Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen

Was das Kind lernt

• Was ein Wirbel ist: Kreisendes Wasser bildet einen Trichter mit einem Luftkanal in der Mitte.
• Dass Wasser und Luft sich beim Durchqueren eines engen Halses „abwechseln“ müssen und dass der Wirbel jedem einen eigenen Weg öffnet: dem Wasser außen, der Luft in der Mitte.
• Dass sich das Wasser zur Mitte hin immer schneller dreht (wie eine Eiskunstläuferin, die die Arme anzieht).
• Auslaufzeiten zu messen und zu vergleichen, indem man den Versuch wiederholt.

Vorher vorbereiten

• Entferne die Etiketten von den Flaschen (heißes Wasser und Seife) und trockne sie außen ab: Auf nassem Kunststoff hält das Klebeband nicht.
• Drucke Vorlage A aus, klebe sie auf den Kunststoffdeckel und schneide die Lochscheibe aus; mach das 9-mm-Loch in der Mitte.
• Schneide 4 Streifen Isolierband von 30 cm ab (insgesamt 1,2 m) und klebe sie mit einem Ende an die Tischkante.
• Arbeite über einer Spüle, einem Tablett oder draußen, falls die Verbindung beim ersten Versuch tropft.

Materialien und Werkzeuge

• Plastikflaschen — 2 gleiche
  1,5 l, durchsichtig, glatt, ohne Etikett, mit normaler Limo-/Wasserflaschenöffnung (Gewinde ≈ 27 mm)
• Lochscheibe aus Kunststoff — 1 (Teil A)
  Ø 25 mm mit 9-mm-Loch in der Mitte, ausgeschnitten aus einem Kunststoffdeckel (Eisbecher, großer Joghurtbecher) oder einer Plastikmappe
• Isolierband — 1–1,4 m
  aus PVC, 15–19 mm breit (dehnbar und wasserdicht)
• Leitungswasser — 1,1 l (¾ Flasche)
  zimmerwarm
• Lebensmittelfarbe — 3–4 Tropfen
  blau oder grün
• Sichtbare Teilchen (optional) — 1 Teelöffel
  Alufolie in Kügelchen von 2–3 mm, große Pailletten oder Plastikkonfetti, um die Drehung zu sehen
• Ein paar Tropfen Spülmittel (optional) — 1 Tropfen
  damit der Lufttrichter klarer zu sehen ist

Werkzeuge

• Kräftige Schere — die Lochscheibe aus dem Kunststoff schneiden
• Locheisen oder Vorstecher und Nagelschere — das 9-mm-Loch in die Lochscheibe machen Erwachsene
• Messbecher und Trichter — 1,1 l einfüllen, ohne etwas zu verschütten
• Stoppuhr — die Auslaufzeit messen

Teile und Vorlagen

• A · Durchlass-Lochscheibe ×1 — Kunststoff aus einem Becherdeckel oder einer Mappe (0,5–1 mm)

Schritt für Schritt

1. Füll die erste Flasche

   Setz den Trichter auf eine 1,5-l-Flasche und füll 1,1 Liter Wasser ein, bis etwa 4 cm unter den Beginn der Schulter (wo sich die Flasche zum Hals hin verengt), also drei Viertel der Flasche.

   Prüfe: Oben bleiben etwa 400 ml Luft: Die braucht der Wirbel, um den Trichter zu bilden.

2. Gib Farbe dazu

   Gib 3–4 Tropfen Lebensmittelfarbe hinein und, wenn du willst, einen Teelöffel Alufolienkügelchen oder Pailletten. Du kannst 1 Tropfen Spülmittel dazugeben.

3. Schneide die Lochscheibe aus Erwachsene

   Schneide die Lochscheibe A mit Ø 25 mm aus dem Kunststoffdeckel und mach mit Vorstecher und Nagelschere das 9-mm-Loch in der Mitte.

   Prüfe: Die Lochscheibe deckt genau den Rand der Flaschenöffnung ab und steht höchstens 1 mm über.

4. Leg die Lochscheibe auf

   Trockne die Öffnung der vollen Flasche gut ab und leg die Lochscheibe mittig darauf. Damit sie nicht verrutscht, kannst du sie an zwei Seiten mit einem Stückchen Klebeband festhalten.

5. Setz die zweite Flasche auf

   Setz die zweite Flasche, leer und trocken, kopfüber auf die Lochscheibe, mit beiden Öffnungen in einer Linie, als wäre es eine einzige lange Flasche.

   Prüfe: Schau von der Seite: Die beiden Flaschen bilden eine gerade Linie.

6. Erste Lagen Klebeband Erwachsene

   Während jemand die Flaschen gerade hält, wickle 4 Lagen gut gedehntes Isolierband direkt über die Fuge der Öffnungen und drück sie mit den Fingern an, damit keine Falten bleiben.

