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09 Ball in a Tube

Aufgabenstellung

A sealed transparent tube is filled with a liquid and contains a small ball. The tube is inclined and its lower end is attached to a motor such that the tube traces a conical surface. Investigate the motion of the ball as a function of relevant parameters.

Leitfragen

Experiment

  • Baue ein "rotierendes Rohr" gemäß der Aufgabenstellen. Dazu kannst du zum Beispiel ein zylinderförmiges Glasgefäß mit Knetmasse auf einem Drehteller befestigen.

  • Untersuche die Abhängigkeit der Ballbewegung von folgenden Parametern, indem du diese variierst:

    • Winkelgeschwindigkeit, Neigungswinkel und Durchmesser des Rohres
    • Dichte und Viskosität der Flüssigkeit
    • sowie Masse und Durchmesser des Balls
  • Wie kannst du die Bewegung des Balles (Translation und Rotation) aufnehmen und auswerten?

  • Wie kannst du feststellen, ob und wie sich die Flüssigkeit im Rohr bewegt?

  • Wie verändert sich die Bewegung der Flüssigkeit und des Balls während des Experiments?

Theorie

  • Welche Kräfte wirken auf den Ball?
  • Was erwartest du für ein Verhalten, wenn ein Parameter einen Grenzwert annimmt (z.B: vertikale Ausrichtung oder keine Rotation des Rohrs)?
  • Mit welchen Gleichungen kannst du die Bewegung des Balls und der Flüssigkeit beschreiben? Kannst du sie numerisch oder gar analytisch lösen?

Literatur

Das GYPT ist eine Initiative von

Deutsche Physikalische Gesellschaft e.V.

Universität Ulm

Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung

Empfohlen von der

Kultusministerkonferenz