schwieriges Kraft-Impulsproblem?

Dopap · Anmeldungsdatum: 24.02.2011 Beiträge: 198 Wohnort: Ostalbkreis

In einem Spezialitätengeschäft in Paris steht im Schaufenster ein senkrechter GlasZylinder von ca. 80 cm Höhe. Innendurchmesser ca. 8 cm, verschlossen und mit einer Flüssigkeit gefüllt. Im Innern befindet sich desweiteren ein Sandglas ( Sanduhr), wie üblich punkt- und achsensymmetrisch aufgebaut, von ca. 16 cm Höhe. Der Randdurchmesser ist ein paar Millimeter kleiner wie der Innendurchmesser des Zyl.
Frisch geladen ( Sand oben ) ist die Sanduhr unten und der Sand rinnt...
Irgendwann steigt die Sanduhr nach oben ...
Nach dem Wenden des Zyl. beginnt alles wieder von Vorne.
Wie funktioniert das?

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Spekulativ: Leichte Erwärmung des unteren Glases und des unteren Wassers / Auftrieb. grübelnd

Dopap · Anmeldungsdatum: 24.02.2011 Beiträge: 198 Wohnort: Ostalbkreis

nein, leider nicht.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

Der Sand fließt aus dem oberen Teil in den unteren Teil der Sanduhr. Dort wird er durch den Boden gestoppt. Sein Impuls wird also von der Sanduhr aufgenommen. Dies bewirkt eine Kraft, die die Sanduhr nach unten drückt. Da die Sanduhr insgesamt eine geringere Dichte als das umgebende Wasser aufweist, steigt sie auf, wenn kein Sand mehr fließt.
Hat jemand ein Video dazu?

Dopap · Anmeldungsdatum: 24.02.2011 Beiträge: 198 Wohnort: Ostalbkreis

das Abfliessen des Sandes erzeugt eine nach oben gerichtete Kraft (siehe Loch im Eimerboden ) die sich mit der Auftreffkraft des Sandes am SanduhrBoden aufhebt. Wie bei inneren Kräften nicht anderst zu erwarten ist.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Mir erscheint die Erklärung von Chillosaurus schlüssig. Vergleiche auch die "Stop-and-Go"-Kiste:

Im Weltraum wurde eine Kiste unbekannter Herkunft mit unbekanntem Inhalt beobachtet. Diese steht zunächst still, bekommt dann aber plötzlich nach einer gewissen Zeit einen Geschwindigkeitsschub und stoppt dann nach der gleichen Zeit wieder ab. Danach setzt dieses Spiel sich fort. Dabei wird keinerlei Materie nach außen ausgestoßen; z.B. mit einem Raketenantrieb lässt sich dieses Verhalten also nicht erklären. Auch Gravitationseffekte konnten natürlich ausgeschlossen werden. Handelt es sich hierbei um außerirdische Physik?

Des Rätsels Lösung kann z.B. sein, dass sich im inneren der Kiste eine Kugel mit der gleichen Masse wie der Kiste befindet. Diese steht am Anfang still, während die Kiste sich bewegt. Trifft eine Wand der Kiste auf die Kugel, so gibt es einen zentralen Stoß und die Kiste kommt zum Stillstand, setzt aber die Kugel in Bewegung. Trifft die Kugel dann wieder auf die Kistenwand, so bewegt sich danach wieder die Kiste usw. Man kann also relativ seltsame Effekte erzeugen, indem man nur genug Teilchen ins System mit einbezieht.

fuss · Anmeldungsdatum: 25.05.2010 Beiträge: 519

Schwebt die Sanduhr zu Beginn?
In dem Moment, wo der Sand zu rieseln beginnt, wird die Sanduhr doch ein bisschen leichter und sie erfährt eine resultierende Kraft nach oben.

Sobald der erste Sand dann auf dem Uhrenboden angekommen ist, hat sie wieder ihr übliches Gewicht, weil der Sand abgebremst werden muss und es herrscht wieder Kräftegleichgewicht mit der Auftriebskraft. Die Uhr hat aber schon eine Anfangsgeschwindigkeit bekommen (wird jetzt nur noch von der Reibung mit dem Wasser gebremst). Zum Schluss erfährt die Sanduhr noch eine Kraft nach unten, wenn aller Sand am Sanduhrboden angekommen ist.

