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TURBULENTE STRÖMUNGEN
Laminare Strömungen gehen ab einer flüssigkeitsspezifischen kritischen Geschwindigkeit in turbulente Strömungen über.
In turbulenten Strömungen entstehen Wirbel, welche als Kräfte der Bewegungsrichtung entgegen wirken.
Die Kraft auf einen umströmten Körper ergibt sich aus der Differenz der Drücke vor und hinter dem Körper addiert mit der Reibungskraft an der Körperoberfläche.
Den Übergang einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung kann man gut an einem Wasserhahn beobachten. Dreht man den Wasserhahn so auf, dass die Flüssigkeit langsam fließt, kann man eine laminare Strömung beobachten. Dreht man den Wasserhahn stärker auf, so beginnt die anfangs vorhandene laminare Strömung beim Überschreiten einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit unruhig zu werden. Turbulenzen treten auf, die Flüssigkeit führt eine wirbelnde Bewegung aus.
Wirbelbewegungen entstehen auch, wenn eine Flüssigkeit mit großer Geschwindigkeit ein Hindernis umströmt. Die Stromlinien, welche bei einer laminaren Strömung das Hindernis glatt umgehen, lösen sich am Ende des Hindernisses von der Oberfläche ab. In den freiwerdenden Zwischenraum können von beiden Seiten abwechselnd kreisende Flüssigkeitsteilchen eindringen. Sie bilden eine sichtbare Wirbelstraße.
Der Strömungswiderstand einer turbulenten Strömung nimmt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu.
Die Strömungsleitung wächst mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit und gibt an, welche Leistung zur Bewegung eines Körpers gegen eine Strömung erforderlich ist.
Um den Strömungswiderstand oder die Strömungsleistung berechnen zu können, benötigt man sogenannten Widerstandsbeiwert.
Der Widerstandsbeiwert c ist eine Zahl und besitzt keine Einheit. Er ist geschwindigkeitsabhängig und wird experimentell bestimmt. Weiterhin ist seine Größe von der Form des umströmten Körpers und von der Art der Flüssigkeit abhängig.
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LAMINARE STRÖMUNGEN
In der Realität gibt es keine Flüssigkeit, in der keine Reibung auftritt. Alle Folgerungen aus dem Gesetz von Bernoulli stellen daher nur Annäherungen dar. Je größer die innere Reibung ist, desto mehr weichen die nach Bernoulli berechneten Werte von der Wirklichkeit ab.
Strömungen, die eine innere Reibung besitzen, aber keine Wirbelbildung ermöglichen, bezeichnet man als laminar.
Die innere Reibung ist eine Folge der Kraftwirkung zwischen den Molekülen. Man spürt sie als Widerstand, wenn man einen Gegenstand durch eine Flüssigkeit bewegt.
Die innere Reibung nimmt mit der Größe der reibenden Flächen und mit der Geschwindigkeit der Bewegung zu. Sie ist von der Beschaffenheit der Flüssigkeit, das heißt von ihrer Zähigkeit oder Viskosität abhängig.
Beim Erwärmen einer Flüssigkeit nimmt die innere Reibung stark ab.
Strömt eine Flüssigkeit in einer Röhre, so bleibt bei kleineren Geschwindigkeiten eine dünne Flüssigkeitsschicht an der Röhreninnenfläche haften. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nimmt mit zunehmendem Abstand von der Wandung zu, bis sie in der Mitte der Röhre am größten ist. Ähnlich verhält es sich, wenn ein Gegenstand mit einer Oberfläche langsam durch eine Flüssigkeit bewegt wird. Je weiter die Flüssigkeitsschichten von der bewegten Platte entfernt liegen, desto geringer wird die Mitbewegungsgeschwindigkeit. Die einzelnen Schichten gleiten lamellenartig aneinander vorbei, ohne sich zu vermengen.
Dies funktioniert nur dann, wenn die Platte sehr langsam in der Flüssigkeit bewegt wird. Die Strömungsart, die entstanden ist, bezeichnet man als laminare Strömung.
Laminare Strömungen sind nur bei kleinen Geschwindigkeiten möglich. Die Grenzgeschwindigkeit, bei welcher die Wirbelbildung einsetzt, ist von der Größe des Hindernisses bzw. vom Durchmesser der durchströmten Röhre, von der Dichte der Flüssigkeit und ihrer Viskosität abhängig.
