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05 Leidenfrost Stars

Aufgabenstellung

In the Leidenfrost effect, a water drop placed on a hot surface can survive for minutes. Under certain circumstances, such a drop develops oscillating star shapes. Induce different oscillatory modes and investigate them.

Video

Leitfragen

Experimentelles

  • Versuche zuerst den Leidenfrost Effekt auszuprobieren.
  • Um zu sehen, wie die Tropfen oszillieren und die Form eines Sterns annehmen, solltest du möglichst große Tropfen nehmen, die nicht mehr kugelförmig sind, sondern sehr flach sind. (Bond number >> 1)
  • Versuche die Tropfen an einem Punkt festzuhalten.
  • Ein großes Problem wird es sein die Temperatur der Herdplatte an dem Punkt, an dem der Tropfen aufliegt, konstant zu halten. Überlege dir Methoden, dies zu verbessern.
  • Beobachte die Verformung des Tropfens: Mit welchen Frequenzen schwingt er? Welche Schwingungsmoden tretten wann auf? Schwingt der Tropfen immer mit derselben Schwingungsmode?
  • Die Tropfen schwingen relativ schnell (~10Hz). Du solltest eine Highspeedkamera mit mehr als 100 Bildern pro Sekunde verwenden, um die Bewegung gut auflösen zu können.
  • Überlege dir Methoden deine Messungen reproduzierbar und kontrollierbar durchzuführen. Für die Produktion der Tropfen empfehle ich eine Spritzenpumpe.

Für Profis

  • Verwende Flüssiggase anstatt von Wasser und lasse sie auf eine Flüssigkeitsoberfläche mit sehr hoher Viskosität fallen (z.B. Glycerin), welche gut wärmeleitend ist. Genaueres findest du hier: [1] Beachte hierbei die nötigen Sicherheitsvorschriften!

Theorie

  • Verstehe warum der Leidenfrost Effekt auftritt und wie sich der Luftfilm zwischen Tropfen und Oberfläche verhält.
  • Vergleiche die Leidenfrost Stars mit anderen ähnlichen Phänomenen, wo ebenfalls "Sterne" sichtbar sind. Viele Beispiele findest du in [1]
  • Welche Unterschiede und Gemeinsamkeiten findest du hierbei?
  • Laut Literatur findet das Phänomen dank einer parametrischen Schwingung statt. Mache dir klar was ein parametrischer Oszillator ist und was ihn von einer erzwungenen Schwingung unterscheidet.
  • Es werden in der Literatur mehrere Ursachen für die parametrische Oszillation genannt. Welche Theorien gibt es?
  • Versuche durch geschickt gewählte Experimente zu zeigen, welches Modell das Richtige ist. Versuche ebenfalls zu verstehen, warum die anderen nicht zutreffend sind.
  • Es gibt sehr viele auch teilweise widersprüchliche Erklärungen des Phänomens. Eine ausgiebige Literaturrecherche ist unerlässlich!

[1]: Brunet P. and Snoeijer J.H.: Star-drops formed by periodic excitation and on an air cushion - A short review, European Physical Journal http://stilton.tnw.utwente.nl/people/snoeijer/Papers/2011/BrunetEPJST11.pdf

Weite hilfreiche Quellen für den Einstieg folgen noch. Wenn du Zugang zu spezieller Literatur brauchst oder Fragen zu den mathematischen Hintergründen hast, kann ich dir auch gerne weiterhelfen!

Das GYPT ist eine Initiative von

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Universität Ulm

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