Wenn Sie ein Getränk mit einem Eiswürfel trinken und das Glas wirbeln, scheint die Flüssigkeit selbst zu wirbeln, aber der Eiswürfel bleibt ungefähr an der gleichen Stelle. Warum ist das?
Ihre Behauptung, dass das Drehen des Glases dazu führt, dass sich auch die Flüssigkeit darin dreht, enthält möglicherweise nur ein Körnchen Wahrheit und viel optische Täuschung. Es ist äußerst schwierig, die Bewegung des Wassers oder auch nur die genaue Position seiner Oberfläche zu sehen; Gerade bei ruhigem Wasser ist dies für Piloten von See- oder Amphibienflugzeugen eine häufige Ursache für Fehllandungen. Was wir wahrnehmen, sind Form, Wellen und Kräuselungen der Wasseroberfläche. Diese Formen neigen dazu, sich ganz anders zu bewegen als das Wasser, das sie bildet, weil Wasser, das einfach steigt und fällt, die Illusion einer sich vorwärts bewegenden Welle erwecken kann (wenn das Wasser davor eine solche Bewegung zu einem etwas späteren Zeitpunkt beginnt).
Was wahrscheinlich passiert, ist, dass ein kleiner Teil des Spins, den Sie auf das Glas übertragen, auf das Wasser übertragen wird. Daher sehen Sie einen Hinweis darauf, dass es sich dreht, was Ihr Gehirn leicht damit verwechseln kann, dass es sich mit dem Glas dreht, weil es so schwer zu sagen ist (und welche andere wahrscheinliche Geschwindigkeit gibt es als visuelle Referenz?). Der Eiswürfel macht jedoch deutlich, wie langsam er sich dreht. Und er kann sich sehr wohl mit noch geringerem Drehimpuls drehen, weil auch er erst durch die begrenzte hydrodynamische Reibung beschleunigt werden muss.
Darf ich ein Experiment vorschlagen, bei dem Sie Ihr Wasser mit kleinen Partikeln besprühen, die gerade groß genug sind, um als einzelne Marker gesehen zu werden? Vielleicht könnten ein paar kleine Papierschnipsel Abhilfe schaffen. Das sollte ziemlich offensichtlich machen, wie schnell sich das Wasser an der Oberfläche dreht.
Um den Eiswürfel durch reines Wirbeln des Glases zum Wirbeln zu bringen, müssen viskose Spannungen von dem sich drehenden Wasser auf den Eiswürfel ausgeübt werden.
Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass das Wasser in Ihrem Glas vollkommen ruhig ist, bevor Sie anfangen zu wirbeln, dass sich der Eiswürfel vom Rand des Glases entfernt befindet und dass das Wirbeln sanft eingeleitet wird, sodass kein Wasser hineinschwappt Dein Glas. Wenn sich das Glas nun zu drehen beginnt, zieht es das Wasser unmittelbar neben seiner Grenze an, das sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Glas dreht, ohne zu rutschen (dies wird als rutschfeste Randbedingung bezeichnet). Das Glas kann jedoch nicht direktbewirken, dass sich das Wasser von dieser Grenze wegbewegt. Stattdessen müssen viskose Spannungen Impuls von der Grenze zur Mitte übertragen, aber da Wasser nicht sehr viskos ist, braucht dies Zeit. In der (vermutlich) kurzen Zeit, in der Sie Ihr Glas drehen, bleibt möglicherweise einfach nicht genug Zeit, um den Eiswürfel dazu zu bringen, sich ebenfalls zu drehen.
Wenn Sie Ihren Eiswürfel jedoch wirklich in Eile zum Drehen oder Wirbeln in Ihrem Glas bringen müssen, ist das Erzeugen einer "Schwapp"-Welle wahrscheinlich der beste Weg, dies zu tun.