Für die dynamische Viskosität gilt: Bei Flüssigkeiten nimmt die dynamische Viskosität mit steigender Temperatur ab. Bei Gasen hingegen nimmt die dynamische Viskosität mit steigender Temperatur zu.
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TEMPERATURMESSUNG
Zur Temperaturmessung kann man jede Körpereigenschaft nützen, die sich mit der Temperatur gesetzmäßig ändert.
Am häufigsten verwendet man die thermische Ausdehnung. Aber auch andere Eigenschaften, wie zum Beispiel elektrische, werden in Physik und Technik zur Temperaturmessung benützt.
Die Einheit der Temperatur ist im Internationalen Einheitensystem eine Basiseinheit.
SI - Einheit der Temperatur = Kelvin (1K)
Neben der Einheit Kelvin gilt auch Grad Celsius (°C) als gesetzliche Einheit. In England und Nordamerika ist auch noch Grad Fahrenheit (°F) in Gebrauch.
Zur Eichung von Thermometern dienen für alle Temperaturskalen vereinbarte feste Punkte.
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WÄRMELEHRE (THERMODYNAMIK)
Die Wärmelehre, auch Thermodynamik genannt, fundiert auf den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik.
Möchte man einen Körper erwärmen, so benötigt man dazu eine Wärmequelle. Die wichtigste Wärnequelle für unsere Erde ist die Sonne. Die Wärme, welche die Erde im Laufe eines Jahres von der Sonne empfängt, würde ausreichen, um eine 44 Meter dicke Eisschicht, welche die gesamte Erdoberfläche bedeckt, schmelzen zu können.
Weitere Wärmequellen erhält man durch Verbrennung von sogenannten Heizstoffen wie Kohle, Holz, Gas, Öl usw. Moderne Wärmequellen sind oft elektrisch.
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POLARISATION DES LICHTS
Licht gehört zu den elektromagnetischen Transversalwellen.
Werden bei einer Welle bestimmte Schwingungsrichtungen bevorzugt, so nennt man sie polarisiert.
Man unterscheidet folgende Polarisationsmöglichkeiten:
linear polarisiert, zirkular polarisiert, elliptisch polarisiert.
Eine Welle ist linear polarisiert, wenn sie nur in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung schwingt.
Zirkular oder elliptisch polarisierte Wellen können in je zwei linear polarisierte Wellen zerlegt werden.
Zum Nachweis der Polarisation verwendet man Analysatoren.
Anordnungen, mit denen man aus natürlichem Licht polarisiertes Licht erzeugen kann, nennt man Polarisatoren.
Ein Polarisator filtert aus natürlichem Licht eine Komponente mit bestimmter Schwingungsrichtung heraus.
Polarisation kann auch durch Reflexion erfolgen.
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BEUGUNG DES LICHTS
Auch bei Lichtwellen kann wie bei mechanischen Wellen an scharfen Kanten die Erscheinung der Beugung auftreten.
An den Kanten eines engen Spaltes bilden sich nach dem Huygens'schen Prinzip Elementarwellen, zwischen denen es bei Überlagerung Verstärkung aber auch Auslöschung geben kann.
Ähnliches geschieht an einem Doppelspalt. Jeweils entsprechende Wellen beider Spalte kommen zur Interferenz und es entstehen je nach Gangunterschied Maxima oder Minima.
Verwendet man eine größere Zahl parallel nebeneinander liegender Spalte, werden ebenfalls Beugungserscheinungen sichtbar. Man spricht von einem Beugungsgitter.
Den Abstand zweier Spaltmitten bezeichnet man als Gitterkonstante g. Bei guten Gittern sind auf einen Millimeter bis zu 1700 Spalte verteilt.
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Warum haben Insekten kein rotes Blut?
Insekten brauchen weder Lunge noch Blut, um sich mit Sauerstoff zu versorgen. Ihre Körperoberfläche ist mit zahlreichen winzigen Öffnungen versehen, die in ein fein verästeltes Röhrensystem münden. Über diese Luftröhrchen, die Tracheen, werden die Organe und Zellen direkt mit Sauerstoff versorgt.
