Wieso fällt das Wasser beim Drehen des Eimes nicht raus?
Hallo,
ich habe einen Eimer, den ich mit Wasser fülle. Wenn ich diesen mit Wasser gefüllten Eimer jetzt drehe, also eine konstante Geschwindigkeit erreiche, fällt das Wasser nicht aus dem Eimer. Warum ist dies so?
Ich denke, dass das etwas mit der Zentrifugal-und Zentripetalkraft zu tun haben muss. Beide Kräfte gleichen sich aus, weswegen ich beim Karussell z.B. auch nicht raus fliege, sondern mich an meinem selbigen Platz befinde, da auf der einen Seite die Zentrifugalkraft und auf der anderen Seite die Zentripetalkraft auf mich einwirken. Nun ist es aber so, dass ich am Höhepunkt, also dem höchsten vom Eimer in einem rotierenden Bezugssystem (Kreisbewegung) zu erreichendem Punkt, neben der Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft auch die Gewichtskraft und der Ortsfaktor (Erdanziehung 9,81 N) in Richtung des Bodens wirken. Das Wasser fällt nicht raus, was bedeutet, dass es ja eine Art ,,Gegenkraft'' geben muss(sollte), weil ansonsten keine Kräfte/Kraft die Gewichtskraft und die Erdanziehungskraft entgegenwirken.
Ich bedanke mich bei eurer Unterstützung :D
7 Antworten
Du jast das im Prinzip schon richtig erkannt. Speziell im oberen Punkt der Kreisbahn muss die Fliehkraft größer sein als die Erdanziehungskraft, sonst klappt das nicht. Das Wasser drückt da mit einer resultierenden Kraft Fr = F_Zf - F_g gegen den Eimerboden. Gemäß Kraft = Gegenkraft drückt aber auch der Boden gegen das Wasser. Diese Bodenkraft F_B + Gewichtskraft F_g ergibt dann die Zentripetalkraft F_Zp.
F_B + F_g = F_Zp
F_B = F_Zp - F_g
Aus Fr = F_B folgt außerdem:
F_Zf - F_g = F_Zp - F_g
F_Zf = F_Zp
Die Fliehkraft ist gleich der Zentripetalkraft.
Fast alles richtig an deiner Überlegung. Kurz und schnurz: Solange die Zentripetalkraft grösser ist als die Gravitationskraft, fällt das Wasser auch im höchsten PUnkt nicht raus.
Nur die "Gegenkraft" muss du dir abschminken. Die Fliehkraft ist eine Scheinkraft, ein Modell, das uns hilft, beschleunigte Bezugssysteme (wie den kreisenden Eimer) zu beschreiben. Diese Kraft existiert aber nicht!
Die Erklärung ist anders:
- Wenn der Eimer nicht rotiert, fällt das Wasser seitlich oder oben raus, da sind wir uns einig
- Wenn er geschwungen wird und in irgendeinem Punkt losgelassen wird (oder die Schnur reisst, oder der Boden des Eimers bricht und nur das Wasser freigibt), dann würde dieses Element in einem Parabelflug weiterfliegen. Egal ob das der höchste Punkt ist oder sonst ein Punkt. Siehe Kurvenformen beim Schiefen Wurf = Wurfparabel.
- Wenn man nun dieser "gewollten" Flugbahn den rotierenden Kreis aufzwingt, der stärker gekrümmt ist als die Wurfparabel im betrachteten Punkt, dann zwingt dieser Kreis eben den Körper von der Wurfparabel auf eine engere Bahn, eben die Kreisbahn. Genau dies passiert, wenn ich schnell genug rotiere: Die Wurfparabel wäre sehr offen, die Kreisbahn enger, das Wasser bleibt drin.
- Wenn ich hingegen zu langsam rotiere, dann wird auch die potentielle Wurfparable bald mal enger (stärker gekrümmt) als der (immer noch gleiche) Kreis, und das Objekt verlässt die Kreisbahn nach innen - das Wasser fällt runter.
Stimmt. (Bis auf kleines Detail).
Natürlich gibt es bei dieser Problemgruppe immer zwei Betrachtungsweisen:
- Jene von aussen. Und da gibt es keine Fliehkraft. Und alles, was du oben schreibst, inkl. der beiden Bedingungen, stimmt ungefähr (genauer: Masse und Ortsfaktor/Erdbeschleunigung ergeben zusammen die Gewichtskraft)
- Jene aus Sicht des Wassers (oder des rotierenden Systems, das nicht "weiss", dass es rotiert): Hier gäbe es tatsächlich die Fliehkraft oder Zentrifugalkraft, welche dauernd zu 100% von der Zentripetalkraft kompensiert werden muss.
Und weil die Zentrifugalkraft immer genau gleich wie die Zentripetalkraft ist, ist auch die Bedingung für beide Betrachtungsweisen gültig: Zentripetalkraft muss gleich oder grösser sein als die Gewichtskraft, dann fällt nichts runter von der Kreisbahn.
Ich vermute mal dass du ein Seil am Eimer befestigt hast und dann den Eimer um dich herum kreisen lässt und der Eime immer höher steigt.
Nun spielt die Massenträgheit eine große Rolle. Eigentlich möchte das Wasser geradlinig weiterfliegen, kann aber nicht, weil es durch sein Bestreben gegen die Wände des Eimers gepresst wird und dort verbleibt und nicht herausfließen kann.
Fliehkraft bzw Zentrifugalkraft....
Das gleiche Prinzip, wie mit einer Murmel im Glas :-)
http://www.labbe.de/zzzebra/index.asp?themaid=269&titelid=3758&titelkatid=0&move=1
Zentripetalkraft und Zentrifugalkraft (Fliehkraft)https://learnattack.de/physik/zentripetalkraft-und-zentrifugalkraft-fliehkraft
aus dem gleichen Grund, weil der Eimer nicht runter fällt.
Der Masse ist es bei diesem Vorgang egal, ob flüssig oder fest.
Also, wenn ich das richtig verstanden habe:
Von außen betrachtet gibt es keinen Grund eine nach außen gerichtete Kraft anzunehmen, Fliehkraft ist also nicht an diesem ,,Prozess'' beteiligt. Allerdings ist die Zentripetalkraft vorhanden. Das Gewicht und der Ortsfaktor (Erdanziehungskraft) bilden zusammen die Gewichtskraft. Der kritischste Punkt ist vertikal oben. Es gibt nur zwei Bedingungen dafür, dass das Wasser dort nicht aus dem Eimer fließt:
Wenn das Wasser also nicht aus dem Eimer fließt heißt das, dass die Zentripetalkraft größer/gleich die Gewichtskraft ist. Hier sind also beide Kräfte ausgeglichen oder die Zentripetalkraft ist so groß, dass die Gewichtskraft den Eimer und das Wasser auf den Boden zwingen kann.
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