von David Schuller

Wir hatten doch alle schon mal den Gedanken, eine Rakete zu bauen. Leider können wir selbst aus eigener Erfahrung sagen, dass dies meist schwieriger umzusetzen ist, als es auf den ersten Blick erscheint. In diesem Blog-Post wollen wir euch zeigen, wie ihr, hoffentlich ohne unsere Fehler nachzumachen, selbst eine bauen könnt.

1. Materialien

• 2 große Plastikflaschen
• Müllsack
• Korken
• Ventil (Fahrrad)
• Kleber / Klebeband
• Schnur
• Kleinere Plastikflaschen (für Finnen)
• Fahrradpumpe
• Holzstäbchen
• Plastikschüsseln (nicht rund)

2. Beschreibung

Zuerst schneidest du bei einer der beiden größeren Flaschen den Flaschenhals ab und hebst diesen auf, falls du einen Fallschirm machen möchtest. Schneide nun auch den Boden weg und klebe mithilfe des Klebers – wir empfehlen Heißkleber in Kombination mit Panzertape – die zweite Flasche mit dem Flaschenhals nach unten in die abgeschnittene Flasche. Wenn du einen Korken gefunden hast, der perfekt in die Flaschenöffnung passt, bohre ein so großes Loch in diesen, dass das Ventil hineinpasst. Um zu verhindern, dass während der Benutzung dennoch Luft aus der Flasche austritt, empfehlen wir, den Korken zusätzlich mit Heißkleber und Isolierband zu umwickeln. Klebe das Ventil so in den Korken, dass beim Verschließen der Flasche die Öffnung, aus der die Luft kommt, im Inneren ist.

Damit du den Start deiner Rakete ohne Komplikationen durchführen kannst, solltest du am besten dafür sorgen, dass deine Finnen stabiler sind als unsere – von Papierfinnen ist abzuraten! Dies erreichst du, in dem du 2 kleine Wasserflaschen halbierst und sie innen mithilfe von Holzstäbchen stabilisierst. Klebe diese anschließend so auf deine Rakete, dass sie am unteren Teil so weit überstehen, wie deine Hand breit ist.

Falls du noch einen Fallschirm bauen möchtest, schneidest du einfach einen sehr großen Kreis aus dem Müllsack. Schneide dann am Rand des Kreises 8 gleich verteilte Löcher und befestige jeweils eine 50 cm lange Schnur an jedem Loch. Binde nun die freien Enden der Schnüre zusammen und befestige diesen Knoten mit Panzertape am oberen Ende deiner Rakete. Zum Schluss nimmst du noch den Flaschenhals, den du anfangs aufgehoben hast, und faltest den Fallschirm so, dass er in diesen hineinpasst. Nur noch den Flaschenhals oben auf deine Rakete stecken und beachten, dass der Fallschirm nicht zu fest sitzt.

Weitere Details sind im untenstehenden Video zu finden.

3. Start

Suche dir am besten draußen einen Platz, wo du nichts zerstören kannst, und stelle die beiden Plastikschüsseln einander gegenüber so auf, dass du deine Rakete darauf stellen, aber trotzdem die Fahrradpumpe am Ventil befestigen kannst. Befülle nun deine Rakete zur Hälfte mit Wasser und verschließe die Öffnung mit dem Korken. Du startest die Rakete, indem du die Fahrradpumpen an das Ventil anschließt und so lange pumpst, bis die Rakete wegfliegt.

4. Erklärung

Dadurch, dass die Flasche beinahe luftdicht verschlossen ist, erhöht sich der Druck: Da das Ventil die Luft, die hineingepumpt wird, nicht wieder ausströmen lässt, steigt der Druck an, bis der Korken hinausgepresst wird – die Rakete startet.

