Warum fliegt ein angeschnittener Ball eine Kurve? (Magnus-Effekt)

Jeder, der eine Ballsportart selber betreibt oder sportbegeisterter Zuschauer ist hat folgendes schon einmal gesehen: Ein rotierender Ball fliegt in der Luft eine Kurve. Für viele aktive Sportler ist das selbstverständlich aber warum fliegt der Ball eigentlich eine Kurve?

Grund hierfür ist der sogenannte Magnus Effekt, benannt nach dem Wissenschaftler, der den Effekt als Erster physikalisch beschrieben hat. Zunächst betrachten wir mal die Luft direkt an der Oberfläche eines rotierenden Balls. Diese Luft wird durch die Rotation und die dadurch entstehende Reibung in Bewegung versetzt. Der Ball reißt quasi eine kleine Luftschicht mit seiner Kreisbewegung mit. Wenn sich der Ball nun durch die Luft bewegt, wie er das zum Beispiel bei einem Freistoß beim Fußball tut, dann wird er zusätzlich gegen seine Flugrichtung mit Luft umströmt. Diese Luft tritt wiederum in Interaktion mit der dünnen Luftschicht, die von der Rotation des Balls mitgerissen wird. Auf der einen Seite strömt die Umgebungsluft und die dünne Luftschicht in die gleiche Richtung. Auf der anderen Seite allerdings genau entgegengesetzt. Die Folge ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit auf der einen Seite erhöht, auf der Anderen aber reduziert wird. Bei strömenden Gasen (und Flüssigkeiten) gilt jetzt folgendes: Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto geringer der Druck an dieser Stelle. Das hat irgendwann ein gewisser Daniel Bernoulli festgestellt und in der sehr bekannten und allgemein gültigen Bernoulli-Gleichung festgehalten. Für den rotierenden Ball bedeutet das, dass auf der einen Seite eine höherer Druck herrscht als auf der Anderen. Die Folge ist, dass der Ball eine Kraft in Richtung des geringeren Drucks erfährt und zur Seite gedrückt wird. Da dies während der ganzen Flugphase des Balls der Fall ist, fliegt dieser eine Kurve. Wie stark der Ball abgelenkt wird hängt vor allem von der Rotationsgeschwindigkeit ab.

In vielen Ballsportarten wird dieser Effekt oft ausgenutzt und jetzt weißt du auch warum er auftritt und sogar wie er heißt.

Ein sehr cooles Video demonstriert diesen Effekt mit einem Basketball, der mit und ohne Spin von einem Staudamm geworfen wird. Schaut´s euch mal an:

 

Quellen:

http://www.wissen.de/raetsel/warum-fliegt-der-eckball-eine-kurve

https://lp.uni-goettingen.de/get/text/3773

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Wie entsteht der Föhn (Wind)?

An außergewöhnlich warmen Tagen hört man oft im Wetterbericht, dass der Föhn dieses warme Wetter beschert. Aber was ist Föhn eigentlich und wie entsteht er?

Der im Sprachgebrauch als Föhn bezeichnete Wind ist grundsätzlich erst einmal ein warmer Fallwind, der bei uns in Deutschland von den Alpen her über Bayern und Baden- Württemberg nach Norden weht. Aber wie entsteht dieser Wind und warum ist er so warm?

