Archiv der Kategorie: Physik

Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Du hast bestimmt schon einmal von 3D-Druck gehört und das man damit mittlerweile fast alles herstellen kann. Aber weißt du auch, wie so ein 3D-Drucker funktioniert?

Das prinzipielle Verfahren ist, dass ein dreidimensionales Modell Schicht für Schicht aufgebaut wird. Benötigt werden dafür Materialien, die unter bestimmten Bedingungen ihre Eigenschaften ändern und beispielsweise schmelzen oder eben auch wieder aushärten. Weit verbreitet sind drei verschiedene Verfahren des 3D-Drucks. Die Stereolithographie, das Laser-Sintern und das Fused Deposition Modeling. In allen Fällen werden die Modelle bereits als 3D-Datei an den Drucker übermittelt. Bei der Stereolithographie kommt ein flüssiges Epoxidharz als Basismaterial zum Einsatz. Eine Hebebühne, die in einem Becken aus Epoxidharz angebracht ist fährt schrittweise von oben nach unten. In jedem Schritt wird mit einem Laser eine Schicht des Modells abgefahren. Überall, wo der Laser entlangfährt, härtet das Harz aus und am Ende entsteht eine dreidimensionale Struktur. Beim Laser-Sintern hingegen dient ein Kunststoffpulver als Ausgangsmaterial. Dieses Pulver kann mit Hilfe eines Lasers punktuell aufgeschmolzen werden und verhärtet anschließend sehr schnell wieder. Das Pulver wird hier mit Hilfe einer Rolle schichtweise aufgetragen und in jede Pulverschicht die entsprechende Struktur des Modells rein „gebrannt“. Überschüssiges Pulver kann am Ende abgebürstet werden. Das letzte Verfahren, das Fused Deposition Modeling, arbeitet etwas anders. Hier gibt es im Drucker ähnlich wie bei 2D-Druckern eine Düse, die einen vorher verflüssigten Kunststoff Schicht für Schicht auf das Modell aufträgt. Sobald der flüssige Kunststoff die Düse verlassen hat, härtet er aus und bildet somit das 3D-Objekt.

Grundsätzlich gibt es 3D-Drucker in allen Varianten und Größen von haushaltstauglichen Spielzeugen bis hin zu industriellen Großanlagen. Die sehr präzise Technik der 3D-Drucker wird immer weiter entwickelt, so dass mittlerweile erstaunliches damit „gedruckt“ werden kann.

 

Quellen:

https://www.printer-care.de/de/drucker-ratgeber/wie-funktioniert-ein-3d-drucker

https://www.tintenmarkt.de/Blog/Der-3D-Druck-was-ist-das-und-wie-funktioniert-er-1538

https://praxistipps.chip.de/wie-funktioniert-ein-3d-drucker-verstaendlich-erklaert_45124

Darf Metall in die Mikrowelle?

Ein auch im Internet sehr heiß diskutiertes Thema: Darf Metall in die Mikrowelle? Kann  ich den Löffel in der Milchtasse lassen, wenn ich diese in der Mikrowelle erwärme? Hierüber ranken sich viele Mythen und Theorien. Diese reichen von „man soll sogar einen Löffel ins Getränk legen“ bis hin zu „auf keinen Fall, da kann die Mikrowelle explodieren“.

Wie in den meisten Fällen, haben alle Aussagen irgendwo ihren begründeten Ursprung und es kursieren etliche Videos im Internet von Leuten, die selber mit Metall in der Mikrowelle experimentiert haben. Grundsätzlich sollte man an dieser Stelle sagen, dass es in manchen Fällen nicht zu empfehlen ist und es eigentlich keinen Grund gibt, Metall „sinnlos“ in der Mikrowelle zu platzieren. Allerdings wirklich gefährlich ist es in der Regel nicht. Entscheidend ist tatsächlich die Form des Metalls. Grundsätzlich werden nämlich durch die Mikrowellen in Metallen elektrische Ströme erzeugt. (Funktionsweise einer Mikrowelle) Die Mikrowellen regen die im Metall frei beweglichen Elektronen zur Bewegung an und bewegte Elektronen sind Strom. Stromfluss in Metallen führt erst einmal dazu, dass sich das Metall erhitzt. Nun ist es aber so, dass dieser Stromfluss sich vor allem auf die Kanten oder Spitzen des Metalls konzentriert. Durch die dabei entstehenden hohen Spannungen, kann es tatsächlich zu Funkenflügen kommen. Vor allem wenn sich zwei solcher Kanten sehr nahe kommen. Klassisches Beispiel hierfür ist eine Gabel. Die Zinken bieten optimale Eckpunkte für den Stromfluss und liegen direkt nebeneinander, weshalb es bei Gabeln in der Mikrowelle schnell zu Funkenflug kommt. Kritisch sind auch sehr dünne Metallbeschichtungen auf Geschirr, wie beispielsweise ein Goldrand auf einem Teller. Diese dünnen Schichten können so heiß werden, dass sie anfangen zu schmelzen. Ein Löffel hingegen verteilt die Ladungen, die durch die Mikrowellen entstehen recht gut. Allerdings sollte dieser auch nicht zu nah am Gehäuse der Mikrowelle entlanglaufen. Dieses ist nämlich auch aus Metall und bei sehr kurzem Abstand kann es auch hier zu Funkenflug kommen.

