Dieses Experiment eignet sich auch für Eltern, die mit ihrem Kind/ihren Kindern etwas Physik betreiben und gleichzeitig für Spannung und Spaß sorgen wollen. Der physikalische Hintergrund der Airzooka ist das sog. Bernoulliprinzip, welches besagt, dass statischer und dynamischer Druck in Summe gleich bleiben. In den dynamischen Druck geht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases/der Luft/des Wassers ein. Ist v groß, so steigt auch der dynamische Druck. Im Gegenzug muss dann der statische Druck, den wir quasi als Umgebungsdruck kennen, sinken. Bei schnellen Strömungen herrscht also im Gegensatz zur Erwartung vieler ein UNTERDRUCK!
Auf der großartigen CD zum Thema Physik-Freihandversuche der Universität Augsburg/Deutschland befindet sich eine einfache Umsetzung einer Vortexkanone:
Quelle: Hilscher, H.: Universität Augsburg, Institut für Didaktik der Physik, CD-ROM Freihandexperimente
Zur Erklärung des Versuchs: Drückt man die Flasche zusammen, so strömt Luft aus dieser. Aufgrund der Viskosität von Luft ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Luftstroms logischerweise am größten und nimmt zum Flaschenhals hin ab. Dieses Geschwindigkeitsprofil ist übrigens Thema beim Hagen-Poiseuille-Gesetz: https://stoppi-homemade-physics.de/hagen-poiseuille-gesetz/.
Deshalb ist aufgrund des Bernoulliprinzips der Druck im Inneren des Luftstroms kleiner als am Rand, weshalb an der Austrittsöffnung der Flasche Luft von äußen nach innen strömt. Die ausströmende Luft besitzt in Richtung der Symmetrieachse des Flaschenhalses einen relativ großen Impuls. Die an der Austrittsöffnung nach innen fließende Luft wird daher mitgerissen, ohne die Strömung stark zu beeinflussen. Reißt der Luftstrom ab, so wird auch die Luft im näheren Bereich vor der Flaschenöffnung abgebremst. Dadurch verschwindet der Unterdruck vor dem Flaschenhals und die nach innen fließende Luft bewegt sich zu ihrem Herkunftsort zurück. Die dabei entstehende Kreisbewegung erzeugt einen schichtförmig aufgebauten, stabilen und torusförmigen Wirbel, einen sog. Vortex-Ring.
Ich möchte eine etwas andere Version der Vortexkanone umsetzen und zwar mit einem kleinen Mülleimer:
Bei der Recherche im Internet bin ich auf dieses 7 Liter Modell gestoßen, welches mir geeignet erschien:
Das 4 mm starke Gummiseil habe ich von Amazon:
Auch die 0.13 mm dünne Plastiktischdecke kommt von Jeff Bezos:
In den Eimerboden muss ein größeres Loch für den Luftauslass geschnitten werden:
Eigentlich kaufe ich mir ja nie Getränke, da ich fast ausschließlich Wasser konsumiere, aber für dieses Experiment musste ich eine Ausnahme machen:
Es wird nur der oberste Teil der Flasche benötigt:
Die Plastiktischdecke muss besonders dünn sein, denn sie wird ohne Loch über den Flaschenhals gestülpt und dann der Deckel mitsamt der Folie festgeschraubt:
Den Griff bastelte ich mir selbst aus einem Alurohr und einer M5 Polyamidschraube:
Für den Griff benötigt man ein Stück quaderförmiges Holz:
Damit die Tischdecke in Position bleibt, habe ich den oberen Rand des Eimers mit dicken doppelseitigen Klebeband beklebt:
Zusätzlich habe ich dann im Anschluss die Tischdecke noch ausgiebig mit Panzertape fixiert:
Die fertige Vortexkanone:
Jetzt sind nur noch die ersten Tests ausständig. Zur Erzeugung von Vortexringen habe ich zum Glück eine Nebelmaschine. Ich werde hier berichten…