Foto- und Videocredit: © by BRG Steyr Michaelerplatz

Wir haben doch alle schon einmal den Namen “Bernoulli” im Physikunterricht gehört. Habt ihr allerdings gewusst, dass es mehrere Genies mit diesem Namen gab? Heute beschäftigen wir uns aber nur mit einem davon: Daniel Bernoulli. Dieser beschrieb mit der Bernoulli-Gleichung den nach ihm benannten “Bernoulli-Effekt”.  Um diesen Effekt zu verdeutlichen, erläutern wir zuerst drei Experimente für euch, die ihr auch einfach zu Hause nachmachen könnt: 

1. Strohhalm-Experiment

Materialien: Strohhalm, Styroporball (Tischtennisball geht auch, ist aber schwieriger) 

Zuerst pustest du in einen Strohhalm, dessen vorderen Teil du nach oben biegst (wird im Video genauer gezeigt). Danach legst du die Styroporkugel vorsichtig über die Öffnung. Jetzt wirst du bemerken, dass der Ball an seinem Platz bleibt und über dem Strohhalm schwebt. Wenn man aufhört, in den Strohhalm zu blasen, fällt der Ball wieder hinunter.  

2. Trichter-Experiment 

Materialien: Trichter, Tischtennisball oder Styroporball 

Als Erstes nimmst du den Trichter mit der großen Öffnung auf den Boden gerichtet und hältst den Ball hinein. Dann pustest du von oben in den Trichter hinein und wenn du den Ball nun loslässt, kannst du beobachten, dass dieser im Trichter bleibt und nicht auf den Boden fällt, wie man es sich vielleicht aufgrund der Schwerkraft erwarten würde. 

3. Papier-Experiment 

Materialien: Blatt Papier 

Du hältst ein Blatt Papier vor deinem Mund und fängst an zu pusten, jetzt kannst du wieder beobachten, wie  sich das Blatt wellenartig nach oben und unten bewegt. 

Jetzt werden wir euch den Effekt etwas näher erklären. Da bei allen drei Experimenten die Luft strömt, nimmt der Druck ab und dadurch landet der Tischtennisball zum Beispiel nicht am Boden, sondern schwebt in einem gewissen Bereich.
Das lässt sich durch den indirekten Zusammenhang zwischen dem statischen und dem dynamischen Druck erklären: Da der dynamische Druck aufgrund der Luftströmungen (verursacht durch das Pusten) zunimmt, muss der statische Druck logischerweise abnehmen, da die Summe der beiden Drücke stets konstant ist.

Folgende Formel verdeutlicht den Bernoulli-Effekt und insbesondere den Zusammenhang zwischen statischem und dynamischem Druck (1 ist als vorher (d.h. vor dem Pusten), 2 als nachher (d.h. während des Pustens) zu verstehen):

Ist der Zusammenhang zu schwierig zum Verstehen, kann man sich auch modellhaft vorstellen, dass die Luft den Styroporball kugelartig umschließt und dieser somit nicht „entkommen“ kann. Das erklärt auch die Rotationen des Balls. Beim Beenden der Luft-Zufuhr verschwindet diese „Luft-Hülle“ wieder und der Ball fällt aufgrund der Schwerkraft zum Boden (zumindest, wenn diese Experimente unter Standardbedingungen auf der Erde durchgeführt werden).

Quellen:

Berndorff, Jan; Hüttmann, Kristin: Einstein für Quanten Dilettanten 2022. Ein vergnüglicher Crashkurs in Sachen Naturwissenschaften. Unterhaching; Athesia Kalenderverlag 2021, S. 09.06.2022 
Gollenz, Franz; Breyer, Gustav; Reichel, Erich; Zunzer, Stefan: Physik 2. Wien: Österreichischer Bundesverlag 2020, S. 99 – 103

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

reviewed and extended by Michael Himmelbauer

von Pia, Paul, Jana und Sarah

Der Zusammenhang zwischen Druck und Kraft wird in folgender Formel ausgedrückt:

Luftdruck:

Jede Schülerin und jeder Schüler ist dauerhaftem Druck ausgesetzt. Nicht nur dem Notendruck, sondern auch dem physikalischen Druck. 😉 Dieser beschreibt die Wirkung einer Kraft auf eine bestimmte Fläche. Es kommt oft vor, dass der Druck und die Kraft vertauscht oder verglichen werden, jedoch gibt es einen großen Unterschied, denn die Kraft gibt an, wie stark ein Körper auf einen anderen einwirkt. Ihre SI-Einheit lautet Pascal. Angegeben wird er jedoch meist in bar, 10⁵ Pascal entsprechen 1 bar. Somit sind wir einem dauerhaften Luftdruck von 1 bar ausgesetzt. Dieser ändert sich je nach Position des Gegenstandes in der Erdatmosphäre, beispielsweise ist man auf der Zugspitze einem Druck von nur 0,7 bar ausgesetzt.

