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Versuche mit LuftballonsVersuch 1: RückstoßprinzipEin Luftballon wird aufgeblasen und anschließend losgelassen (Bild 1). Man beobachtet eine regellose Bewegung des Luftballons, wobei am Ende der Flugphase eine deutliche Geschwindigkeitszunahme auftritt. Erklärung: Im Inneren eines aufgeblasenen Luftballons bewegen sich die Luftmoleküle regellos mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsbeträgen hin und her. Dabei prallen sie auch immer wieder gegen die Gummihaut und werden von dort reflektiert. Diese statistisch erfolgenden Stöße sind die Ursache für den Druck im Inneren des Luftballons, der dafür sorgt, dass der Luftballon seine Form behält. Oder noch etwas genauer ausgedrückt: Jedes Teilchen erfährt durch die Reflexion eine Impulsänderungd p = pnach - pvor = 2 * p
(völlig elastischer Stoß vorausgesetzt; p ist die Impulskomponente
senkrecht zur Aufprallfläche), die auf die Gummiwand übertragen
wird. Mit Hilfe der Definition der Kraft
F = d p / d t
und der Definition des Drucks
p = Kraft F / Fläche A
läßt sich das Zustandekommen des Drucks im Luftballon erklären.
Zu einer Bewegung des Luftballons kann der Aufprall der Luftmoleküle jedoch
nicht führen, da die vektorielle Addition aller Impulsänderungen null
ist. Gibt man jedoch die Öffnung des Luftballons frei, so schwirrt der
Luftballon unkontrolliert durch den Raum. Die Ursache ist darin zu sehen, dass
Luftmoleküle aus der Öffnung des Luftballons austreten und somit keine
Impulsänderung erfahren. Insgesamt resultiert daraus eine auf den
Luftballon übertragene Impulsänderung in entgegengesetzter Richtung.
Bild 1 |
Mario Brauer
