HWCV TECHNOLOGIE TRANSFER
HWCV TECHNOLOGIE TRANSFER

Auftrieb in Abhängigkeit von Oberflächenspannung und Unterdruck 

 

Die entscheidende Frage hinsichtlich der Kapillar Technologie ist, warum steigt ein Schwimmer in einem Kapillar auf, und wie weit steigt er auf ?

 

In diesem Zusammenhang ist es der HWCV weltweit erstmalig gelungen, den Nachweis zwischen dem Auftrieb, der auf einen Schwimmkörper wirkt, und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit ( in der sich der Schwimmkörper befindet ) zu belegen. Wie aus dem Folgenden ersichtlich, steigt ein Schwimmer weiter auf, wenn die Oberflächenspannung in der Flüssigkeit reduziert

wird ( hier mittels Spülmittel ).

 

Bei den als "Schwimmer" bezeichneten Körpern handelt es sich um senkrecht stehende zylindrische Körper deren Dichte die Hälfte der Dichte der Flüssigkeit beträgt, wenn dies nicht ausdrücklich anders dargestellt ist ( bzw. ist die Dichte der Schwimmer dergestalt, dass die Schwimmer aus der Flüssigkeit ragen ).

 

Indem in Kapillaren konkave Oberflächen der Flüssigkeiten entstehen - da in dem Kapillar Unterdruck herrscht -, wirken die Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und einem sich darin befindlichen Schwimmer im Kapillar anders, als bei einem analogen Schwimmer im freien Wasser ->.

 

Das bedeutet, dass die Flüssigkeit an dem sich im freien Wasser befindlichen Schwimmer höher an diesem Schwimmer aufsteigt, als das Wasser in dem Schwimmer im Kapillar aufsteigt ( siehe folgende Grafik ), da das den Schwimmer im Kapillar umgebende Wasser ( = der Hof )  durch den im Kapillar herrschenden Unterdruck signifikant verkleinert wird.  

 

Nachdem aber das an den Schwimmern ( adhäsionsbedingte ) aufsteigende Wasser " das Gewicht " der Schwimmer erhöht, da sich das Wasser sozusagen an dem Schwimmern "nach oben zieht", wirkt auf den Schwimmer im freien Wasser eine größere ( ...nach unten wirkende... ) Kraft als auf den Schwimmer im Kapillar und  der Schwimmer im Kapillar steigt folglich, wie zu erwarten, weiter nach oben als der Schwimmer im freien Wasser.

 

 

 

Wie dem entsprechend im folgenden Video zu sehen, steigt der Schwimmer im Wasser nach Zugabe von Tensiden

( Spülmittel ) also desto weiter auf, je kleiner der ihn umgebende Hof ( bzw. Wasserglocke ) dabei wird:

 

 

 

 

 

Sehen Sie nun die Änderung des Auftriebes eines Schwimmers bei einer Reduzierung der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

 

 

 Es lässt sich folgern, dass ein Schwimmer in einem Kapillar desto weiter aufsteigt, je konkaver die Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Kapillar ist. Es bedeutet, dass der zusätzliche Auftrieb ( entgegen einem sich frei in der Flüssigkeit befindlichen Schwimmer ) eines Schwimmers im Kapillar dann am größten ist, wenn die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Kapillar gegen Null geht. Dies ist sowohl theoretisch -wie auch praktisch ersichtlich-, dann gegeben, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit im Kapillar eine möglichst konkave Krümmung aufweist.  Der maximale Aufstieg eines Schwimmers in einem Kapillar ist somit durch den Aufstieg eines freischwimmenden Schwimmers bei aufgehobener Oberflächenspannung festgelegt.

 

Befindet sich folglich ein Kapillar so in einer Flüssigkeit positioniert, dass die Kapillardurchmesser bedingte Wassersäule im Kapillar höher wäre, als das Kapillar aus der Flüssigkeit ragt, dann nimmt die Oberfläche der Flüssigkeit im Kapillar nicht ihre maximale konkave Krümmung ein und der sich im Kapillar befindliche erfährt nicht den maximalen Aufrieb, da die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Kapillar nicht maximal verringert ist. 

 

Dies gilt ebenso, bei Kapillaren mit entsprechend großen Durchmessern, da die Oberflächenspannung der Flüssigkeit im Kapillar entsprechend wenig herabgesetzt wird.