Ich glaube, wenn man den Wasserwiderstand vernachlässigt, muss insgesamt der Schwerpunkt der Sanduhr zu jederzeit an der gleichen Stelle sein. Wenn die Sanduhr also vor Beginn des Rieselns schwebt, muss sie auch schweben, nachdem alles runtergerieselt ist, nur eben ein Stück höher.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Klingt gut, fuss, ich bin mir allerdings nicht sicher, ob der geringe "Kraftstoß" des fehlenden Sandes dann ausreicht, um die Sanduhr gegen die Reibung des Wassers nach oben zu befördern.
Andere Idee: Könnte es sich um eine kompressible Flüssigkeit handeln, deren Dichte (und damit auch der Auftrieb der Sanduhr) sich während des Vorgangs verändert; also eine Verdichtung am Boden des Zylinders stattfindet? Auch bei Salzwasser sollte der Auftrieb am Boden des Zylinders größer sein bzw. im Laufe der Zeit werden, da höhere Salzkonzentration (vgl. totes Meer). Die Sanduhr würde dann wohl die Lageenergie des Salzes benutzen, die man beim Umdrehen des Zylinders reingesteckt hat, um aufzusteigen, da das meiste Salz sich vor dem Umdrehen am Boden des Zylinders befindet.

Dopap · Anmeldungsdatum: 24.02.2011 Beiträge: 198 Wohnort: Ostalbkreis

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5065

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Wenn die Sanduhr leicht schief in ihrem Behälter liegt, könnte es an Reibungskräften liegen. Sobald der Schwerpunkt so liegt, dass die Gravitation die Sanduhr aufrichtet anstatt kippt, verringert sich die Reibung und sie kann aufsteigen, da sie insgesamt sowieso eine geringere Dichte hat als die Flüssigkeit. Mit höherer Dichte funktioniert es auch in diesem Video: http://www.youtube.com/watch?v=L_FFsMzdtLY

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Dazu verhält sich die "Sink"-Uhr allerdings am Anfang merkwürdig - die hat offensichtlich Auftrieb. grübelnd

Ich würde darauf tippen, dass es mit der Dichteänderung während des Sandfließens zu tun, mit der sich auch der Auftrieb ändert.

fuss · Anmeldungsdatum: 25.05.2010 Beiträge: 519

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Meiner Meinung nach ist da im Video ein Dichtegradient oder eine sonstige Inhomogenität von oben nach unten im Spiel. Ansonsten dürfte es ja keinen Unterschied machen, ob der Sand sich oben oder unten befindet. Oder lässt sich das definitiv ausschließen @Dopap?

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Annahme : Das Loch wäre zu und Gewicht von Sand und sanduhr halten sich mit der Auftriebskraft der Sanduhr im Gleichgewicht.

FG=FA

Dann gilt auf die Sanduhr als System mit Anfangsimpuls 0, der Impuls ist gleich der von aussen zugeführte Impuls weniger der von aussen abgeführte.

FG*t-FA*t+ Anfangsimpuls 0=Impulssanduhr

FG*t zugeführter Impuls
FA*t Abgeführter impuls. da beide gleich groß sind gilt.

p=FG*t-FA*t=0

Der Impuls der Sanduhr als System betrachtet ist zu jeder Zeit null.

Da nun aber der Sand rieseln kann weil das Loch offen ist.
bedeutet ein Rieseln des Sandes nach unten ,das sich Sanduhr plus nichrieselnder Sand nach oben bewegen, denn der Gesamtimpuls muß null sein.

dadurch das ein Teil des Sandgewichtes den Sand selbst beschleunigt, gibts eine resultierende Kraft auf die Sanduhr plus nicht rieselnder Sand nach oben. Solange sich Sand nach unten bewegt, bewegt sich der Rest nach oben.

ist die Sanduhr oben angekommen wird der Zylinder gedreht dadurch ist natürlich die Sanduhr unten und der Vorgang beginnt von neuen.

Meine Meinung.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Meine Betrachtung geht davon aus das sich Gewicht der Sanduhr plus Sand selbst mit den Auftrieb der Sanduhr im Gleichgewicht halten.

Wenn das sie ist dann kann man diese Pariser Sanduhr simulieren nach Dopaps schilderung, Video hab ich nicht gesehen.