Voraussetzung, dass überhaupt ein Wind von Süden her über die Alpen zu uns weht ist, dass auf unserer Seite der Alpen, also über Deutschland, ein Tiefdruckgebiet liegt. Auf der Südseite der Berge in Italien muss hingegen ein Hochdruckgebiet liegen. Durch den höheren Druck auf der einen und den niedrigen Druck auf der anderen Seite der Berge entsteht eine Sogwirkung, die die Luft von Süden her über die Alpen drückt. Auf der Luvseite der Berge, also die dem Wind zugewandte Seite, steigt die Luft nach oben und kühlt sich dabei ab. Im Normalfall erst einmal mit ca. 1°C pro 100 Meter Höhenunterschied. Ab einer gewissen Höhe und Temperatur fängt allerdings die Luftfeuchtigkeit an zu kondensieren und es bilden sich Wolken. Bei dieser Kondensation wird Wärme frei, wodurch die weiterhin aufsteigende Luft sich nun nicht mehr ganz so stark abkühlt (ca. 0,5°C pro 100 Meter). Mit zunehmender Wolkenbildung fängt es auf der Luvseite irgendwann an zu regnen. Das ist dann der sogenannte Steigungsregen, den man oft in den Bergen beobachten kann. Irgendwann hat die Luftmasse den Kamm des Berges erreicht und wird ab dort dann von dem Tiefdruckgebiet Richtung Tal „gezogen“. Da sich bei dieser Abwärtsbewegung der Luftmasse die absolute Luftfeuchtigkeit, also der tatsächliche Anteil an Wasserdampf in der Luft nicht oder nur geringfügig ändert, kann sich die Luft auf dem Weg nach unten wieder mit 1°C pro 100 Meter erwärmen. Die Folge daraus ist, dass die Erwärmung durch das hinab fallen auf der Leeseite (windabgewandt) stärker ist als die Abkühlung auf der Luvseite. Die Luft kommt bei uns in Deutschland somit wärmer an als sie in Norditalien auf die Alpen trifft. Folglich beschert uns ein Föhn immer eine warme Wetterlage, die gerade im Süden Deutschlands zusätzlich noch von Norden her anrückende Wolken vertreibt.

Das ist nicht die einzige Erklärung, wie ein Föhn entstehen kann aber eine, die zumindest das Grundprinzip erklärt, warum dieser Wind so warm ist und gutes Wetter bringt. Hoffen wir also auf viel Föhn in diesem Frühling.

 

Quellen:

http://www.br.de/themen/wissen/meteorologie-wetter-foehn-106.html

http://www.wetter.de/cms/was-ist-foehn-und-wie-entsteht-er-1752881.html

Wie entsteht ein Gewitter?

Im letzten Beitrag ging es um die Entstehung eines Tornados in einer Gewitterwolke. Diese Woche geht es darum, wie denn eine solche Gewitterwolke und die zu einem Gewitter gehörigen Phänomene wie Blitz und Donner entstehen.

Als Grundvoraussetzung wird warme, feuchte Luft in Bodennähe benötigt. Das ist der Hauptgrund, warum Gewitter meist im Sommer stattfinden. Diese warme Luft steigt auf Grund geringerer Dichte nach oben. Auf dem Weg nach oben kühlt sie sich ab. Ab einem gewissen Punkt fängt die Feuchtigkeit in der Luft an zu kondensieren und es bildet sich eine Wolke. Bei der Kondensation des Wassers wird allerdings weitere Wärme frei, die die Luftmasse weiter nach oben steigen lässt. Das Ganze passiert bis zu einem Höhenbereich in dem es so kalt ist, dass die Wassertropfen anfangen zu gefrieren. Die Eiskristalle fallen dann in der Wolke nach unten, können aber durch den in der Wolke herrschenden Aufwind wieder nach oben transportiert werden. Dabei wachsen sie immer weiter an bis sie letztendlich so groß sind, dass der Aufwind sie nicht mehr mitreißen kann und sie als Hagel, Graupel oder große Regentropfen auf die Erde fallen. Durch das ständige Hoch und Runter der Eiskristalle und Wassertropfen in der Wolke lässt sich nicht verhindern, dass diese auch aneinander stoßen und reiben. Dabei können von den aufsteigenden Tropfen Elektronen an die herabfallenden Eiskristalle abgegeben werden. Durch eine hohe Häufigkeit dieses Prozesses in der Wolke entsteht ein Ladungsfeld mit einem Elektronenüberschuss am unteren Ende (Minuspol) und einer Elektronenarmut am Kopf der Wolke (Pluspol). Diese Ladungen in der Wolke interagieren nun auch mit der Erdoberfläche. Hier gilt das allgemeine physikalische Gesetz: „Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt sich ab“. Die negativ geladene Unterseite der Wolke erzeugt dadurch eine positive Ladung auf der darunter liegenden Erdoberfläche. Die Elektronen werden dort von den Elektronen der Wolke abgestoßen und es entsteht auch hier eine Elektronenarmut (Pluspol). Zwischen dem Minuspol der Wolke, der durch weitere Ladungstrennung in der Wolke immer stärker wird, und dem Pluspol auf der Erdoberfläche herrscht nun eine Spannung. Diese Spannung kann übrigens mehrere hundert Millionen Volt betragen. Wenn die Spannung groß genug ist kann sie sich in Form eines Blitzes entladen. Die kritische Spannung die überwunden werden muss liegt bei etwa 170.000 Volt pro Meter Abstand zwischen Wolke und Erdoberfläche. Blitze können allerdings auch zwischen Wolken oder innerhalb einer Wolke entladen werden. Hierfür sind etwas geringere Spannungen nötig. Deshalb ereignet sich ein Großteil der Blitze in den Wolken und nur ein geringer Teil geht bis auf die Erde.