Zusammenhang zwischen Druck und Kraft: 
Ist der Druck, der wegen der Gewichtskraft der Luftsäule oberhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt. Die Position des Gegenstandes beeinflusst den Luftdruck auf den Gegenstand.

Spritzenexperiment:

Materialien: zwei verschieden große Spritzen, ein Plastikschlauch, Klebeband 

Beschreibung: Im unten angeführten Bild kann man sehen, wie der Versuch aufgebaut ist. Dann füllt man den Schlauch und die Spritzen ohne Luft auf. Drückt man nun eine Spritze hinein, geht die andere hinaus. So funktioniert unter anderem auch eine Hebebühne. Versucht man nun, beide Spritzen gleichzeitig hineinzudrücken, kann man beobachten, dass sich die Kleinere leichter hineindrücken lässt als die Große. Das kommt daher, dass die Formel für den Druck die Fläche (Formelzeichen A) beinhaltet. Da die Fläche bei der kleinen Spritze kleiner ist als bei der großen, ist dementsprechend der Druck bei gleicher Kraft größer (indirekte Proportionalität).

Magdeburger Halbkugeln:

Materialien: Vakuumpumpe, Magdeburger Halbkugeln 

Beschreibung: Mithilfe der Vakuumpumpe wird ein Großteil der Luft aus den Kugeln gepumpt (ein perfektes, d.h. 100-prozentiges Vakuum lässt sich selbst mit einer optimalen Pumpe nicht erreichen). Danach probiert man, sie auseinander zu ziehen. Was vielleicht auf den ersten Blick leicht aussieht, ist beim Probieren dann doch etwas schwieriger. Man kann sich ausrechnen, wieviel Kraft benötigt wird, um sie auseinander zu ziehen. Wenn man die Formel von oben nimmt und die Werte unserer Kugel einsetzt und danach die Formel umformt, kommt 100000 Pa ⋅ 0,00636 m² = 636 N heraus.

Schwedenbombenexperiment 

Materialien: Vakuumpumpe, Schwedenbomben 

Beschreibung: Durch die Verwendung der Vakuumpumpe werden die Schwedenbomben von einen luftarmen Raum umgeben. Der Schaum enthält eine große Menge an Luft, die sich durch das Vakuum und damit das Fehlen eines Drucks von außen ausdehnt. Wenn man nun wieder Luft einströmen lässt, fällt der Schaum aufgrund des außen herrschenden Luftdrucks zusammen.
Folgendes Video visualisiert das Experiment:

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass der Druck trotz der negativen psychologischen Wirkungen etwas Alltägliches ist, er aber auch durch faszinierende und gleichzeitig spannende Experimente erforscht werden kann. Ohne ihn würde es kaum Lebewesen geben, denn gäbe es keinen Umgebungsluftdruck, würde mit der menschlichen Lunge genau dasselbe passieren wie mit der Schwedenbombe, was aber nicht so gut schmeckt…

Quellen:
Anon.: Der Druck in Physik. https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/der-druck?msclkid=16e0ad85c49011eca6fb8fb295f6e88a# (Zugriff: 25.04.2022) 
Anon.: Mechanik. Druck. https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/grundwissen/druck?msclkid=16e000e0c49011ec8117477eac07a095 (Zugriff: 25.04.2022) 
Anon.: Mechanik. Luftdruck. https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/grundwissen/luftdruck?msclkid=0fb2c86ac49211ec9e104fd4affbf4f4 (Zugriff: 25.04.2022) 

