05 Leidenfrost Stars

Aufgabenstellung

In the Leidenfrost effect, a water drop placed on a hot surface can survive for minutes. Under certain circumstances, such a drop develops oscillating star shapes. Induce different oscillatory modes and investigate them.

Video

Leitfragen

Experimentelles

  • Versuche zuerst den Leidenfrost Effekt auszuprobieren.
  • Um zu sehen, wie die Tropfen oszillieren und die Form eines Sterns annehmen, solltest du möglichst große Tropfen nehmen, die nicht mehr kugelförmig sind, sondern sehr flach sind. (Bond number >> 1)
  • Versuche die Tropfen an einem Punkt festzuhalten.
  • Ein großes Problem wird es sein die Temperatur der Herdplatte an dem Punkt, an dem der Tropfen aufliegt, konstant zu halten. Überlege dir Methoden, dies zu verbessern.
  • Beobachte die Verformung des Tropfens: Mit welchen Frequenzen schwingt er? Welche Schwingungsmoden tretten wann auf? Schwingt der Tropfen immer mit derselben Schwingungsmode?
  • Die Tropfen schwingen relativ schnell (~10Hz). Du solltest eine Highspeedkamera mit mehr als 100 Bildern pro Sekunde verwenden, um die Bewegung gut auflösen zu können.
  • Überlege dir Methoden deine Messungen reproduzierbar und kontrollierbar durchzuführen. Für die Produktion der Tropfen empfehle ich eine Spritzenpumpe.

Für Profis

  • Verwende Flüssiggase anstatt von Wasser und lasse sie auf eine Flüssigkeitsoberfläche mit sehr hoher Viskosität fallen (z.B. Glycerin), welche gut wärmeleitend ist. Genaueres findest du hier: [1] Beachte hierbei die nötigen Sicherheitsvorschriften!

Theorie

  • Verstehe warum der Leidenfrost Effekt auftritt und wie sich der Luftfilm zwischen Tropfen und Oberfläche verhält.
  • Vergleiche die Leidenfrost Stars mit anderen ähnlichen Phänomenen, wo ebenfalls "Sterne" sichtbar sind. Viele Beispiele findest du in [1]
  • Welche Unterschiede und Gemeinsamkeiten findest du hierbei?
  • Laut Literatur findet das Phänomen dank einer parametrischen Schwingung statt. Mache dir klar was ein parametrischer Oszillator ist und was ihn von einer erzwungenen Schwingung unterscheidet.
  • Es werden in der Literatur mehrere Ursachen für die parametrische Oszillation genannt. Welche Theorien gibt es?
  • Versuche durch geschickt gewählte Experimente zu zeigen, welches Modell das Richtige ist. Versuche ebenfalls zu verstehen, warum die anderen nicht zutreffend sind.
  • Es gibt sehr viele auch teilweise widersprüchliche Erklärungen des Phänomens. Eine ausgiebige Literaturrecherche ist unerlässlich!

[1]: Brunet P. and Snoeijer J.H.: Star-drops formed by periodic excitation and on an air cushion - A short review, European Physical Journal http://stilton.tnw.utwente.nl/people/snoeijer/Papers/2011/BrunetEPJST11.pdf

Weite hilfreiche Quellen für den Einstieg folgen noch. Wenn du Zugang zu spezieller Literatur brauchst oder Fragen zu den mathematischen Hintergründen hast, kann ich dir auch gerne weiterhelfen!