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 bildet die Oberfläche eine parabelförmige Delle aus. Dabei bewegen sich erst größere, zu Boden gesunkene Blätter zur Mitte der Tasse. Die kleineren Teilchen werden aufgewirbelt und bleiben vorerst in der Schwebe, wobei sie mit der Tangentialströmung die Mitte in unterschiedlicher und weitgehend konstanter Entfernung umkreisen. Nach Ende des Rührens lässt die Rotationsbewegung der Flüssigkeit langsam nach und die Delle wird flacher. Dennoch besteht am Tassenboden weiterhin eine Radialströmung, die die nun absinkenden kleineren Partikel ebenfalls zur Mitte bringt und dort noch ein Stück weit anhebt. Eine Besonderheit flacher größerer Blätter ist die Pirouettenbewegung. Sie stellt sich dann ein, wenn diese nur mit einer Spitze oder dem Rand in die Bodenschicht eintauchen. Auch eine rollende Bewegung geeignet geformter Partikel wird fallweise beobachtet.
Deutung
Dieser Effekt wird mit dem Begriff der Sekundärströmung in Verbindung gebracht. Sie 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 anhand des Teetasseneffekts 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 transportiert die Zentrifugalkraft laufend Tee an die Peripherie. Am Rand wird jedoch durch Reibung die Rotationsbewegung gebremst, so dass die Fliehkraft stark vermindert wird und der Tee – bildlich gesprochen – nach unten fällt. Er sinkt ab, übt einen Druck aus und schiebt die Flüssigkeit am Boden zur Mitte, da auch in Bodennähe durch Reibung die Winkelgeschwindigkeit und damit die Zentrifugalkraft herabgesetzt sind. So entwickelt sich eine sekundäre Zirkularströmung: An der Tassenwand nach unten, dort zum Zentrum, dann nach oben und durch das Rühren wieder an den Rand. Da diese Strömung in Bodennähe verläuft, werden vorerst nur die bereits abgesunkenen Blätter erfasst. Kleinere Partikel mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht (relativ zur Flüssigkeit) werden in der Schwebe gehalten.
Nach Ende der Rührbewegung fehlt der Energieeintrag, der weiterhin Flüssigkeit an die Peripherie verlagern und die ständig absinkende Teemenge ersetzen könnte. Unter dem Einfluss der inneren Reibung lässt die Drehbewegung langsam nach, die Parabelform der Oberfläche kann nicht mehr aufrechterhalten werden. Die am Rand nun überhöhte Flüssigkeit hat die Möglichkeit, entweder an der Oberfläche zur Mitte hin zu fließen oder, wie bisher, an der Wand und über den Boden in das Zentrum zu gelangen und so für einen Niveauausgleich zu sorgen. Da am Rand und am Boden die Bewegung am stärksten gebremst wird, gleicht sich der Flüssigkeitspegel nach wie vor über diesen Umweg aus und nicht an der Oberfläche, auf der noch immer eine, wenn auch abnehmende, Fliehkraft herrscht. Dieses Einebnen der Delle durch den Weg der Flüssigkeit über Wand und Boden zum Zentrum und dort nach oben kann als Niveauausgleich analog zu dem zwischen kommunizierenden Gefäßen gedeutet werden.
Geraten größere Partikel auf ihrem Weg mit der Tangentialströmung in Bodennähe und tauchen zum Teil in die Radialströmung ein, dann werden sie abgelenkt und es wird ein Drehmoment ausgeübt. Je nach Form des Partikels und Lage des Eintauchpunkts kommt es zu einer Pirouetten- oder auch Rollbewegung. Eine durch Berührung mit der Bodenhaftungsschicht rollende Kugel würde – im Idealfall – aufgrund eines Kreiseleffekts dann auch zur Mitte hin rollen.[5]
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 Society 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.
- ↑ Kreiner, WA (2016). Teeblättereffekte. Kap. 6. doi:10.18725/OPARU-3923
Weblinks
- Teetasseneffekt Experimente