7. Verstärke die Verbindung

   Wickle das Band spiralförmig weiter nach oben und unten, bis beide Gewinde und beide Halsringe bedeckt sind, insgesamt etwa 1–1,4 m Band. Schließ mit 2 Lagen über der Fuge ab.

   Prüfe: Halte das Ganze 10 Sekunden mit der vollen Flasche oben über die Spüle: Es darf nicht tropfen. Wenn es tropft, wickle weitere straffe Lagen über die Fuge.

8. Dreh alles um

   Dreh alles um, sodass die Flasche mit Wasser oben ist. Halte mit einer Hand die untere Flasche und mit der anderen die Verbindung. Du siehst, dass das Wasser langsam und blubbernd herunterläuft.

9. Mach den Wirbel

   Mit einer Hand an der oberen Flasche und der anderen an der Verbindung machst du in 3 Sekunden 5–6 schnelle waagerechte Kreise von etwa 10 cm Durchmesser, als würdest du in einem Kochtopf rühren. Dann hör auf und halte das Ganze still und senkrecht.

   Tipp: Wenn kein Trichter entsteht, mach kleinere und schnellere Kreise.

10. Beobachte den Tornado

    In 2–3 Sekunden bildet sich in der Mitte ein Lufttrichter, der bis zum Hals hinunterreicht, und das Wasser läuft spiralförmig nach unten. Schau genau hin und folge einem Alukügelchen mit den Augen.

    Prüfe: Der Trichter reicht von der Oberfläche bis zum Hals und das Wasser läuft ohne Blubbern aus.

11. Wiederhole es andersherum

    Wenn das ganze Wasser unten ist, dreh das Ganze um und wiederhole es, diesmal in die andere Richtung kreisend. Stopp beide Male die Auslaufzeit.

Funktioniert es? Der Test

Stopp mit 1,1 l Wasser und der 9-mm-Lochscheibe die Auslaufzeit, einmal mit ruhig gehaltener Flasche (ohne Drehung) und dann mit Wirbel.

Was passieren soll: Ohne Drehung blubbert das Wasser und braucht 40 s oder mehr (manchmal stockt es fast). Mit Wirbel bildet sich der Trichter in 2–3 s und die Flasche ist in etwa 15–25 s leer, gleichmäßig.

Wenn etwas nicht klappt

• Die Verbindung tropft — Band nicht straff genug, Öffnungen nass oder nicht in einer Linie. Lösung: Trockne die Öffnungen, richte die Flaschen aus und wickle 4 weitere gut gedehnte Lagen direkt über die Fuge.
• Es bildet sich kein Trichter — Zu langsam oder zu weit gekreist, oder die Flasche bewegt sich am Ende noch. Lösung: Schnelle Kreise von 10 cm, 5–6 Runden, und dann die Flasche ruhig halten.
• Das Wasser stürzt in 3–4 s ohne Tornado herunter — Die Lochscheibe fehlt oder ihr Loch ist zu groß. Lösung: Setz eine Lochscheibe mit 8–10-mm-Loch ein.
• Das Wasser läuft kaum nach unten, auch nicht mit Drehung — Loch der Lochscheibe zu klein (< 6 mm) oder vom Klebeband verdeckt. Lösung: Erweitere das Loch auf 9 mm und prüfe, dass das Band den Durchlass nicht verdeckt.
• Die Verbindung knickt ab — Zu wenig Band oder zu schwere Flaschen. Lösung: Bedecke beide Gewinde mit Band und halte beim Kreisen immer eine Hand an der Verbindung und die andere an der oberen Flasche; nimm 1,5-l-Flaschen.
• Der Trichter ist schlecht zu sehen — Ungefärbtes Wasser oder Flaschen mit Rillen. Lösung: Gib Lebensmittelfarbe und Alukügelchen dazu; nimm glatte Flaschen.

Sicherheit

• Die vollen Flaschen wiegen 1,2 kg: Die Kleinsten sollten sie im Sitzen kreisen lassen und die untere auf dem Tisch oder den Beinen abstützen.
• Mach die Versuche über einer Spüle oder einem Tablett: Wenn die Verbindung aufgeht, läuft mehr als ein Liter aus und der Boden wird rutschig.
• Vorstecher und Locheisen benutzt ein Erwachsener, mit dem Deckel auf einem Stück Holz.
• Verwende keinen losen Glitzer, der im Abfluss landet; kleine Teile (Pailletten, Kügelchen) von Kindern unter 3 Jahren fernhalten.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Wenn die Flasche still steht, will das Wasser nach unten und die Luft von unten nach oben, aber beide wollen gleichzeitig durch das kleine Loch und schubsen sich gegenseitig: Deshalb macht es „gluck-gluck“ und geht langsam. Wenn du die Flasche kreisen lässt, fängt das Wasser an, sich wie ein Karussell zu drehen, drückt sich an die Wände, und in der Mitte bleibt ein leerer Tunnel. Durch diesen Tunnel steigt die Luft auf, und das Wasser läuft außen herum kreisend nach unten. Jeder hat seinen eigenen Weg! Dieser drehende Trichter heißt Wirbel, und genau das passiert bei einem Tornado oder wenn du die Badewanne leerlaufen lässt.