Wissenschaftler des Frauenhofer Instituts haben außerdem getestet, wie sich gefüllte Aluminiumschalen in der Mikrowelle verhalten. Fertiggerichte sind oft in solchen Schalen verpackt und werden gerne einfach so in die Mikrowelle gestellt. Dies ist nach der Aussage der Wissenschaftler auch ohne Bedenken möglich. Entscheidend hierbei ist, dass die Behälter befüllt sein müssen, damit das Metall nicht mit sich selber interagieren kann.

Auch wenn Funkenschlag in der Mikrowelle sicher nicht zu längeren Lebenserwartung des Geräts beiträgt, so ist auch nicht jeder Funke in der Mikrowelle gleich eine potentielle Explosionsquelle. Sollten beim Betrieb der Mikrowelle doch einmal Funken im Inneren zu sehen sein, kann das Gerät ganz einfach abgeschaltet werden und die Funkenquelle entfernt werden. Wer seine wertvollen Goldrandteller, die er von seiner Urgroßmutter geerbt hat, in die Mikrowelle stellt, wird sich allerdings schnell ärgern. Ein geschmolzener Goldrand ist wohl kaum noch zu retten.

 

Quellen:

https://www.haz.de/Nachrichten/Wissen/Uebersicht/Darf-Metall-in-die-Mikrowelle

https://www.ekitchen.de/kuechengeraete/mikrowelle/ratgeber/loeffel-in-der-mikrowelle-557491.html

Flasche auf Flasche schlagen – warum schäumt das Bier dabei über?

Man steht nichtsahnend mit einer Flasche Bier auf einer Party und plötzlich kommt jemand vorbei und haut mit seiner Flasche oben auf besagte Bierflasche in der Hand. Mit einer schnellen Reaktion und dem Trinken von viel Schaum kann man eine Sauerei gerade noch verhindern. Aber warum schäumt ein Bier eigentlich so stark wenn man oben auf die Flasche haut. Die Physik hinter dem Partygag will ich euch heute erklären.

Bekanntermaßen enthält Bier ja Kohlensäure. Diese Kohlensäure ist in der Flüssigkeit gelöst und kann unter bestimmten Bedingungen entweichen. Grundsätzlich gilt, dass Gase sich bei hohem Druck besser in Flüssigkeiten lösen, bei geringen Druck eher entweichen. Wenn nun eine Flasche auf einen anderen Flaschenhals geschlagen wird, in dem sich Bier befindet, erzeugt dieser Schlag eine Druckwelle. Diese Druckwelle breitet sich nach unten in die Flasche aus. Am Flaschenboden wird die Welle reflektiert und wandert wieder nach oben. Dabei überlagert sie sich mit der nach unten wandernden Welle. Interferenzerscheinungen durch eben diese Überlagerung sorgen dafür, dass an manchen Stellen Regionen mit höherem Druck, an anderen allerdings auch Regionen mit deutlich geringerem Druck entstehen. An genau diesen Stellen ist der Druck so gering, dass die in der Flüssigkeit gelöste Kohlensäure entweicht und somit CO2 freigesetzt wird. Ist erst einmal eine CO2-Blase entstanden, fällt es der restlichen Kohlensäure leichter die Flüssigkeit zu verlassen und somit noch mehr CO2 freizusetzen. Diese Kettenreaktion sorgt dafür, dass eine große Menge an CO2 gleichzeitig aus dem Bier aufsteigt. Bier hat dabei die Eigenschaft, dass sich Schaum bildet, der dann schlagartig die Flasche verlässt. Die Flasche schäumt also über.