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

also was ist jetzt im Klartext deine Aussage, bewegt sich die Sanduhr so nach oben, oder bleibt sie stehen?

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Okay, ich dachte du meintest die Sanduhr bleibt stehen, sind wir also doch einer Meinung.

Hab mir das Video angesehen, die rechte Sanduhren muss bei Systembetrachtung schon leichten resultierenden Auftrieb nach oben haben.

Denn bei meiner Schilderung bleibt der Gesamtschwerpunkt immer am selben platz. das heißt man könnte die Sanduhr um weniger als deren Länge verschieben.

Im Video bewegt sich die Sanduhr ruckartig kurzzeitig nachdem sie umgedreht wird nach oben. Ich glaube weil sie durch die Aufsteigende Luftblase mitgerissen wird, danach stellt sich wieder dieser langsame Auftrieb ein.

Beide Effekte FA> FG und das rieseln des Sandes werden wohl die Sanduhr nach oben bringen, einer alleine wird vielleicht nicht gegen die Reibung ausreichen

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

hm, das Absinken und Aufsteigen wird immer schneller, hat wohl wirklich mit Kepler Aussage einer Flüssigkeitsäule zu tun , deren Dichte nicht homogen ist.

Packo · Gast

Interessant, welch haarsträubende Theorien hier beschrieben werden.
Ich will jedoch hier nicht die Lösung verraten, sondern gebe nur ein paar Tipps:
Hat nichts mit wilden Impulstheorien zu tun!
1. Stichwort: SCHWERPUNKT.
2. Stichwort REIBUNG.

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Packo: Reibung mit den Wänden habe ich nach Ansicht des Videos als Ursache für mich eliminiert. Die obere Uhr (nach Umdrehen) steigt am Anfang deutlich wieder nach oben, obwohl sie sich zunächst nach unten bewegt, hat also Auftrieb. Danach bekommt sie allerdings nach einiger Zeit "Abtrieb". Oder meinst du Reibung in der Flüssigkeit?

Ich habe in einem Forenbeitrag gelesen, dass Zucker in Wasser erst bei 2000 g auf 1000 ml eine gesättigte Lösung ergibt (als Quelle war der Römpp Chemie angegeben). Das bedeutet, man könnte die Dichte von Wasser durch Zugabe von Zucker quasi auf das Dreifache erhöhen (ob das dann noch so schön durchsichtig wäre, ist eine andere Frage). Ich möchte deshalb folgende Lösung vorschlagen. Dabei wird zunächst nur der leere Zylinder betrachtet. In diesem befindet sich eine hoch konzentrierte Zuckerlösung. Lässt man den Zylinder für längere Zeit stehen, so sinkt der Zucker zu Boden. Die Konzentration ist dann am Boden höher als unter der Decke des Zylinders. Dreht man den Zylinder nun um, so befindet sich die höhere Zuckerkonzentration plötzlich unter der Decke. Die Schwerkraft sorgt nun aber dafür, dass der Zucker langsam nach unten sinkt. Am Ende hat sich die höchste Zuckerkonzentration wieder am Boden des Zylinders eingestellt.

Nun angenommen, die maximale Zuckerkonzentration am Boden wäre im anfänglichen Gleichgewicht so kalibriert, dass die Sanduhr gerade über dem Boden schwebt. Dreht man den Zylinder nun um, passiert im Zylinder selbst das gleiche wie vorher: Der Zucker sickert langsam von der Decke zum Boden. Damit verliert die nun oben schwebende Sanduhr langsam die Grundlage ihres Auftriebs und sinkt zu Boden, da die Dichte der Flüssigkeit unter der Decke und damit der Auftrieb langsam abnimmt. Irgendwann hat sich die maximale Zuckerkonzentration, die die Sanduhr gerade in der Schwebe hält, wieder am Boden eingestellt. Dann muss sich natürlich auch die Sanduhr dort befinden, da nur dann Gravitationskraft und Auftriebskraft sich genau die Waage halten.

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Das wäre dann für die "fallende Sanduhr" - für die steigende müsste man die Dichte der Flüssigkeit gerade so kalibrieren, dass die Sanduhr überall Auftrieb hat außer gerade bei der minimalen Dichte, die sich im Gleichgewicht unter der Decke einstellt.

