Der Kartesische Taucher / Flaschenteufel
Schlagwörter: kartesicher Taucher, cartesischer Taucher, Flaschenteufel, Druck, Auftrieb, Gasgesetze
Der kartesische Taucher ist ein phantastisches Spielzeug mit ganz viel Physik. Wenn man die Flasche leicht zusammendrückt, dann sinkt der Taucher zum Boden. Löst man die Hand wieder, dann taucht er wieder auf.
- Wie ist der Taucher aufgebaut?
- Warum sinkt der Taucher beim Drücken auf die Flasche?
- Wie kann ich das selber bauen?
Beachte auch den Wasserstand im Taucher in den verschiedenen Höhen.
Aufbau des Tauchers
Der kartesische Taucher besteht aus einer unten offenen Glashülle. ►02 Solange sich der Taucher außerhalb der Flasche befindet, ist der Innenraum nur mit Luft gefüllt.
Wenn der Taucher ins Wasser gesetzt wird, dann taucht er so weit ein, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Gewichtskraft FG des Tauchers und dem Auftrieb FA eingestellt hat.
{\large \begin{array}{l}{{{\vec{F}}}_{G}}=-{{{\vec{F}}}_{A}}\\\text{oder wir betrachten die Betr }\!\!\ddot{\mathrm{a}}\!\!\text{ ge}\text{,}\\{{F}_{G}}={{F}_{A}}\end{array} }
Da sich der Taucher im Wasser befindet, wird etwas Wasser durch die untere Öffnung in den Innenraum gedrückt.
Der Wasserspiegel im Innenraum wird aber tiefer sein, als der Wasserspiegel in der Flasche ►04. Da der Taucher oben verschlossen ist, wird die eingeschlossene Luft zusammengedrückt. Der Luftdruck im Kopf des Tauchers ist gleich dem Druck in der jeweiligen Wassertiefe.
Warum sinkt der Taucher?
Wenn die Flache zusammengedrückt wird, dann erhöht sich der Druck im Innenraum der Flasche. In der Flasche befinden sich Wasser und Luft. Wasser ist nicht kompressibel, das heißt, dass sich sein Volumen nicht ändert. Da sich aber das Flaschenvolumen verkleinert, muss sich das Volumen der Luft in der Flasche verkleinern.
In der Flasche finden wir an zwei Stellen Luft – unterhalb des Deckels und im oberen Teil des Tauchers. Diese Luft wird komprimiert. Dadurch steigt der Wasserspiegel in der Flasche und im Taucher.
Wenn der Wasserspiegel im Taucher steigt, dann erhöht sich seine Masse m und damit auch seine Gewichtskraft FG. Der Taucher sinkt.
… Video folgt
Wie kann ich einen Taucher selber bauen?
Im Netz findet ihr diverse Bauanleitungen zum kartesischen Taucher. Ich möchte im Folgenden zwei Varianten vorstellen.
Variante 1
Die wohl einfachste Anleitung funktioniert mit den folgenden Materialien.
Material
- Plastikflasche
- leeres Back-Aroma-Röhrchen
- Wasser
Aufbau
Fülle die Flasche bis zum Rand mit Wasser. Setze das Back-Aroma-Röhrchen mit der Öffnung nach unten in die Flasche. Verschließe die Flasche – FERTIG.
Variante 2
Diese Anleitung ist etwas kniffliger, dafür aber frei zu designen.
Material
- Plastikflasche
- kleiner Luftballon (Wasserbombe)
- LEGO-Männchen (Miniatur, muss durch den Flaschenhals passen)
- Bindfaden oder Zwirn
- Draht, Büroklammern
- Wasser
Aufbau
Fülle etwas Wasser in den Ballon und blase ihn dann ganz leicht auf. Verknote den Ballon und binde den Faden daran fest. ►xx
Befestige das andere Ende des Fadens an der Hand der LEGO Männchens.
Da du die Figur mit dem Ballon nur schwer wieder aus der Flasche bekommst, solltest du die Masse von Ballon und Männchen vorher in einer mit Wasser gefüllten Schale oder in der Badewanne justieren. Zunächst sollte die Konstruktion (LEGO+Ballon) im Wasser schwimmen. Erhöhe jetzt die Masse des LEGO-Männchens mit Draht soweit, dass der Ballon nur noch ein winziges Stück aus dem Wasser herausschaut. ►07
Wenn das nicht gelingt, dann war zu viel Luft im Ballon. Du benötigst dann einen weiteren Ballon, den du etwas weniger aufpustest.
Wenn du die Konstruktion justiert hast, dann bringe sie in die leere Flasche. Der Ballon wird vermutlich nur schwer durch die Öffnung passen. Hier kannst du dir die Physik zu Nutze machen. Drücke die Flasche zusammen und setze dann den Ballon auf die Flasche. Wenn du die Flasche jetzt loslässt, dann sollte der Luftdruck den Ballon in die Flasche pressen. Jetzt musst du die Flasche noch mit Wasser befüllen und verschließen – FERTIG.
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