Ein Blitz ist in der Lage die Luft auf extrem hohe Temperaturen zu erwärmen. Die Luft unmittelbar um den Blitzkanal wird schlagartig auf bis zu 30.000°C erhitzt. Die erhitzte Luft breitet sich dabei explosionsartig aus und bildet eine Druckwelle. Diese Druckwelle vernehmen wir als Donner wenn sie unser Ohr erreicht. Durch verschieden Einflüsse auf dem Weg zu uns kann der Donnerton in eine längeres „Grollen“ verzerrt werden.

Das faszinierende Phänomen Gewitter beinhaltet natürlich noch viel mehr Details aber ich denke mit dem oben Beschriebenen kann man sich ungefähr ein Bild davon machen was sich in und um einer Gewitterwolke herum abspielt.

 

Quellen:

http://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/klima-und-wetter/gewitterblitze/

https://www.nela-forscht.de/2011/06/08/wie-entsteht-ein-gewitter/

Wie entsteht ein Tornado?

Viele von euch haben es wahrscheinlich mitbekommen: Am Donnerstagnachmittag gab es in der Nähe von Würzburg einen  Tornado, der erhebliche Sachschäden anrichtete. Normalerweise kennt man Tornados nur aus Filmen oder Dokumentationen aus Amerika. Aber auch in Deutschland können die gefährlichen Wirbelstürme entstehen. Doch wie genau entsteht so ein Tornado?

Grundsätzlich müssen dafür zwei Luftmassen aufeinander treffen, die sich stark unterscheiden. Die Eine ist sehr feucht, warm und in Bodennähe, wohingegen die Andere deutlich kälter und in höheren Lagen sein muss. Da kalte Luft schwerer ist als warme, entsteht eine Verwirbelung der Luft. Die warme Luft steigt auf, während die kalte Luft nach unten fällt. Dieser Wirbel, der zur Bildung einer Gewitterwolke führt ist aber erst einmal horizontal ausgerichtet. Damit der für einen Tornado ausschlaggebende vertikale Wirbel entstehen kann, benötigt es zusätzlich einen starken Seitenwind, der in der Lage ist den horizontalen Wirbel aufzurichten. Der Wirbel, der sich nun in die vertikale gedreht hat, bildet in seinem Inneren einen Unterdruck, der weitere warme Luft aus Bodennähe ansaugt. Durch diesen Effekt verstärkt sich der Wirbel. Er wird immer schneller und breitet sich in Richtung Boden aus. Erst wenn der Fuß des Wirbels den Erdboden erreicht hat spricht man von einem Tornado. Durch den beschriebenen Effekt der Verstärkung können in einem Tornado Windgeschwindigkeiten von bis zu 500 Km/h entstehen. Die extrem hohen Windgeschwindigkeiten und der starke Unterdruck im Inneren des Tornados sorgen für die zerstörerische Kraft des Wirbelsturms. Tornados werden auf einer Skala von 0-6 in ihrer Stärke eingeordnet. Da die tatsächlichen Windgeschwindigkeiten nur schwer zu messen sind, beruhen die Kategorien auf dem Ausmaß der Zerstörung des Sturms. Sie reichen von 0 mit abgebrochenen Ästen bis hin zur totalen Zerstörung selbst massiver Stahlbetonbauten in der Kategorie 6. Ein Tornado dieser Stärke wurde allerdings noch nie in der Natur beobachtet.

Der Tornado vom Donnerstag wird wohl in die Kategorie 1 -2 einzuordnen sein. Einige Dächer wurden teilweise abgedeckt und größere Hallen wurden zum Einsturz gebracht. Glücklicherweise wurde bei diesem Sturm aber niemand verletzt.

Quellen:

http://www.sturmwetter.de/texte/tornadoentstehung.htm

http://www.br.de/nachrichten/unterfranken/inhalt/windhose-kuernach-unwetter-100.html

Was macht Alkohol in unserem Körper?