Zwar zirkuliert auch bei Insekten eine Körperflüssigkeit, die meist farblose Hämolymphe, um die Organe mit Nährstoffen zu versorgen, doch sie enthält kein eisenhaltiges Hämoglobin, das bei den Säugetieren Sauerstoff transportiert und das Blut rot macht.
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Warum sind Reifen schwarz?
Die ersten Gummireifen waren von weißgrauer Färbung - wie der Kautschuk, ausdem sie gefertigt wurden. Schwarz wurden sie erst durch die Zugabe von Ruß - er macht das verwendete Gummi belastbarer, abriebfester und langlebiger. Seit den 1990er-Jahren verwenden viele Hersteller Siliziumdioxid statt Ruß. Dessen Herstellung ist umweltfreundlicher und verbessert die Fahreigenschaften der Reifen weiter.
Da Siliziumdioxid aber farblos ist, enthalten auch diese Reifen noch einige Prozent Ruß, um für die schwarze Farbe zu sorgen. Theoretisch ist es leicht möglich, farbige Reifen zu produzieren, doch die Nachfrage ist gering, auch weil an ihnen der Straßenschmutz schneller sichtbar wird.
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Warum werden reanimierte Patienten gekühlt?
Das Herz steht still, der Blutkreislauf kollabiert, kein Sauerstoff erreicht mehr das Gehirn - binnen Minuten drohen Schäden. Doch selbst nach der Wiederbelebung ist die Gefahr für den Patienten nicht gebannt. Denn in den unterversorgten Regionen haben sich gefährliche Abbauprodukte angesammelt. Dringt nun Sauerstoff neu ein, bilden sich toxische Sauerstoffradikale: Es sterben noch mehr Zellen ab. Der Körper heizt die Situation unfreiwillig an, indem er Immunzellen zur Bekämpfung losschickt, durch die sich weitere Radikale bilden.
Um die schädlichen Stoffwechselprozesse zu verlangsamen, kühlen Intensivmediziner die Körper der Patienten für 24 Stunden auf 33 Grad Celsius herunter. Hierzu wird in einer Vene des narkotisierten Patienten ein Schlauch platziert, durch ihn strömt kalte Flüssigkeit. Die Notkühlung, künstliche Hypothermie genannt, senkt das Sterberisiko um 17 Prozent, auch Hirnschäden kommen deutlich seltener vor.
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Warum fließen Flüsse in Schleifen?
Kleinste Einflüsse wie Steine im Flussbett reichen aus, um einen Fluss aus seiner geraden Bahn zu bringen. Denn sie führen zu Unterschieden in der Strömungsgeschwindigkeit - dort, wo der Fluss schneller fließt, erodiert das Flussbett stärker. Schon eine leichte Biegung wirkt dann selbstverstärkend. Allerdings wird das Sediment nicht mitgerissen, sondern über einen komplexen Mechanismus quer zur Fließrichtung transportiert: Außen in der Kurve steht das Wasser aufgrund der Zentrifugalkraft minimal höher, da es gleichsam aus der Kurve fliegt. Diese Kraft ist allerdings auf dem Flussgrund etwas geringer, da hier das Wasser durch Reibung abgebremst wird. Das aufgestaute Wasser drückt sich deshalb entlang des Bodens zurück Richtung Mitte des Flusses. Eine Querzirkulation entsteht, die entlang des Flussbodens von der kurvenäußeren Seite nach innen führt und an der Wasseroberfläche zurück zur Außenseite. Diese Zirkulation trägt Material im Flussbett von außen nach innen. Je mehr Material von außen fortgespült wird, umso mehr weitet sich die Kurve.
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ENTLADUNGSARTEN
Unselbstständige Entladung: Durch äußere Einflüsse, wie Röntgenstrahlung oder die Strahlung radioaktiver Nuklide, werden Ionen im Gas erzeugt. Diese wandern unter dem Einfluss einer angelegten Spannung und rufen einen Stromfluss hervor. Bis zum Erreichen eines gleichbleibenden Wertes (Sättigungsstrom) wächst dieser Stromfluss proportional zur angelegten Spannung.