Wenn sich die Flüssigkeit wirklich im Glas drehen würde, würden die Eiswürfel mitrotieren. Was Sie (wahrscheinlich) sehen, ist die Überlagerung von zwei senkrechten Resonanzwellen, die hin und her schwappen, sich aber nicht drehen. So funktioniert es:
Stellen Sie sich vor, Sie bewegen das Glas nicht im Kreis, sondern nur in Ost-West-Richtung hin und her. Dadurch würde die Flüssigkeit hin und her schwappen. Moleküle in der Nähe des Randes würden auf und ab gehen, sich aber nicht sehr viel von einer Seite zur anderen bewegen. Jeder schwimmende Eiswürfel würde sich auch auf und ab bewegen, aber nicht viel von einer Seite zur anderen.
Stellen Sie sich nun vor, Sie bewegen das Glas in Nord-Süd-Richtung hin und her (anstatt Ost/West wie oben). Sie erhalten ein ähnliches Ergebnis wie zuvor, wobei sich die Moleküle (und jedes schwimmende Eis) hauptsächlich auf und ab bewegen, mit nur einer geringen Nord-Süd-Bewegung.
Stellen Sie sich nun vor, Sie tun beides gleichzeitig. Wenn Sie die Phasenlage richtig einstellen, wird die Ost/West-Welle auf der Ostseite ihren Höhepunkt erreichen; dann erreicht die Nord/Süd-Welle ihren Höhepunkt auf der Nordseite; dann erreicht die Ost/West-Welle ihren Höhepunkt auf der Westseite; und schließlich erreicht die Nord/Süd-Welle ihren Höhepunkt auf der Südseite. Mit anderen Worten, die "Spitze" scheint sich in einem Kreis um den Umfang des Glases zu drehen - aber die Moleküle (und das schwimmende Eis) bewegen sich immer noch größtenteils auf und ab.
Dies ist das gleiche Phänomen, das eine zirkulare Polarisation in einer elektromagnetischen Welle erzeugt.
Wenn Sie den Inhalt umrühren, gewinnt alles im Becher an Winkelgeschwindigkeit, einschließlich der Eiswürfel. Die Zentripetalbeschleunigung bewirkt, dass sich weniger dichte Materialien im Rotationszentrum ansammeln, da die dichteren Materialien ihren Weg zum Rotationsrand erzwingen. Wenn die Winkelgeschwindigkeit hoch genug ist, kann diese Kante gegen die Schwerkraft ansteigen, wodurch sich die Wasseroberfläche zu einer Parabel krümmt. All dies wird in der als Zentrifuge bekannten Laborausrüstung ausgenutzt. Da Eis weniger dicht als Wasser ist, sammelt es sich in der Mitte eines Rührbechers.
Kurz gesagt, die Bewegung eines Eiswürfels im Wasser verzögert sich relativ zur Bewegung des Behälters, da die Viskosität des Eiswürfels deutlich höher ist als die des umgebenden Wassers. Die Auswirkungen der Trägheit lassen sich leichter vorstellen, wenn man die Komponenten zu einem langsam schmelzenden Eiswürfel vereinfacht, der auf einer glatten/flachen Platte sitzt. Wenn die Platte um die Distanz X schnell nach Norden geschoben wird, bewegt sich der Eiswürfel etwas weniger als X. In beiden Fällen wirkt das Wasser als Schmiermittel, das die Bewegung des Behälters von dem Eiswürfel entkoppelt.
Wenn Sie ein Wasserglas um seine Achse drehen, dreht sich zunächst nur das Wasser an den Seiten des Glases mit, das in direktem Kontakt mit dem Glas steht, da Wasser eine hohe Adhäsionskraft mit Glas hat, die stärker ist als die Kohäsionskräfte zwischen Wassermolekülen.
Der Rest des Wassers, der nicht in direktem Kontakt mit dem Glas steht, dreht sich mit einer weitaus geringeren Winkelgeschwindigkeit, deren Größe abnimmt, wenn wir uns der Mitte der Wasseroberfläche nähern. Im Zentrum ist die Geschwindigkeit null. Dies ist vergleichbar mit der Tatsache, dass das "Auge" eines Hurrikans der sicherste Ort ist, wenn Sie in einem gefangen sind!