Zum Glück sind Flaschen in der Regel rund, sonst könnte das gleiche auch bei einem „Schlag“ von der Seite gegen eine Flasche passieren und das klassische Anstoßen würde in vielen Fällen zu einer großen Sauerei führen. An der runden Flaschenwand wird die Druckwelle nämlich nicht in die gleiche Richtung reflektiert, aus der sie gekommen ist und es entstehen keine Interferenzerscheinungen wie oben beschrieben.

 

Quellen:

https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/bierstreich/

https://amara.org/pt-br/videos/NTKIKQ9k3Jrz/de/738890/

Können Glasscherben einen Waldbrand auslösen?

Wie immer um diese Jahreszeit wüten leider auch dieses Jahr wieder Waldbrände in vielen Regionen der Erde. Den brasilianischen Amazonas Regenwald trifft es dieses Jahr ganz besonders schlimm. Es gibt viele verschiedene Wege, wie so ein Waldbrand entstehen kann. Ein viel zu häufig auftretender Grund ist auch die Unachtsamkeit von uns Menschen. Ein Feuer im Wald oder ein weggeworfener Zigarettenstummel sind häufig die Ursache für einen Brand. Vielerorts wird auch davor gewarnt Glasflaschen oder Ähnliches in den Wald zu werfen, da Glasscherben nachgesagt wird, sie könnten mit Hilfe des Sonnenlichts einen Brand entfachen. Aber ist das wirklich so?

Viele von euch haben sicher als Kind einmal mit einer Lupe und der Sonne ein Stück Papier zum brennen gebracht. Klar, das funktioniert. Aber bei einer Lupe handelt es sich auch um ein Vergrößerungsglas, das entsprechend geformt ist. Eine Lupe ist in der Lage das Sonnenlicht auf einen Punkt zu bündeln. Die Entfernung zu diesem Punkt, nämlich die Brennweite, ist genau festgelegt. Glasscherben, wie beispielsweise ein abgebrochener Flaschenboden, sind in der Regel nicht lupenartig geformt und sind somit nur sehr bedingt in der Lage das Sonnenlicht zu bündeln. Tatsächlich haben sich auch schon Wissenschaftler mit dieser Thematik beschäftigt und haben versucht mit Hilfe unterschiedlichster Glasscherben diverses Waldmaterial zum brennen zu bringen. In keinem der Versuche wurde die Zündtemperatur der Materialien, die bei etwa 300°C liegt, erreicht, so dass ein Brand hätte entstehen können. In den meisten Fällen lagen die maximalen Temperaturen sogar weit darunter. Noch dazu kommt, dass die Wissenschaftler in ihren Versuchen die Glasscherben in berechneter Brennweite über dem Boden und in optimalem Winkel zur Sonne platziert haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Flaschenboden einige Zentimeter über dem Boden optimal zur Sonne ausgerichtet ist, ist dann doch eher gering.

Es lässt sich also sagen, dass Glasscherben in Wald wohl kaum einen Waldbrand auslösen können. Nichtsdestotrotz gehört Glas natürlich überhaupt nicht in den Wald, sondern im besten Fall in den Altglascontainer. Kritischer wird es, wenn etwa Kosmetikspiegel, Brillen, Lupen oder ähnliches Vergrößerungsglas im Wald landet. Diese gekrümmten Gläser sind sehr wohl in der Lage sehr hohe Temperaturen zu erzeugen. Auch mit Wasser gefüllte ganze Flaschen können diesen Effekt erzeugen, da Wasser bekanntermaßen ebenfalls einen Vergrößerungseffekt hat und damit ähnlich einer Lupe wirken kann.

Am besten ist natürlich einfach gar kein Müll im Wald, denn dort gehört er definitiv nicht hin!

 

Quellen:

https://www.spektrum.de/frage/koennen-glasscherben-waldbraende-verursachen/1668836

https://www.mdr.de/nachrichten/faktencheck-scherben-waldbrand100.html

Warum ist man im Wasser leichter als in der Luft?

Im Sommer im Freibad oder Pool, im Winter im Hallenbad oder der Therme – jeder von uns geht doch ab und zu gerne mal ins Wasser. Was dabei auffällt ist, mit jedem Schritt, den man weiter ins Wasser geht, fühlt man sich leichter. Ist man erst einmal komplett im Wasser hat man fast das Gefühl von Schwerelosigkeit. Aber warum ist das so? Herrscht im Wasser etwa eine andere Schwerkraft?

