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Normale Version: Fallen eine Melone und eine Johannisbeere gleicher Dichte ins Wasser ...
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Hallo zusammen! Ich hab da mal eine Frage Smile Fallen eine Melone und eine Johannisbeere gleicher Dichte ins Wasser, dann a) sinkt die Melone schneller. b) sinkt die Johannisbeere schneller. c) sinken beide gleich schnell. Vielleicht hat jemand mal etwas Ähnliches ausprobiert oder kann theoretisch antworten? Ich schließe b) schon einmal aus Smile
Hallo Sisi1313,

Die Sinkgeschwindigkeit hängt von den wirkenden Kräften ab, denn diese verursachen die Beschleunigungen.

Die Kräfte, die auf einen Körper im Wasser wirken, sind die Gewichtskraft, die Auftriebskraft und die Reibungskraft, die zwischen dem Wasser und dem Körper entsteht, wobei nur die Gewichtskraft nach unten wirkt. Geht man von laminarer Strömung (Strömung ohne Turbulenzen) aus, dann gibt für den Strömungswiderstand bei einer Kugel mit Radius r

mit der Geschwindigkeit des Körpers und der Viskosität des Wassers. Die Auftriebskraft entspricht der Gewichtskraft des verdrängten Wassers und die Gewichtskraft (auf der Erde) ist das Produkt aus Masse des Körpers und der Erdbeschleunigung. Damit hat man unter Berücksichtigung der Richtungen, in die die Kräfte wirken (ich habe angenommen, dass die betrachteten Körper eine größere Dichte haben als das Wasser, d. h. die Körper sinken nach unten)

Dabei ist die Masse des verdrängten Wassers und die Masse des Körpers. Wegen ( ist die Dichte) lässt sich dies etwas umformen:

Hierbei habe ich angenommen, dass der Körper bereits komplett untergetaucht ist (sonst wird es schwerer zu berechnen!). Das Volumen einer Kugel mit Radius beträgt . Setzt man dies ein, so erhält man

Das ist nun eine Differentialgleichung 1. Ordnung in . Löst man diese, erhält man als Ergebnis die Geschwindigkeit als Funktion von der Zeit t. Nach aufgelöst erhält man

Im Prinzip müsste man jetzt die zwei Differentialgleichungen lösen und schauen, wie es sich verhält. Wenn ich heute Abend mehr Zeit und Lust habe, kann ich es versuchen.

Ansonsten möchte ich erst einmal den etwas unrealistischen Fall annehmen, dass man die Reibung zwischen den Körpern und dem Wasser vernachlässigt. Das ist der Spezialfall . In diesem Fall hängt die Beschleunigung nicht mehr von der Geschwindigkeit ab (die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit kommt nur dadurch zustande, dass die Reibungskraft von der Geschwindigkeit abhängt) und man hat nach der letzten Gleichung

Mit dieser Gleichung sieht man, dass die Körper gleich schnell fallen (im Fall ), weil dann , d. h. es wirkt eine Beschleunigung nach unten. Oder man zieht die zwei Gleichungen (für die beiden Körper) voneinander ab und betrachtet die Relativbeschleunigung (der Index r bezeichne die Johannisbeere, der Index R die Melone):


Wie gesagt ist dies der unrealistische Fall ohne Reibung und evtl. werde ich später noch den realistischen Fall explizit berechnen. Aber man kann jetzt schon qualitativ folgendes sagen. Da die Reibungskraft proportional zum Radius des Körpers ist, wird der Körper mit dem größeren Radius stärker "gebremst" und fällt daher langsamer. Die Melone sollte also im realistischen Fall mit Reibung langsamer fallen als die Johannisbeere, wobei ich hier angenommen habe, dass es sich bei beiden Körpern um eine laminare Strömung handelt. Geht man auch von dieser Vereinfachung nicht aus, dann wird es noch einmal wesentlich komplizierter, wobei ich davon ausgehe, dass auch im Fall nicht-laminarer Strömung der Strömungswiderstand des größeren Kugel größer ist.
Wow, vielen Dank für die ausführliche Antwort! So macht Physik Spaß! Smile
Irgendwas muss ich falsch gemacht haben, denn ich habe die DGL nun auf 2 verschiedene Weisen berechnet und bekomme jedes Mal die (unphysikalische) Lösung