 

Der folgende Versuch belegt dies sehr gut, denn wie ersichtlich steigt der Schwimmer im Kapillar nicht in Abhängigkeit der Höhe des Kapillares auf, sondern unabhängig von der Höhe des Kapillares.

 

 

 

 

Wie bereits mittels der "besonderen Effekte" erklärt, bleibt der zusätzliche Auftrieb eines Schwimmers im Kapillar zeitweise aus, wenn man die Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Kapillar dahingehend manipuliert, dass die konkave Krümmung zeitweise weniger konkav ist. Wie im folgenden Versuch sehr gut ersichtlich, steigt der Schwimmer dann in der ersten Phase der Rückverwandlung in die maximale konkave Krümmung relativ schnell auf und der Aufstieg des Schwimmers verliert dann mit der Annäherung an die maximal konkave Krümmung diametral an Geschwindigkeit.

 

Die Manipulation der Oberfläche einer Flüssigkeit erfolgt mittels der Bügelmethode (auch als Abreißmethode bekannt). Dabei wird ein spitzer Gegenstand in die Flüssigkeit gehängt, sodass die Spitze gerade in die Flüssigkeit eintaucht und von dieser benetzt wird. Die Spitze wird dann aus der Flüssigkeit gezogen und zieht einen Flüssigkeitsfilm mit, und verändert dadurch zeitweise die Krümmung der Oberfläche der Flüssigkeit im Kapillar.

 

 

Es ergibt sich, dass bereits an dieser Stelle der Satz des Archimedes eine Erweiterung erfährt und gleichzeitig der physikalische Leitsatz -den Auftrieb in Flüssigkeiten betreffend- dahingehend korrigiert wird, dass nicht alleine die in der Flüssigkeit herrschenden Druckverhältnisse am unteren Ende eines ( zylindrisch senkrecht im der Flüssigkeit stehenden ) Schwimmers für dessen Aufrieb ausschlaggebend sind.

 

Gesetz des Archimedes (sprachlich)

Die Auftriebskraft ist gleich der Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit bzw. der Gewichtskraft des verdrängten Gases.

 

Besonders eindrucksvoll zeigt sich dieser Sachverhalt durch die Tatsache, dass ein Schwimmer sogar weiter in eine Flüssigkeit eintaucht, wenn sich das Kapillar annähernd an der Oberfläche der Flüssigkeit befindet, und die Oberfläche der Flüssigkeit im Kapillar wie beschrieben manipuliert wird, wie im Folgenden zu sehen.

 

 

Wie belegt erfährt also ein Schwimmer in einem Kapillar einen  Auftrieb, der sich in Abhängigkeit von der Krümmung der Oberfläche der Flüssigkeit im Kapillar befindet. Draus ergibt sich die Frage, ob dies nur für Schwimmer gilt, die die Wasseroberfläche der Flüssigkeit im Kapillar durchstößt, oder ob sich dieser Einfluss auch unter dem Kapillar bemerkbar macht. Wie im folgenden Versuch nun ersichtlich, spielt der beschriebene Mechanismus für den Auftrieb unter einem Kapillar keine Rolle.

 

 

Ebenso verhält es sich den Auftrieb von Schwimmern in Flüssigkeiten betreffend, wenn man ein Kapillar neben einem Schwimmer platziert, indem der Schwimmer  keine Reaktion zeigt, wie im Folgenden zu sehen, wenngleich zu diesem Aspekt weitere Verifizierungen geboten scheinen.

 

 

 

Es bleibt noch die Betrachtung des Einflusses der Oberflächenspannung auf in der Flüssigkeit schwebende Schwimmer. Wie im Folgenden ersichtlich bleibt ein in der Flüssigkeit schwebende Schwimmkörper von der Aufhebung der Oberflächenspannung unbeeinflusst, während der aus dem Wasser ragende Schwimmkörper im Hintergrund einen zusätzlichen Aufrieb erfährt.

 

 

 

Es bleibt abschließend die Betrachtung des Auftriebes in Abhängigkeit der Volumen der Schwimmer. Dabei zeigt sich, wie im Folgenden zu sehen, dass der durch die Herabsetzung der Oberflächenspannung entstehende  Auftrieb auf Schwimmer diametral zum Volumen der Schwimmer ist. Das heißt, je größer der Durchmesser der Schwimmer, desto weniger zusätzlich Auftrieb setzt bei der Herabsetzung der Oberflächenspannung ein. 

 

Die HWCV unterliegt gemäß § 2 Abs. 3 VermAnlG nicht der Prospektpflicht.