Nein, natürlich nicht. Die Schwerkraft wirkt im Wasser genauso, wie in der Luft. Grund für die scheinbare Schwerelosigkeit im Wasser ist eine andere Kraft, die sogenannte Auftriebskraft. Die Schwerkraft wirkt ja bekanntermaßen nach unten, genauer gesagt zum Mittelpunkt der Erde hin. Die Auftriebskraft hingegen wirkt in genau die entgegengesetzte Richtung, nämlich nach oben. Sie wird dadurch hervorgerufen, dass man, wenn man sich im Wasser befindet, einen Teil des Wassers verdrängt. Das Volumen des Körpers im Wasser verdrängt das Wasser, dass vorher ja noch an dieser Stelle war. Die Auftriebskraft wirkt diesem Verdrängen entgegen und möchte den Körper quasi wieder aus dem Wasser befördern. Da die Auftriebskraft in die entgegengesetzte Richtung drückt, wie die Anziehungskraft der Erde, werden wir im Wasser leichter, je weiter wir hinein gehen. Ganz von selber schwimmen tun wir dann aber leider doch nicht. Die Dichte unseres Körpers ist nämlich etwas höher als die von Wasser. Das bedeutet, dass der untergetauchte Teil unseres Körpers etwas mehr wiegt, als der Teil des Wassers, der durch den Körper verdrängt wird. Ist das nicht der Fall, wie z.B. bei Holz oder Plastik, schwimmt der entsprechende Gegenstand auf dem Wasser. Wie bereits erwähnt ist die Dichte hierfür entscheidend. Sie gibt das Verhältnis von Gewicht zu Volumen an. Für die Schwerkraft ist allein das Gewicht maßgeblich. Je schwerer, desto stärker die Anziehung zur Erde. Für die Auftriebskraft ist nur das Volumen entscheidend. Weniger dichte Materialien haben bei gleichem Gewicht ein höheres Volumen und verdrängen dadurch mehr Wasser. Die Auftriebskraft wird also irgendwann stärker als die Schwerkraft und der Gegenstand schwimmt. Ist die Dichte groß genug, ist das nicht der Fall und der Gegenstand sinkt.

Die Auftriebskraft herrscht übrigens nicht nur im Wasser. Auch die von uns verdrängte Luft erzeugt einen Auftrieb. Da Luft aber so leicht ist und damit auch der Teil der verdrängten Luft quasi nichts wiegt, ist die Auftriebskraft in Luft für uns vernachlässigbar klein, so dass nur der Einfluss der Schwerkraft zu tragen kommt.

Warum ändert eine Krankenwagen Sirene beim Vorbeifahren ihren Ton?

Ein Krankenwagen kommt mit Sirene angefahren, alle fahren aus dem Weg und im Moment des Vorbeifahrens passiert etwas merkwürdiges. Der Sirenenton scheint sich zu verändern. Aber warum hört sich ein heranfahrender Krankenwagen mit Sirene anders an, als ein Wegfahrender?

In der Physik wird dieses Phänomen als Doppler-Effekt bezeichnet. Die Tonänderung beruht auf der Tatsache, dass die Wellenlänge eines Tons, der von einem bewegten Objekt aus geht, nicht in alle Richtungen gleich groß ist. In Fahrtrichtung wird die Schallwelle „zusammengestaucht“, entgegen der Fahrtrichtung „entzerrt“. Aber warum ist das so?

Man kann sich eine Schallwelle als eine auf und ab Schwingung vorstellen (wie z.B. ein auf und ab bewegtes Seil). Die Wellenlänge ist der Abstand zweier Hochpunkte bzw. Maxima (oder auch Tiefpunkte). Die Welle wird in ihrem Ursprung, im Falle des Krankenwagens an der Sirene, konstant erzeugt. Das Signal hat im Ursprung damit immer die gleiche Wellenlänge. Von Ursprung aus breitet sich eine Schallwelle bekanntermaßen mit Schallgeschwindigkeit aus. Das ist mit etwa 343 km/h zwar sehr schnell, aber eben nicht so schnell, dass die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs keinen Einfluss darauf hat. Ein fahrender Krankenwagen, und damit dessen Sirene, hat sich nämlich in der Zeit vom Aussenden eines Wellenmaximums bis zum nächsten ein kleines Stück vorwärts bewegt. In Fahrtrichtung ist der effektive Abstand der beiden Maxima, die sich in der Luft ausbreiten, dadurch etwas kleiner, als das ursprüngliche Signal. Entgegen der Fahrtrichtung ist es genau andersherum und der Abstand vergrößert sich. Die beiden nachfolgenden Bilder verdeutlichen diesen Effekt. Im ersten Bild der heranfahrende Krankenwagen, im zweiten Bild der Wegfahrende.

