Teetasseneffekt
Der Teetasseneffekt ist die Bewegung von Teilchen am Boden einer rotierenden Flüssigkeit zum Zentrum hin, gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft.
Beobachtung
Durch das Rühren sammeln sich Teilchen in der Mitte der Tasse, etwas schwerere Partikel schon während des Rührens. Teeblätter werden in der Mehrzahl aufgewirbelt und bleiben erst in der Schwebe, wobei sie mit der Tangentialströmung die Mitte umkreisen. Sie sinken nach Ende der Rührbewegung zu Boden und bewegen sich erst dann zum Zentrum.
Deutung
Dieser Effekt wird mit dem Begriff der Sekundärströmung in Verbindung gebracht. Diese dient auch zur Erklärung der Mäanderbildung an Flüssen (Thomson [1], Isaachsen [2][3]). Thomson weist auch darauf hin, dass der Wasserpegel in einer Flussbiegung von der Innen- zur Außenseite hin ansteigt. Einstein beschreibt den Teetasseneffekt als Modell für die Mäanderbildung und die Verlagerung von Geröll am Grund des Flussbetts [4].
Die Strömungsverhältnisse während und nach der Rührbewegung unterscheiden sich von einander. Während des Rührens bildet sich durch die zugeführte kinetische Energie ein parabelförmiges Oberflächenprofil aus. Die Rührbewegung erfasst zwar den größten Teil des Tees, die Rand- und Bodenschichten werden aber durch Reibung gebremst. Die Zentrifugalkraft transportiert nun laufend Tee an die Peripherie. Dort erhöht sich der hydrostatische Druck. Er pflanzt sich am Rand der Tasse bis zum Boden fort und findet in der Bodenschicht nur wenig Widerstand, da diese infolge Reibung die Rührbewegung nur sehr eingeschränkt mitmacht und eine deutlich schwächere Zentrifugalkraft entwickelt. So entsteht die sekundäre Zirkularströmung, an der Tassenwand nach unten, über den Boden zum Zentrum, dort gegen den verringerten Druck (Delle) nach oben und durch das Rühren wieder an den Rand. Partikel am Tassenboden bewegen sich mit der Strömung zur Mitte. Teeblätter, deren Dichte nur geringfügig über der der Flüssigkeit liegt, werden durch die Tangentialströmung vorerst in Schwebe gehalten und umkreisen die Mitte über dem Boden.
Nach Ende der Rührbewegung fehlt der Energieeintrag, der weiterhin Flüssigkeit an die Peripherie verlagern und die absinkende Teemenge ersetzen könnte. Die drei verbleibenden Strömungswege führen zu einem Niveauausgleich wie zwischen kommunizierenden Gefäßen: Außen sinkt weiterhin Tee nach untern, die Mitte wird damit aufgefüllt (Bild rechts). Durch die innere Reibung verringert sich auch die Geschwindigkeit der Tangentialströmung stetig. Schwebende Teeblätter nähern sich dem Boden und werden zur Mitte transportiert, sobald sie die Bodenströmung erreicht haben. Tauchen sie nur mit ihrem Rand ein, dann übt die Tangentialströmung ein Drehmoment aus und man beobachtet eine Pirouettenbewegung hin zum Zentrum.
Einzelnachweise
- ↑ Thomson, James (1876-1877). On the Origin of Windings of Rivers in Alluvial Plains, with Remarks on the Flow of Water round Bends in Pipes. Proceedings of the Royal Sociecty of London, Ser.B, 25, 5-8.
- ↑ Isaachsen, J. (1896). Über einige Wirkungen von Zentrifugalkräften in Flüssigkeiten und Gasen. Zivilingenieur, 42, 351.
- ↑ Isaachsen, J. (1911). Innere Vorgänge in strömenden Flüssigkeiten und Gasen. Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure, 55, pp. 215, 263, 428, 605, 946.
- ↑ Einstein, A (1926). Die Ursache der Mäanderbildung der Flußläufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. Die Naturwissenschaften, 14, 223-224.
Weblinks
- Teetasseneffekt Experimente
- Teeblättereffekte Ein Überblick