Die Wasseroberfläche richtet sich senkrecht zum resultierenden Beschleunigungsvektor aus, so dass die Wasseroberfläche nach innen zur Mitte hin kippt und somit ein in ein Wasserglas gestellter Eiswürfel bei Drehung des Glases dazu tendiert, sich zur Mitte hin zu bewegen das Glas, bei dem die Winkelgeschwindigkeit fast Null ist (ich sage fast Null, da der Eiswürfel keine Punktmasse ist. Er bedeckt eine gewisse Wasseroberfläche, sodass er möglicherweise eine kleine Winkelgeschwindigkeit annimmt, die am Anfang vernachlässigbar ist, aber danach einige Zeit wird beobachtbar).
Ich muss noch hinzufügen, dass die Drehung des Eiswürfels erst nach einiger Zeit sichtbar wird, weil der Reibungskoeffizient zwischen Eis und Wasser sehr klein ist, also die Winkelbeschleunigung sehr klein ist.
Machen wir ein Gedankenexperiment. Angenommen, es gibt keine Reibung zwischen dem Glas und dem Wasser im Inneren. Wenn Sie in diesem Fall das Glas drehen, bleiben das Wasser darin und der Eiswürfel einfach stehen. Dies liegt daran, dass der Drehimpuls des Wassers und des Eiswürfels erhalten bleibt, da in diesem Fall kein Drehmoment auf das Wasser ausgeübt wird, dh es gibt keine Kraft, die das Wasser und den Eiswürfel verwirbelt. Ohne Reibung hat das Drehen des Glases keine Auswirkung auf den Eiswürfel, der in seiner Ausgangsposition stehen bleibt.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, warum sich der Eiswürfel zu bewegen beginnt, wenn die Winkelgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) hoch genug ist.
Nehmen wir nun an, dass das Wasser gefroren ist. In diesem Fall sind das Glas und das Wasser starre Körper, und wenn Sie das Glas wirbeln, wirbeln Sie daher das gefrorene Wasser insgesamt.
Wenn das Wasser nicht gefroren ist und Sie die Reibung berücksichtigen, stellen Sie fest, dass das wirbelnde Glas und die Reibung zwischen dem Glas und dem Wasser zu einem kleinen Drehmoment auf das Wasser im Inneren und als Folge auf den Eiswürfel führen (aufgrund auf die Reibung zwischen Eiswürfel und Wasser). Daher beginnt der Eiswürfel langsam zu wirbeln. Der Drehimpuls des Eiswürfels nach einer festgelegten Zeit ist ungefähr proportional zur Reibung zwischen Glas und Wasser, Wasser und Eiswürfel, und zum Drehimpuls des Glases. Da die Reibung in der Tat sehr gering ist, kann man bei nicht ausreichender „Wirbel“-Geschwindigkeit (Drehimpuls) ein „Wirbeln“ des Eiswürfels nicht wahrnehmen.
Auch wenn Sie das Glas wiederholt hin und her drehen, im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, wird das Drehmoment jedes Mal in eine andere Richtung und für eine sehr kurze Zeit ausgeübt, und daher hat das auf den Eiswürfel ausgeübte Drehmoment buchstäblich keine Zeit, den Eiswürfel zu beschleunigen .
Wenn Sie das Glas lange genug in die gleiche Richtung drehen lassen, können Sie die Eiswürfelwirbel sehen (so funktionieren im Prinzip Zentrifugalmaschinen).
Der Reibungskoeffizient zwischen Glas und Wasser ist hoch genug, damit das Wasser beim Drehen des Glases mitgerissen wird und ebenfalls zu wirbeln beginnt.
Für den Reibungskoeffizienten zwischen Wasser und Eiswürfel scheint dies jedoch nicht der Fall zu sein. Daher kann das Wasser den Eiswürfel nicht mit sich ziehen (oder kann ihn nicht so gut mitziehen wie das Glas das Wasser: Vielleicht beginnt sich der Eiswürfel schließlich auch zu drehen, wenn Sie lange genug wirbeln).
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