schwappen und sich mit der Luft zu vermischen.

Ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch in einem geschlossenen Gefäß in einer Zero-G-Umgebung kann ziemlich seltsam sein. Mit genügend Zeit wird der Inhalt des Tanks schließlich zu einer ätherischen Mischung aus Flüssigkeitsklecksen, Gasblasen und Schaum. Dies schafft eine erhebliche Konstruktionsherausforderung für Tanks für flüssige Brennstoffe, die zur Verwendung im Weltraum bestimmt sind. Eine Lösung besteht darin, eine Blase zu verwenden, um die Flüssigkeit vom Schwundgas zu trennen. Das macht keinen Spaß! In einem solchen Tank gibt es kein Gemisch aus Flüssigkeit und Gas. (Außerdem ist die Blase ein Fehlerpunkt.)

Ohne eine Blase besteht die einzige Möglichkeit, Kraftstoff vom Tank zum Triebwerk zu bringen, darin, niemals aufzuhören, die Triebwerke abzufeuern (wodurch der Kraftstoff zu einem Ende des Tanks gezwungen wird), den Tank zu drehen, um den Kraftstoff zu zentrifugieren, oder Geräte zu verwenden (normalerweise passive Geräte) basierend auf der Oberflächenspannung, die den Kraftstoff sammeln. Diese werden Treibmittel-Management-Geräte genannt, und es gibt viele Patente für solche Geräte .

Kurzfristig dominiert das Schwappen des Wassers, wenn Sie die Flasche nicht ganz sauber loslassen. Da Sie den Luftwiderstand ignorieren und davon ausgehen, dass sich die Flasche in keiner Weise dreht, dominiert auf lange Sicht die Oberflächenspannung.

Unterschiedliche materielle Grenzflächen haben unterschiedliche Energien, und ohne andere Kräfte versuchen diese Energien zu minimieren. Wenn beispielsweise alles andere gleich ist, ordnen sich Wasser und Luft neu an, um die Luft/Wasser-Grenzfläche so klein wie möglich zu machen. Abhängig vom Kunststoff (und seiner Benetzbarkeit) kann die Kunststoff/Luft- oder Kunststoff/Wasser-Grenzfläche auch auf unterschiedliche Werte minimiert werden. (Ich habe 1980 3.091, „Introduction to Solid State Chemistry“, von Professor August Witt am MIT belegt; was für ein toller Dozent!)

Wenn der Kunststoff beispielsweise extrem hydrophob ist, wird die Wasser/Kunststoff-Grenzfläche minimiert und am Ende schwimmt ein großer Wasserball in der Mitte der Flasche. Oder, wenn der Kunststoff extrem hydrophil ist, dann schwebt am Ende ein großer Luftball in der Mitte der Flasche.