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

reviewed and extended by Michael Himmelbauer

by Michael Himmelbauer

A diver inside a water bottle sinks to the ground with the help of magic powers of your fingers. What sounds to be fake, can easily be rebuilt by using some materials you may have at home, but can also be found in our school’s Physics cabinet:

• a water bottle with a volume of approximately 1.5 to 2 liters (as physicists, we say 0.0015 to 0.002 m³ [one cubic meter consists of 1000 cubic decimeters and one liter has the same volume as one cubic decimeter])
• a tiny plastic tube that has a hole in one transversal side
• a cork that has almost the same diameter as the plastic tube
• and of course: Dihydrogen monoxide (H₂O), also known as water

At first, you need to insert the cork into the tube and the tube into the water bottle as shown in the picture below (therefore, it is crucial that there is air above the cork inside the tube and the „diver“ is at the top of the bottle):

When pressing your hands onto the bottle, you might be surprised by seeing the diver gliding to the bottom of the bottle, the stronger you press the wider it glides. As soon as you stop pushing, it ascends back to the top.

But why does that occur? Do your fingers have magic powers that make a diver glide inside a water bottle? Or is Dihydrogen monoxide an unusual liquid?

As a first explanation, it can be mentioned that the water inside the bottle can be replaced by another liquid as well, that means it isn’t a special substance (at least not concerning this experiment). So don’t worry, you can go on drinking it.

Before explaining this phenomenon, we need to take a look at a physical force called buoyancy. What the hell is that? It’s the force that makes a balloon filled with the gas Helium (chemical symbol in the periodic table of elements: He) ascend and an air-filled ball (air that surrounds us consists of nitrogen (N₂), oxygen (O₂), carbon dioxide (CO₂) and some other low-concentrated gases) rise to the top of a water-filled swimming pool when pushing it to the ground.The buoyancy force has got the same value as the weight force of the displaced water which can be calculated easily by using the following formula:

[F_w = weight force, m = mass, g = gravitational acceleration (= 9.81 m/s²), ρ = density of water (= 1000 kg/m³), V = volume]

When investigating the formula, we can derivate that when the volume rises, there is a higher weight force and consequently also a „stronger“ buoyancy force. Invertedly, a drop in volume means a lower weight force and a „weaker“ buoyancy force.

Keeping these facts in mind, we can examine the effects in the experiment:

Due to the force of your fingers, the pressure inside the water bottle rises and that is why the cork is pressed into the tube. As a result, the tube’s volume decreases and as there is a direct proportionality between volume and buoyancy force, it declines as well. This can be recognized as the „diver“ (which still has got the same weight as the air in the tube is merely compressed) sinks to the bottom of the water bottle.

But don’t worry, you haven’t damaged anything: As soon as you stop pressing the bottle with your fingers, the tube ascends to the top again, so it’s reversible.

For illustration, I made a drawing to convey the theory:

Now you might ask yourself: Are there also some practical applications of buoyancy that are maybe easier than the orthography of the term?

Fortunately, there aren’t only some, but many, rather countless:
As mentioned above, buoyancy is commercially used for balloon flights as it makes the balloon rise into the sky. This can be explained by outlining that Helium has a lower density than air (that means that a specific volume of Helium is lighter than the same volume of air) and that is why it can ascend and even compensate the weight of the basket that carries the people and gives them the opportunity to enjoy the weather and be amazed by the landscape.

Another application of that magic, difficultly pronounceable force are life jackets that must be provided on every boat and ship as well as in airplanes. As the material has a way lower average density than water, it can even prevent an adult from drowning when the mode of transportation has an accident.

To sum up, it can be stated that buoyancy force is hard to write and pronounce, but crucial for our everyday life. It can be used for impressing spectators by convincing them that you’ve got magic powers to make a cork diver sinking – although you just press your fingers onto a common bottle filled with usual water.

source:
Putz, Bruno: Faszination Physik 1+2. Linz: Veritas 2011, p. 160-165

fotocredit: © by Michael Himmelbauer