Die Trinkente
Schlagwörter: Trinkente, Schluckspecht, Physik, Experimente, Freihand Experiment, Druck, Temperatur, Flüssigkeit, Verdunstungskälte, Verdunsten, Phasenübergang, Dampfdruck
Die Trinkente ist ein Beispiel für ein physikalisches Spielzeug. Was auf den ersten Blick aussieht wie ein Perpetuum Mobile, lässt sich mit den Kenntnissen des Physikunterrichts der Klasse 9 erklären. Eins möchte ich aber schon vorab verraten, es ist kein Perpetuum Mobile.
Durchführung
Zum Beginn des Experimentes tauchen wir den Schnabel der Ente einmal in das Wasser ein und lassen sie dann los. Die Ente beginnt zu wippen. Das Video hat nur eine Länge von ca. 2min. Die Ente wird aber auch noch nach mehreren Stunden weiterwippen.
Wie ist das möglich?
Dazu schauen wir uns den Aufbau der Ente genauer an.
Aufbau und Funktion
Die Trinkente besteht im Wesentlichen aus zwei Glaskolben und einem unten und oben offenen Steigrohr. Das Steigrohr ragt in die Flüssigkeit im unteren Glaskolben.
Der obere Glaskolben ist mit rotem Filz überzogen und stellt den Kopf der Ente dar. Auch der Schnabel ist Teil des Glaskolbens.
Wenn der Druck im unteren Kolben steigt, dann steigt auch die Flüssigkeit. Wenn der Druck im oberen Kolben (Kopf) sinkt, dann steigt die Flüssigkeit.
Die Ente ist im Gestell auf etwa halber Höhe befestigt. Ist die Flüssigkeit im unteren Kolben, dann ist der Schwerpunkt der Ente auch unterhalb der Aufhängung. Die Ente wippt um ihre Ruhelage.
Wenn die Flüssigkeit steigt, dann verschiebt sich auch der Schwerpunkt der Ente nach oben. Wenn der Schwerpunkt oberhalb der Aushängung ist, dann kippt die Ente nach vorne und der Schnabel taucht erneut in das Glas.
Warum verschiebt sich der Schwerpunkt?
Wir können beobachten, dass die Flüssigkeit im Steigrohr steigt.
Immer wenn die Ente mit dem Schnabel in das Wasser taucht, dann wird dieser mit Wasser benetzt. Das Wasser auf dem Schnabel verdunstet. Dabei wird der Umgebung (in diesem Fall dem Schnabel) Wärme entzogen. Das ist die sogenannte Verdunstungskälte, die du auch vom Schwitzen kennst. Der Kopf der Ente kühlt sich ab. Wenn aber der Kopf der Ente, also der obere Glaskolben kälter wird, dann reduziert sich der Druck im Kopf der Ente. (Gesetz von Amonton)
Da der Druck im unteren Kolben höher ist, steigt die Flüssigkeit, bis sich der Druck ausgeglichen hat.
Ein weiterer Effekt ist, dass durch das Wippen die Flüssigkeit im unteren Kolben erwärmt wird und somit der Druck im unteren Teil steigt. Dieser Effekt ist sicher vorhanden, aber so marginal, dass er nicht ausreichen würde die Ente zu betreiben.
Der Filz erfüllt hier zwei Funktionen.
- Wenn die Oberfläche des Schnabels aus Glas wäre, dann würde diese beim Eintauchen zwar kurzzeitig nass werden. Das Wasser würde aber durch seine hohen Kohäsionskräfte schnell abtropfen. Damit wäre die benötigte Verdunstungskälte nur sehr kurzfristig verfügbar. Durch den Filz wird das Wasser auf der Oberfläche des Schnabels gebunden.
2. Glas hat eine sehr glatte Oberfläche. Durch die sehr raue Oberfläche des Filzes findet hier eine deutliche Vergrößerung der Oberfläche statt. Dadurch kann dem Schnabel mehr Wärme entzogen werden.
Druckausgleich
Die Maße von Steigrohr, Glaskolben und Flüssigkeitsmenge sind so abgestimmt, dass beim Eintauchen in das Glas die Flüssigkeit so im Gefäß steht, dass sich die Drücke im oberen und unteren Kolben ausgleichen können. Auf die Flüssigkeit wirkt nur noch die Gewichtskraft. Sie fließt in den unteren Kolben zurück.
Der Prozess beginnt von vorne.