Für Erwachsene

Bei ruhender Flasche kann Wasser nur ausfließen, wenn durch dieselbe Öffnung ein gleich großes Luftvolumen einströmt: Es entsteht eine instabile, stoßweise Strömung (die Blasen steigen einzeln auf) und der Durchfluss ist gering. Durch das Kreisen erhält das Wasser einen Drehimpuls. Auf dem Weg zur Öffnung nimmt der Drehradius ab, und da der Drehimpuls erhalten bleibt (v·r ≈ konstant, Potentialwirbel), steigt die Tangentialgeschwindigkeit nahe der Achse stark an. Um diese gekrümmte Bahn zu halten, ist eine Zentripetalkraft nötig, die ein Druckgefälle liefert: Der Druck ist in der Mitte geringer, die freie Oberfläche sinkt ein und es bildet sich der Trichter (annähernd hyperbolische Form). Dieser Luftkern verbindet die beiden Flaschen, die Luft steigt in der Mitte auf, ohne das Wasser zu unterbrechen, und das Auslaufen wird gleichmäßig und schneller. Von „Zentrifugalkraft“ spricht man, wenn man es aus Sicht des kreisenden Wassers beschreibt (nicht-inertiales Bezugssystem). Die 9-mm-Lochscheibe begrenzt den Durchfluss, damit der Wirbel Zeit hat, sich zu bilden, und 15–25 s lang zu sehen ist. Atmosphärische Tornados verstärken sich auf ähnliche Weise, indem sich die Rotation in einer schmalen Säule konzentriert; die Drehrichtung in der Flasche bestimmt deine Hand, nicht die Erdhalbkugel (der Coriolis-Effekt ist in diesem Maßstab vernachlässigbar).

• Wirbel: Fluid, das sich um eine Achse dreht und einen Strudel bildet.
• Fluid: etwas, das fließen und seine Form ändern kann, wie Wasser oder Luft.
• Zentrifugalkraft: das Gefühl, nach außen gedrückt zu werden, wenn sich etwas dreht.
• Druck: wie stark ein Fluid drückt; in der Mitte des Wirbels ist er geringer.
• Drehimpuls: die „Menge an Drehung“: Wenn sich etwas Drehendes zusammenzieht, dreht es sich schneller.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene bereitet Lochscheibe und Verbindung vor; das Kind füllt mit dem Trichter ein, gibt Farbe dazu und lässt kreisen. Kernidee: „Die Luft steigt in der Mitte auf und das Wasser läuft kreisend nach unten.“
• 8–10 Jahre: Sie bauen alles selbst außer dem Loch der Lochscheibe. Lass sie mit und ohne Drehung stoppen und den Mittelwert aus 3 Versuchen bilden.
• 11–12 Jahre: Experiment mit einer Variablen (Loch oder Wassermenge), Tabelle und Diagramm. Challenge: den Trichter mit der Erhaltung des Drehimpulses erklären.

In der Gruppe oder in der Klasse

Zu zweit, ein Tornado pro Paar (bitte jede Familie um 2 gleiche 1,5-l-Flaschen). Bereite die Lochscheiben (1 pro Paar) und das zugeschnittene Band vorher vor. Befüllt die Flaschen an einer Station mit Wanne und Krügen. Einheit von 40 min: 10 min Aufbau, 15 min Versuche und Zeitmessung, 15 min gemeinsame Auswertung mit einer Tabelle an der Tafel (Zeiten aller mit und ohne Drehung). Stell Tische mit Tabletts auf oder macht die Aktivität auf dem Schulhof.

Challenges

• Schaff den Tornado, der am längsten hält, indem du nur eine Sache änderst.
• Bau eine wiederverwendbare Verbindung aus zwei zusammengeklebten Flaschendeckeln mit 9-mm-Loch (mit Hilfe eines Erwachsenen).
• Gib 2 Esslöffel Speiseöl dazu: Was passiert mit dem Öl im Wirbel?
• Mach einen Tornado in einer 500-ml-Flasche und vergleiche, welcher pro Liter Wasser „schneller“ ist.

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Flaschentaucher
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserfilter in Schichten
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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