Dabei habe ich die Anfangsbedingung v(0) = 0 verwendet. Die Lösung besagt, dass die Geschwindigkeit bis ins unendliche steigt und das ist m. E. nicht möglich, weil mit zunehmender Geschwindigkeit die Reibungskraft größer wird, d. h. irgendwann müsste ein Kräftegleichgewicht herrschen und die Geschwindigkeit konstant bleiben.
Ich habe meinen Fehler gefunden. Es handelt sich um einen kleinen Vorzeichenfehler. Bei der Reibungskraft braucht man ein Minus:


Die DGL lautet dann entsprechend

Damit lautet die Lösung der inhomogenen DGL mit Anfangswert v(0)=0


Für den zweiten Fall (Reibung verschwindet nicht) konvergiert die Geschwindigkeit gegen

Ein Körper mit größerem Radius erreicht also die größere Endgeschwindigkeit. Hätte ich zwar nicht erwartet, aber ok.
Hallo Scurra,
Scurra schrieb:Ein Körper mit größerem Radius erreicht also die größere Endgeschwindigkeit. Hätte ich zwar nicht erwartet, aber ok.
Na bitte, Mathematik und Physik passen wunderbar zusammen!
Die Reibungskraft ist von der Oberfläche und der Geschwindigkeit abhängig, aber das Gewicht vom Volumen und der Massedichte,
deshalb ist z.B. bei doppeltem Radius das Gewicht acht mal größer, aber die Oberfläche nur vier mal größer,
das spezifische Gewicht der Melone und der Johannisbeere ist ja gleich ;v)
Den Rest kannst du dir denken.



Freundliche Grüße, quodiddle
Zitat:deshalb ist z.B. bei doppeltem Radius das Gewicht acht mal größer, aber die Oberfläche nur vier mal größer,
Das Gewicht (die Masse) hat hier aber m. E. keinen Einfluss auf die Beschleunigung. Die Erdbeschleunigung ist konstant, unabhängig von der Masse (eine leichte Feder fällt im Vakuum gleich schnell nach unten wie ein schweres Bleistück). Nach wird bei größerer Masse die Gewichtskraft größer, aber das braucht man, um die Beschleunigung konstant zu halten.

Im Fall ohne Reibung sieht man, dass beide Körper gleich schnell im Wasser nach unten gleiten. Wenn man nun Reibung berücksichtigt, dann wirkt auf beide Körper eine Gegenkraft, die umso größer ist, je größer der jeweilige Körper ist. Die Gegenkraft vermindert die Beschleunigung. Mein Ergebnis sagt aber, dass ein Körper mit doppeltem Radius viermal so stark beschleunigt wird. Ich vermute daher, dass ich mich irgendwo verrechnet habe.
(Oder aber ich habe einen Denkfehler und verstehe es einfach nicht Wink)
Hallo Scurra,

Ich wollte darauf hinaus, dass so wie du es gesagt hast, zwei Körper mit verschiedener Masse (Größe egal) im Vakuum gleich schnell
fallen, bzw. beschleunigen, aber wenn der Reibungswiderstand eines Mediums (Luft oder Wasser) dazu kommt, müsste es
bei zwei gleich großen, aber verschieden schweren Körpern zwei verschiedene Fallgeschwindigkeiten geben, weil sie die selbe Oberfläche haben,
aber zwei verschiedene Gewichte nach unten wirken.
Deshalb habe ich geschrieben, dass das Gewicht vom Volumen und der Massedichte zusammen abhängig ist. Aber ich glaube, dass möglicherweise
das noch unklar ist (mir aber auch), wie es mit dem Zusammenhang der Geschwindigkeit und dem Reibungswiderstand ist.
Ich bin nicht sicher ob es stimmt, aber ich meine, dass mit größerer Sink-Geschwindigkeit (gleicher Radius, größere Masse),
der Reibungswiderstand größer wird, zumal ja bei der jeweiligen Beschleunigung nach einer bestimmten Zeit eine Endgeschwindigkeit erreicht ist.