Die Faschingszeit ist vorbei und viele von euch haben in diesen Tagen mit Sicherheit das ein oder andere alkoholische Getränk zu sich genommen. Ein durchzechter Abend kann viele körperliche Folgen haben, die im Volksmund zusammengefasst als „Kater“ bezeichnet werden. Aber was genau macht der Alkohol eigentlich mit unserem Körper und wie kommt es dadurch zu einem Kater?

Der Genussalkohol, den wir über Getränke zu uns nehmen, ist der so genannte Ethanol-Alkohol (C₂H₅OH). Die Moleküle des Ethanols haben viele Wirkungen auf unseren Körper. Eine der Hauptwirkungen, die jeder schon erlebt hat ist, dass Ethanol die Ausschüttung des Hormons Vasopressin blockiert. Dieses Hormon sorgt dafür, dass unsere Niere einen Teil des Wassers zurückgewinnt, bevor der Urin ausgeschieden wird. Durch einen Mangel an Vasopressin gibt die Niere alle Flüssigkeit sofort in die Blase ab, was folglich auch zu schnellem und häufigem Harndrang führt. Die Folge ist eine Wassermangel im Körper. Zusätzlich können durch die schnelle Ausscheidung viele Mineralstoffe vom Körper nicht aufgenommen werden, was auch zu Mangelerscheinungen führt.

In der Leber, die ja bekanntlich für den Abbau des Alkohols im Körper verantwortlich ist, wird für diesen Abbau sehr viel Energie benötigt. Die Energie, die der Körper aus Zuckerverbrennung zur Verfügung stellen muss, fehlt nun um die Funktion anderer Organe korrekt aufrecht zu erhalten. Einen ebenfalls sehr hohen Energiebedarf hat das Gehirn. Ist dieses unterversorgt können Kopfschmerzen und Schwindel die Folge sein. Im Gehirn selber hat Ethanol aber auch gravierende Wirkungen. Zum Einen binden Ethanol Moleküle an verschiedenste Rezeptoren im Gehirn, wodurch die Impulsübertragung zwischen Nervenzellen beeinträchtigt wird. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Gehirn reduziert. Zum Anderen führt Alkohol zu einer Freisetzung von Botenstoffen wie Dopamin, Serotonin und Endorphinen. Diese Freisetzung führt zu guter Laune, Redseligkeit und Tatendrang (was ja bei kontrolliertem Konsum durchaus zur Qualität einer Feier beitragen kann, bei Überkonsum aber auch negative Folgen haben kann).

Ein letzter kritischer Punkt des Alkoholkonsums (es gibt unzählige, ich erwähne hier nur ein paar wichtige) sind die Zwischenprodukte, die beim Abbau von Alkohol in der Leber entstehen. Durch einen ersten Schritt wird nämlich aus Ethanol mit Hilfe des Enzyms Alkoholdehydrogenase (ADH) Acetaldehyd produziert. Dieses Molekül ist um ein Vielfaches toxischer als Ethanol. Auch wenn Acetaldehyd im weiteren Abbauprozess zu Wasser und Kohlendioxid zersetzt wird, kann es den Körper durch die hohe Toxizität schädigen.

All diese Vorgänge im Körper tragen dazu bei, dass der Alkohol die bekannte Wirkung auf uns hat. Vor allem die Dehydrierung als Folge der erhöhten Wasserabgabe ist ausschlaggebend für den Kater am nächsten Tag mit all seinen Symptomen. Allerdings kann auch die Qualität des Alkohols einen Einfluss haben. Getränke mit einem hohen „Fuselanteil“, also Produkte wie Methanol- oder Propanolalkohol, die bei unsauberer Destillation mit in die Getränke geraten können, erhöhen das Risiko katerähnlicher Symptome. Grundsätzlich gilt natürlich: Die Menge an aufgenommenen Alkohol ist entscheidend für das Ausmaß der Auswirkungen auf den Körper. Einem genussvollen Konsum alkoholischer Getränke steht daher nichts im Weg.

 

Quellen:

http://www.eyeforspirits.com/2011/11/12/der-tag-danach-wie-entsteht-ein-kater/

http://www.fundus.org/pdf.asp?ID=12399