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Obwohl ich mir bei der Reibung auch nicht 100% sicher bin - immerhin liegen die Uhren schon sehr schief in ihrem Zylinder. grübelnd

Wenn der "Rücksetzer" bei der linken Sanduhr am Anfang nicht wäre, könnte dies durchaus auch eine Möglichkeit sein. Ist das wirklich nur die Luftblase?

Packo · Gast

Die Schieflage ist ein guter Ansatzpunkt!

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Die durch Schräglage entstehende Reibung an der Gefässwand kann meiner Meinung nach nur Erklären warum die Beschleunigung am Anfang so langsam ist und dann größer, der Sand der am Boden ankommt dreht die Uhr aufrecht

Die Frage ist aber wenn man die linke Sanduhr anschaut, dann ist es offensichtlich das durch das aufsteigen der Luftblase die Sanduhr kurzzeitig in Bewegung bringt, was mich stutzig mach ist, das die Sanduhr nach unten geht während die Luftblase an ihr vorbei geht und dann wieder nach oben steigt, das müsste auf Auftrieb hindeuten.

Wenn aber die Sanduhr Auftrieb hat, dann kann sie nicht nach unten sinken, der Effekt des Rieselenden Sandes von der impulsbilanz würde auch noch dagegen wirken.

Es muß was in der Flüssigkeit drinnen sein. WEnn die Rechte und die Linke Wassersäule mit der selben Sanduhr ausgestattet sind und mit der selben Flüssigkeit, das gibts ja sonst gar nicht.

Packo · Gast

Der Psychopath hat sich wieder mal gemeldet:
Beitrag 27. Jun 2011 09:56 ist nicht von mir!

Der echte Packo

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Reibung mit den Wänden sollte es nur geben solange der Schwerpunkt der Sanduhr oberhalb des Symmetriezentrums der Sanduhr liegt. Dann gibt es ein Drehmoment, das die Uhr gegen die Zylinderwände kippt. Dadurch kann schon eine statische Situation entstehen, wenn die Reibungskraft stark genug ist, um die nach unten gerichtete Kraft aufzuheben. Wenn der Schwerpunkt unterhalb des Symmetriezentrums liegt, also genug Sand nach unten gerieselt ist, dreht das resultierende Drehmoment die Sanduhr aufrecht. Spätestens dann könnte die Sanduhr bei von Anfang an vorhandenem Auftrieb wieder aufsteigen, da die Reibung aufgehoben wäre.
Bei der rechten Sanduhr mag das so sein - aber bei der linken gibt es am Anfang aber auch meiner Meinung nach definitiv Auftrieb, der später plötzlich zu "Abtrieb" wird.

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

ja genau das ist das Problem das, das ich beschrieben habe.
grübelnd

Ich tippe darauf das in der linken Säule, Kochsalzlösung zu Wasser gekippt wurde. diese hat höhere Dichte.
Sie müsste sich zu Boden absetzen.
Beim umdrehen ist sie ganz oben und verschafft der Sanduhr auftrieb (ähnlich totes Meer), nach und nach setzt sie sich zu Boden ab und normales Wasser ist oben dadurch sinkt diese.

Aber das bringt eigentlich nix, weil das müsste man echt ausprobieren.

da geht probieren über studieren.

Packo · Gast

Keplerfan,
BRAVO! Du hast die Lösung gefunden!

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Frage ist nun: Ist es bei der linken Sanduhr noch etwas anders? Oder hat der Experimentator diese Uhr deshalb fest im Blick, weil sie die "kompliziertere" ist und er genau weiß, wie er sie umdrehen muss? Der Auftrieb am Anfang macht mir da immer noch zu schaffen.

DrStupid · Anmeldungsdatum: 07.10.2009 Beiträge: 5065

VeryApe · Anmeldungsdatum: 10.02.2008 Beiträge: 3263

Dort wurde aber vermerkt, es wären die gleichen Uhren.
Wenn sie bautechnisch unterschiedlich sind, dann sind sie ja nicht mehr die gleichen.
Obwohl das natürlich auch eine Möglichkeit wäre, würde ich aber aufgrund des Vermerks ausschließen, dann bleibt ja nur noch die Flüssigkeit. weil sonst gibts Geister.