Doppler-Effekt heranfahrend Doppler-Effekt wegfahrend

Kürzere Wellenlänge bedeutet bei akustischen Signalen ein höherer Ton. Aus diesem Grund hört sich die Sirene des heranfahrenden Krankenwagens höher an, als die des wegfahrenden Autos. Im Zeitpunkt des Vorbeifahrens hört man dann den Übergang von hoch nach tief.

 

Quellen:

https://www.leifiphysik.de/akustik/akustische-wellen/doppler-effekt

Flimmern über heißen Oberflächen

Jetzt in der warmen Jahreszeit wieder häufig zu beobachten: Ein merkwürdiges Flimmern auf Asphalt, schwarzen Fensterbänken oder anderen heißen Oberflächen. Hast du dich schon einmal gefragt woher das kommt? Hier gibt es die Erklärung.

Zuerst einmal benötigt es dafür eine heiße Oberfläche. Und zwar eine, die deutlich wärmer ist, als die Luft darüber. Diese Luft erwärmt sich im Bereich direkt über der heißen Oberfläche, z.B. Asphalt. (Es funktioniert natürlich auch mit anderen Wärmequellen) Wärmere Luft steigt immer nach oben, da mit steigender Temperatur die Dichte der Luft sinkt und sie somit leichter wird. Die aufsteigende Luft macht dadurch wieder Platz für „frische“ Luft, die auf die Oberfläche strömen kann und sich wiederum erhitzt. Außerdem kühlt die warme Luft beim Aufsteigen langsam wieder ab, so dass sich im Bereich über dem Asphalt mehrere Luftschichten unterschiedlicher Temperatur bilden. Die Aufwärtsbewegung dieser Schichten erfolgt aber in der Regel nicht gleichmäßig, sondern wild durcheinander. In der Technik nennt man eine solche Strömung „turbulent“. Wenn nun Licht, das später in unser Auge fallen soll, durch diese turbulente Strömung aus verschieden warmen Luftschichten fällt, wird es in jeder Luftschicht unterschiedlich gebrochen. (Für eine ausführliche Erklärung des Begriffes Brechung von Licht siehe: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? ) Dieses „Wirrwarr“ aus gebrochenem Licht sehen wir dann als Flimmern, das aufzusteigen scheint, da sich die Luftschichten ja weiterhin nach oben bewegen.

Das gleiche Phänomen ist übrigens auch für die scheinbar nasse Straße verantwortlich. Licht kann nämlich an einer Grenze zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten auch reflektiert werden. (Für Begriffserklärung Reflexion siehe ebenfalls: Wie entsteht eigentlich ein Regenbogen? Was wir auf dem Boden als Pfütze sehen, ist eigentlich die Spiegelung des Himmels.

Im Allgemeinen nennt man eine solche Spieglung „Fata Morgana“. Dabei kann nicht nur der Himmel, sondern auch andere Gegenstände oder ganze Bergketten gespiegelt werden. Allerdings sollte für eine gut sichtbare Fata Morgana kein Wind wehen, um die Luftschichten möglichst nicht zu verwirbeln. Ist das der Fall, so entsteht eine deutliche Grenze zwischen einer kühleren und einer wärmeren Luftschicht, an der sich das Licht dann spiegeln kann.

grafik_fatamorgana01

In der Abbildung sieht man die Grenzschicht zwischen den Luftschichten (schwarzer Strich). Der Baum wird an dieser Schicht gespiegelt. Das Licht ist mit grauen Pfeilen gekennzeichnet. Aus Sicht des Betrachters, sieht es so aus, als wäre der Baum an der Stelle des grünen Punktes. In Wirklichkeit ist er deutlich weiter weg. Der Baum kann zwar bei einer einfachen Spiegelung auf dem Kopf stehen, doch ist das oft nicht so genau zu erkennen.

So kann es in der Wüste vorkommen, dass Nomaden Wasserstellen, Gebirgszüge oder sogar Städte an Stellen vermuten, an denen weit und breit nichts ist. Eine gespiegelte Stadt muss natürlich existieren, sie kann aber noch viel weiter weg sein als vermutet.

 

Quellen:

https://www.helles-koepfchen.de/lichterscheinungen/luftspiegelung-fata-morgana.html

https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Hitzeflimmern