09 Ball in a Tube

Aufgabenstellung

A sealed transparent tube is filled with a liquid and contains a small ball. The tube is inclined and its lower end is attached to a motor such that the tube traces a conical surface. Investigate the motion of the ball as a function of relevant parameters.

Leitfragen

Experiment

  • Baue ein "rotierendes Rohr" gemäß der Aufgabenstellen. Dazu kannst du zum Beispiel ein zylinderförmiges Glasgefäß mit Knetmasse auf einem Drehteller befestigen.

  • Untersuche die Abhängigkeit der Ballbewegung von folgenden Parametern, indem du diese variierst:

    • Winkelgeschwindigkeit, Neigungswinkel und Durchmesser des Rohres
    • Dichte und Viskosität der Flüssigkeit
    • sowie Masse und Durchmesser des Balls
  • Wie kannst du die Bewegung des Balles (Translation und Rotation) aufnehmen und auswerten?

  • Wie kannst du feststellen, ob und wie sich die Flüssigkeit im Rohr bewegt?

  • Wie verändert sich die Bewegung der Flüssigkeit und des Balls während des Experiments?

Theorie

  • Welche Kräfte wirken auf den Ball?
  • Was erwartest du für ein Verhalten, wenn ein Parameter einen Grenzwert annimmt (z.B: vertikale Ausrichtung oder keine Rotation des Rohrs)?
  • Mit welchen Gleichungen kannst du die Bewegung des Balls und der Flüssigkeit beschreiben? Kannst du sie numerisch oder gar analytisch lösen?

Literatur