Ich meine, wenn z.B. die Massemenge gleich bleibt, ist beim doppelten Radius eigentlich nicht unbedingt der Reibungswiderstand viermal größer, aber beim
selben spezifischen Gewicht von r und 2r wirkt bei der achtfachen Masse von 2r das achtfache Gewicht gegen die vierfache Oberfläche.
Und das ist das, was mir dabei noch nicht klar ist: Müsste nicht eine geringere Sink-Geschwindigkeit dabei herauskommen, als der doppelte Wert,
weil der Reibungswiderstand nicht proportional zur Geschwindigkeit ist, sondern stärker zunimmt? (Und: Kann man das mit dem cw-Wert vergleichen?)

Ich hoffe, so kannst du dir eher vorstellen, worauf ich hinaus will :v)



Freundliche Grüße, quodiddle
Eigentlich haben wir doch hier den richtungsinvertierten Fall dieses Beispiels zum Auftrieb.
Dort geht es um Luftblasen verschiedener Größe die auftauchen - hier um Früchte die untergehen.
Der negative Auftrieb, der mit größeren Volumen deutlich stärker wird, dürfte der Grund dafür sein, dass die Melone schneller sinkt.
Hallo Leute, alles für Sisi1313:


@Kleinstein:

Das Beispiel mit den Gasblasen finde ich interessant, aber ich kann mir dabei nicht vorstellen, wie ich das mit dem Reibungswiderstand
der sinkenden Körper vergleichen kann.

Zitat aus dem Link:
________________________________________________________________________________​_______

Gasblasen in einer Flüssigkeit steigen um so schneller auf, je größer sie sind, da mit
zunehmender Größe der Auftrieb viel schneller wächst als der Strömungswiderstand.
________________________________________________________________________________​_______

Das scheint ein gleicher Zusammenhang zu sein, weil die Blasen eine Grenzfläche haben, die wahrscheinlich der Oberflächenspannung
des jeweiligen Mediums entspricht, so gibt es da auch einen Strömungswiderstand. Aber ich weiß nicht, ob in diesem Fall
im Prinzip auch eine Endgeschwindigkeit erreicht werden kann.

Ich meine, dass der Reibungswiderstand bei den sinkenden Körpern nicht nur von der Größe der Oberfläche abhängig ist,
sondern dass bei zunehmender Sinkgeschwindigkeit auch der Reibungswiderstand zunimmt, weshalb es ja nur zu einer Endgeschwindigkeit
kommen kann.


@Scurra:

Nach dem Essen kommen manchmal bessere Ideen, ich hätte es so schreiben sollen:
Stellen wir uns zwei gleich große Kugeln vor, von der eine die doppelte Sinkgeschwindigkeit bzw. Endgeschwindigkeit hat als die andere,
ich würde fast wetten, dass bei der Kugel mit der doppelten Sinkgeschwindigkeit das Gewicht mehr als das doppelte sein muss.
Ich habe im Web kein Diagramm gefunden, das den Zusammenhang vom Reibungswiderstand einer bestimmten Fläche in Abhängigkeit
zur Geschwindigkeit zeigt. Wie schon gesagt, ich glaube, es ist kein linearer Verlauf. (Um ehrlich zu sein, ich war nur ein wenig zu faul
um zu recherchieren ;v)
Das würde im Endeffekt bedeuten: Das Verhältnis vom Reibungswiderstand zum Gewicht und damit zur Sinkgeschwindigkeit, ist bei der
Melone viel kleiner als bei der Johannisbeere. Deshalb müsste die Melone schneller sinken.
Nur habe ich so keine Idee, wie dabei das Verhältnis der beiden Endgeschwindigkeiten zueinander sein könnte.



Freundliche Grüße, quodiddle
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