Anwendungsbeispiel: Ionisationskammern zur Strahlungsmessung
Selbstständige Entladung: Wird nach Eintritt des Sättigungsstromes die Spannung noch weiter erhöht, so beginnt ab einem bestimmten Zeitpunkt auch die Stromstärke wieder mitzusteigen.
Infolge der hohen Ionenenergie kommt es beim Zusammenstoß zur Ionisation anderer Moleküle. Man spricht von Stoßionisation. Die Zahl der Ladungsträger steigt dadurch an. Diese Entladungsart nennt man selbstständig, weil sie keiner Ionisierung aufgrund äußerer Einflüsse bedarf. Mit dem Anwachsen des Stromes und der Zahl der Ladungsträger nimmt der Widerstand ab.
Gasentladungen müssen stets so ablaufen, dass ein Vorwiderstand den Strom begrenzt. Man verwendet dazu häufig eine sogenannte Drossel, einen induktiven Wechselstromwiderstand.
Glimmentladung: Erfolgt eine selbstständige Entladung bei stark verringertem Gasdruck, so ist sie mit einer Leuchterscheinung verbunden. An der Kathode werden durch auftreffende positive Ionen Elektronen herausgeschlagen. In der Nähe der Kathode erzeugen rekombinierende Ionen ein negatives Glimmlicht.
Beispiele für Glimmentladungen:
Leuchtröhren: Die Leuchtfarbe wird von der Art des Füllgases bestimmt.
Leuchtstofflampen: Mit Quecksilberdampf gefüllte Leuchtröhren, die zudem Fluoreszenz ausnutzen. Mit der auf der Röhreninnenseite aufgetragenen Leuchtstoffschicht werden unsichtbare ultraviolette Strahlungsanteile in sichtbares Licht umgewandelt.
Quecksilberdampflampen: Hier wird dem Füllgas Quecksilberdampf zugesetzt. Mit der Höhe des Dampfdruckes steigt die Lichtausbeute.Bei Höhensonnen ist der Quecksilberdampf in Quarzglasröhren eingeschlossen, die für ultraviolette Strahlen durchlässig sind.
Glimmlampen: Die Löschspannung ist niedriger als die Zündspannung. Sie werden meist für den Spannungsnachweis verwendet.
Elektronenblitzröhren: Hartglasröhren, die mit Edelgasen, wie zum Beispiel Xenon gefüllt sind.
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Kathodenstrahlen
Kathodenstrahlen sind schnell bewegte Elektronen, die senkrecht aus der Oberfläche der Kathode austreten und sich geradlinig ausbreiten. Durch elektrische oder magnetische Felder können sie in ihrer Ausbreitungsrichtung gesteuert werden.
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Stromdurchgang durch Gase
In Gasen erfolgt eine unselbstständige elektrische Leitung, wenn die Gase im elektrischen Feld durch bestimmte Vorgänge ionisiert werden.Jede Stromleitung in Gasen wird als Entladung bezeichnet. Ihre Ladungsträger können Ionen und Elektronen sein.Bei niedrigem Druck erfolgt eine Glimmentladung, die durch Stoßionisation hervorgerufen wird. Sie ist mit besonderen Leuchterscheinungen, wie zum Beispiel das Polarlicht, verbunden und wird durch die Ionen- und Elektronenbewegung aufrechterhalten.Im Hochvakuum treten bei hoher Spannung Kathodenstrahlen auf.
Kathodenstrahlen sind schnell bewegte Elektronen, die senkrecht aus der Oberfläche der Kathode austreten und sich geradlinig ausbreiten. Durch elektrische oder magnetische Felder können sie in ihrer Ausbreitungsrichtung gesteuert werden.
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Ebene Spiegel Bei einem ebenen Spiegel sind Gegenstand und Bild in Bezug auf die Spiegelebene symmetrisch. Das Spiegelbild ist virtuell (scheinbar) und liegt genauso weit hinter dem Spiegel wie der Gegenstand davor. Erklärung: Alle Strahlen, die von einem leuchtenden Punkt ausgehen, werden von einem ebenen Spiegel so reflektiert, als gingen sie von einem Bildpunkt aus, der ebenso weit hinter dem Spiegel liegt, wie der leuchtende Punkt davor, und zwar auf dem gleichen Lot zur Spiegelebene.
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